石墨烯包覆鋁粉的制備、表征及燃燒性能研究

前言

鋁粉因其卓越的力學、熱學特性及燃燒性能，在民用、軍事及能源領域有廣泛應用。然而，微納米鋁粉的高易燃性和貯存風險，以及細粉團聚導致的燃燒放熱降低，限制了其應用潛力。采用碳材料對鋁粉進行改性，尤其是利用石墨烯的巨大比表面積，成為改善鋁粉性能的新途徑。盡管已有研究探索了石墨烯包覆鋁粉的強度、韌性及導電性變化，但對其燃燒性能的研究尚不充分。因此，本文聚焦于石墨烯包覆鋁粉的制備及其燃燒特性研究。

本研究旨在探討石墨烯包覆對微米鋁粉燃燒性能的影響。通過氧化還原法制備少層還原石墨烯，并采用原位還原法制備石墨烯復合鋁粉。利用XRD、SEM、XPS及氧彈量熱法等手段分析石墨烯的包覆效果，并比較了純鋁粉與復合鋁粉的燃燒效率。

樣品制備

石墨烯的制備

采用氧化還原法制備石墨烯。具體步驟包括：在冰水浴條件下，將濃硫酸、高錳酸鉀和硝酸鈉混合，加入鱗片石墨后冷藏保存24小時。隨后在35℃下攪拌30分鐘，緩慢加入去離子水并升溫至98℃，再在100℃下攪拌15分鐘。反應結束后加入過氧化氫，過濾洗滌得到GO（氧化石墨烯）漿料。最后，將GO在95℃下與水合肼反應100分鐘，制得rGO（還原氧化石墨烯）。

石墨烯包覆鋁粉的制備

首先，通過篩分獲得平均粒徑為12.75微米的鋁粉樣品，并在干燥條件下保存?zhèn)溆?。采用原位還原法制備石墨烯/鋁復合粉末，即將鋁粉、水合肼和乙醇混合，再將GO水溶液逐滴滴入該混合液中，在95℃下反應。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，確保石墨烯均勻包覆在鋁粉表面。

結果與討論

石墨烯包覆效果

SEM圖像顯示，石墨烯成功包覆在鋁粉表面，形成均勻且致密的包覆層。XPS分析進一步證實了石墨烯與鋁粉之間的化學鍵合，表明包覆層穩(wěn)定且牢固。

燃燒性能對比

氧彈量熱法測試結果顯示，5納米石墨烯包覆層的鋁粉燃燒性能顯著提升。其質量燃燒熱達到24,532 J/g，燃燒效率高達80.32%，相比純鋁粉的63.31%有顯著提高。這表明石墨烯的包覆不僅未阻礙鋁粉的燃燒，反而促進了燃燒反應的進行。

燃燒機理推測

基于燃燒產物的表征結果，推測石墨烯對鋁粉燃燒性能的促進作用主要歸因于其優(yōu)異的導熱性和大比表面積。石墨烯的快速導熱性加速了鋁粒子間的熱量傳導，使得燃燒反應更加均勻和充分。同時，大比表面積提供了更多的反應活性位點，提高了活性鋁粒子的反應參與度。這些因素共同作用，使得石墨烯包覆鋁粉的燃燒性能得到顯著提升。

石墨烯的影響分析

石墨烯以其巨大的比表面積和優(yōu)異的導熱性，在改性鋁粉中展現(xiàn)出顯著的影響。結果表明，5 nm石墨烯包覆層的鋁粉相較于純鋁粉，燃燒性能顯著提升，具體表現(xiàn)為：

· 燃燒效率：石墨烯包覆的鋁粉燃燒效率高達80.32%，遠超純鋁粉的63.31%。這一提升歸因于石墨烯的導熱性加速了鋁粒子間的熱量傳導，使得更多的鋁粒子得以參與燃燒反應。

· 質量燃燒熱：石墨烯復合鋁粉的質量燃燒熱達到24,532 J/g，表明其單位質量釋放的能量更多，燃燒更加充分。

此外，石墨烯的大比表面積還促進了活性鋁粒子與氧氣的充分接觸，提高了反應參與度，進一步增強了燃燒性能。

結論

本研究通過氧化還原法和原位還原法成功制備了石墨烯包覆鋁粉，并系統(tǒng)研究了其燃燒性能。結果表明，5納米石墨烯包覆層的鋁粉表現(xiàn)出優(yōu)異的燃燒性能，質量燃燒熱和燃燒效率均顯著提高?；谌紵a物的表征結果，提出了石墨烯促進鋁粉燃燒性能的機理。

同樣作為包覆工藝，納米蒸氣粉體包覆技術則通過絲材電爆制粉工藝，為微米粉末賦予了納米級的獨特性質，為銅包鋁合金復合材料也提供了表面改性的新思路。

納米蒸氣粉體包覆工藝

納米蒸氣粉體包覆指的是利用絲材電爆制粉工藝，在微米金屬/非金屬粉末表面包覆納米金屬粉末層，兩者間形成熔融焊接結合，從而使初始粉末獲得更加活躍的理化性能。

其原理是利用絲材電爆制備金屬納米粉的原理，同時在與金屬絲同軸且呈圓柱形的空間內分布基體微米粉末（金屬或非金屬），使之形成含微米粉體的“氣柱”。金屬絲電爆氣化后產生的納米蒸氣和基體粉末碰撞，使納米金屬蒸汽在基體粉末表面冷凝，形成被納米金屬層包覆的復合微米粉。通過控制基體粉末的循環(huán)時間、金屬絲的直徑、單次電爆炸的金屬絲長度、電爆頻率，實現(xiàn)基體粉末表面金屬包覆量的控制。