《ACS Omega》：Enhancing the Reactivity of Aluminum Powder under Different Heating Rates by Nanoaluminum Powder and Fluororubber
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本文通过设计微纳复合铝粉（C@Al）包覆氟橡胶的创新结构，系统研究了不同加热速率（5°C/min至1014°C/s）下铝粉的反应特性。结果表明，该结构通过形成“微米域”（nanoaluminum/fluororubber micron domain）显著缩短点火延迟、降低活化能（TG-DSC测试），并提升燃烧热（hot-wire ignition）和冲击波传播速度（laser-induced shock wave）。在RDX/Al基炸药应用中，C@Al-10%F使爆热提升207 kJ/kg，验证了其在含能材料中增强能量释放和抑制团聚的潜力。
引言
铝粉因高能量密度和低成本被广泛应用于炸药、推进剂等含能系统，但存在反应不完全和燃烧团聚等问题。当前改进策略包括纳米化、表面包覆和添加产气剂，但各自存在应用局限。本研究提出通过静电爆炸沉积法构建微纳复合铝粉（C@Al），在其表面包覆氟橡胶，形成具有“海胆”结构的复合燃料，以调控“微米域”反应环境，系统评估其在不同加热速率下的性能。
实验部分
原料与制备
以5 μm微米铝粉为基底，通过电爆炸0.35 mm铝丝（频率1 Hz）使纳米铝（<100 nm）静电沉积于微米铝表面，形成核壳结构（纳米铝占比8%）。随后采用溶剂蒸发法包覆5%~25%的氟橡胶（F2603/PTFE混合物），制备C@Al系列样品；另设物理混合样品（C + Al）和纯微米铝包覆样品（C + μAl）作为对照。
测试方法
涵盖宽加热速率范围：
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低速（5~20°C/min）：热重-差示扫描量热（TG-DSC）分析氧化行为与活化能（AKTS软件计算）。
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中高速（105°C/s）：热丝点火（密封氧舱）和CO2激光点火（60 W），记录点火延迟与燃烧速率。
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超高速（109~1012°C/s）：高压电爆炸（18 kV，4 μF）和激光诱导等离子体（Nd:YAG激光，1064 nm），监测压力峰值与冲击波传播。
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爆炸应用测试：56% RDX + 38%铝粉 + 6%粘结剂配方，测量爆热（GJB-772A标准）、爆速及空中爆炸冲击波超压。
结果与讨论
结构表征
SEM显示C@Al-10%F中氟橡胶均匀包覆于“海胆”结构表面，而C + Al-10%F出现氟橡胶团聚（图3）。XPS证实氟橡胶与铝为物理吸附，未生成Al–F或Al–C化学键（图4）。
低速加热反应特性
TG-DSC表明C@Al-10%F的预点火反应（PIR）和氧化峰温度提前，活化能（Friedman/Ozawa法）显著低于C + Al-10%F（图6）。热丝点火实验显示，氟橡胶含量15%时C@Al燃烧热最高（13.15 kJ/g），超过20%后因气相产物分散作用导致燃烧热下降（图7c）。CO2激光点火中，C@Al-10%F点火延迟最短（39 ms），燃烧速率达0.68 cm/s，优于物理混合样品（表2）。
高速加热反应性能
高压电爆炸测试中，C@Al-10%F峰值压力（309.87 kPa）比C + μAl-10%F高37.91%，等离子体辐射强度持续更久（图10）。激光诱导冲击波实验显示，C@Al-10%F冲击波传播距离拟合公式系数c=1.087（表3），波速随时间的衰减最缓，表明持续能量释放（图12）。
爆炸应用验证
在RDX基炸药中，C@Al-10%F配方（3#）爆热达8124 kJ/kg，较C + μAl-10%F（1#）提升207 kJ/kg，但爆速略降（7583.4 m/s），因纳米铝在爆轰阶段呈惰性（表4）。空中爆炸红外热像显示3#火球温度最高（2029.63°C），近场（3 m）冲击波超压达0.331 MPa，TNT当量1.232（图16-17）。机理分析表明，纳米铝作为“点火剂”提升微米铝反应度，氟橡胶分解产气抑制团聚（图18）。
结论
- 1.
C@Al通过物理吸附形成微纳复合结构，氟橡胶包覆均匀性优于物理混合样品。
- 2.
低速加热下，C@Al-10%F综合性能最优，平衡了能量输出与团聚控制。
- 3.
高速加热环境中，C@Al-10%F展现更高的压力峰值和冲击波速度，释放能量更充分。
- 4.
爆炸应用证实C@Al-10%F可提升爆热和近场破坏力，在含能材料领域具应用前景。
