基于Na3AlF6温度开关调控的洋葱结构Al@Na3AlF6@AP复合材料实现可控点火与高效燃烧

固体推进剂中铝粉燃烧效率低、团聚严重等问题长期制约发动机性能。中国科学院研究人员通过两步蒸发诱导自组装技术构建洋葱结构Al@Na3AlF6@AP复合材料，利用Na3AlF6在700℃触发Al2O3向Al6NaO9.5转化，使铝氧化效率达96.75%，燃烧热提升8.4%，团聚尺寸降至10μm，为高能推进剂设计提供新思路。

　　

铝粉作为固体推进剂的关键组分，其高能量密度特性却因表面氧化壳导致的点火延迟、团聚和低效燃烧而大打折扣。传统解决方案如纳米铝粉虽减小团聚尺寸却牺牲能量密度，铝合金又面临密度损失和稳定性问题。这一困境促使科学家探索既能保留铝粉能量优势又能突破燃烧效率限制的创新策略。

中国科学院团队在《Fuel》发表的研究中，巧妙利用电解铝工业中的关键材料——氟铝酸钠(Na₃AlF₆)的独特性质，开发出具有温度响应功能的洋葱结构复合材料。通过蒸发诱导自组装技术，先在微米铝粉表面包覆2nm厚Na₃AlF₆层，再外覆高氯酸铵(AP)，形成类似洋葱的多层结构。当温度升至700℃时，Na₃AlF₆如同"温度开关"般激活，将阻碍反应的Al₂O₃转化为多孔Al₆NaO_9.5，同时AP分解产生的氧化性气体形成自维持供氧网络，使铝核得以高效燃烧。

研究采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)确认材料形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析界面相互作用，同步热分析(TG/DSC)结合原位红外(TG-IR)揭示反应机制，高速摄像记录燃烧动力学过程。密度泛函理论(DFT)计算显示γ-Al₂O₃(110)与Na₃AlF₆(001)界面结合能达0.869 J/m²，电荷转移形成的化学键确保结构稳定性。

形态与结构表征
SEM显示复合材料呈1-10μm球形颗粒，元素分布均匀。TEM证实Na₃AlF₆层完整包覆铝核，XPS检测到界面氟原子存在两种化学环境，证明Na₃AlF₆与铝的强相互作用。

温度开关功能机制
在0.1MPa氧气中，Al@Na₃AlF₆点火延迟缩短10.59%，并出现剧烈微爆现象。TG分析显示其氧化效率达96.75%，远高于纯铝(81.32%)。700℃热处理后，PXRD检测到Al₆NaO_9.5特征峰，证实Na₃AlF₆成功转化氧化层结构。

燃烧与热反应性
洋葱结构Al@Na₃AlF₆@AP燃烧热达19.532 MJ/kg，比物理混合样品高8.4%。高速摄像显示其火焰温度达1694℃，团聚尺寸仅10μm。TG-IR揭示AP分解产生的NO₂气体在高温阶段浓度提升57.86倍，为铝燃烧创造富氧环境。

这项研究通过"材料设计-界面调控-反应动力学"的多层次创新，将铝燃烧的限速步骤从氧扩散转变为铝氧化活化。Na₃AlF₆的温度开关效应与AP的氧自供给网络协同作用，不仅解决了推进剂领域铝粉燃烧效率低的核心难题，其"低温熔融-原位转化-微爆分散"的级联反应机制更为高能燃料设计提供了普适性策略。该成果对发展新一代固体火箭发动机具有重要应用价值，其界面调控思路也可拓展至其他金属基能源材料体系。