任曉雪，彭翠枝，秦 澗，鄭 斌

(北方科技信息研究所，北京 100089)

引 言

隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的不斷惡化，對(duì)武器彈藥性能的要求日益提高，包括提高彈藥的毀傷能力、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力、靈巧性以及發(fā)展高精度武器等。傳統(tǒng)含能材料已難以滿足“高效毀傷、高生存能力以及環(huán)境友好”等苛刻要求，現(xiàn)階段面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

納米鋁熱劑由納米鋁與金屬或非金屬氧化物混合后制備而成。這類(lèi)高能量密度含能材料通常都具有較高的點(diǎn)火感度，對(duì)摩擦和靜電放電具有較低的感度值、較低的表觀密度、較高的傳導(dǎo)速度、以及較高的反應(yīng)性。此外，這類(lèi)材料的能量釋放速率可調(diào)，在微尺寸下能夠自持燃燒，是武器戰(zhàn)斗部中非常有潛力的反應(yīng)性材料[1]。目前，納米鋁熱劑在火炸藥、火箭推進(jìn)劑等方面的應(yīng)用研究已成為含能材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。從近期的研發(fā)動(dòng)態(tài)來(lái)看，國(guó)外研究主要集中于納米鋁熱劑的制備、表征、基礎(chǔ)特性及潛在的應(yīng)用研究方面[2-4]。

國(guó)內(nèi)近年來(lái)也在納米鋁熱劑的研究領(lǐng)域提出相關(guān)概念并開(kāi)展制備研究。但總體而言，尚處于起步階段。因此，及時(shí)跟蹤了解國(guó)外納米鋁熱劑技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)和最新進(jìn)展，把握當(dāng)前重點(diǎn)方向，對(duì)于加快我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域研究具有重要的借鑒意義。

本文在系統(tǒng)跟蹤近年來(lái)國(guó)外研發(fā)動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，綜述了新型納米鋁熱劑制備技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)和最新進(jìn)展；綜合分析了納米鋁熱劑的性能、現(xiàn)有的各種制備技術(shù)特點(diǎn)及其潛在應(yīng)用；指出了納米鋁熱劑研究目前存在的問(wèn)題及今后的研究重點(diǎn)。

1 國(guó)外納米鋁熱劑制備技術(shù)研發(fā)動(dòng)態(tài)

目前，納米鋁熱劑作為一種新型含能材料，已經(jīng)成為國(guó)防科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來(lái)，國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道了納米鋁熱劑的合成、點(diǎn)火、燃燒、安定性及感度研究[5-10]。其中，如何制備性能良好的納米鋁熱劑，并對(duì)其性能加以表征，是該研究領(lǐng)域最關(guān)鍵的問(wèn)題。美國(guó)、法國(guó)等國(guó)在納米鋁熱劑的制備、性能表征及基礎(chǔ)特性領(lǐng)域開(kāi)展研究，并取得一定進(jìn)展。

納米鋁熱劑的制備方法包括固相反應(yīng)法、溶膠-凝膠法、燃燒合成法、生物合成法等。

1.1 固相反應(yīng)法

固相反應(yīng)法常用于氧化劑和燃料混合，因其價(jià)廉且能簡(jiǎn)單、快速制備大量納米鋁熱劑而引起關(guān)注。

Singh等[11]采用三步法制備Al/Fe2O3納米鋁熱劑：第一步采用直流電弧等離子體發(fā)生器(DCTATPR)制備納米鋁(30nm)；第二步采用新型快速沉淀法制備納米Fe2O3；第三步通過(guò)超聲物理混合納米鋁和Fe2O3顆粒。對(duì)Al/Fe2O3納米鋁熱劑的燃燒速率、催化性能、點(diǎn)火延遲進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，添加Al/Fe2O3納米鋁熱劑后，復(fù)合固體推進(jìn)劑的燃速?gòu)?.19mm/s提高至2.82mm/s。AP中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的Al/Fe2O3納米鋁熱劑后，其分解溫度從78℃提高至125℃。催化反應(yīng)主要在AP和復(fù)合固體推進(jìn)劑凝聚相的熱分解中出現(xiàn)。這一研究指出了一種新的納米鋁熱劑的制備方法，所制備的高反應(yīng)性的納米鋁熱劑可用作AP基復(fù)合固體推進(jìn)劑中的高能彈道改良劑。

Huebner等[12]等通過(guò)二價(jià)鐵、三價(jià)鐵共沉淀法快速制備磁性及無(wú)磁性的Al/Al2O3/FexOyHz納米鋁熱劑。合成過(guò)程中，兩種鋁熱劑的唯一區(qū)別在于加熱溫度不同，分別為20℃(非磁性)和50℃(磁性)。圖1為磁性及無(wú)磁性納米鋁熱劑的合成路徑流程圖。制備過(guò)程中，將平均粒徑為100nm的鈍化納米鋁同步加入反應(yīng)混合物中。采用高分辨率電子掃描鏡(HR-TEM)、能量分散X射線光譜(TEM-EDS)、熱重分析法(TGA)、差示掃描量熱法(DSC)等對(duì)制備的納米鋁熱劑進(jìn)行綜合表征，并對(duì)其性能和感度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，兩種納米鋁熱劑均為含能材料，卻有完全不同的反應(yīng)性能。與磁性納米鋁熱劑相比，無(wú)磁性納米鋁熱劑的靜電火花感度更高。與氣溶膠及干溶膠制備方法相比，采用所介紹的方法[12]可以快速且便捷地制備納米鋁熱劑。

圖1 磁性及無(wú)磁性納米鋁熱劑的合成方法Fig.1 Synthetic method of magnetic and non-magnetic nano-thermite

Puszynsk等[13]發(fā)明的一種納米鋁熱劑為基的擊發(fā)藥的濕法制備和裝填法，是在含季戊四醇四硝酸酯(PETN)、聚疊氮縮水甘油醚(GAP)等含能添加劑的水溶液中，通過(guò)納米鋁熱劑反應(yīng)物的分散和混合制備而成。該工藝包括：擊發(fā)藥混合物在底火殼內(nèi)預(yù)裝后，保持固體藥粒中的水分，經(jīng)過(guò)干燥，從擊發(fā)藥組分中除水。隨后在環(huán)境溫度或更高的溫度下，在真空爐內(nèi)驅(qū)除擊發(fā)藥中的殘余水。發(fā)明中采用的表面活性劑與添加劑可以有效避免納米鋁粉與水反應(yīng)，從而改善其在液態(tài)水中的混合性及分散性，并降低其靜電火花感度、摩擦與撞擊感度。此外，利用上述方法還可制備煙火藥、發(fā)射藥和炸藥，以及軍民兩用的含能材料。

1.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是一種條件溫和的材料制備方法，溶膠-凝膠法用于制備納米鋁熱劑是溶膠-凝膠化學(xué)的一個(gè)新的研究方向。但是，該法生產(chǎn)成本較高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

Gangopadhyay等[14]介紹了一種均質(zhì)納米金屬氧化物的制備方法，通過(guò)表面活性劑模板的溶膠-凝膠法制備納米金屬氧化物，納米金屬顆粒通過(guò)自組裝工藝中的濕法注入納米金屬氧化物中。在該制備方法中，納米CuO首先通過(guò)CuCl2溶液和溶劑中的表面活性劑稀溶液混合生成凝膠，隨后用溶劑處理凝膠以便驅(qū)除雜質(zhì)，最后在控制溫度下煅燒凝膠后生成納米CuO。該制備方法以CuCl2為起始材料，極大降低了納米CuO的生產(chǎn)成本，且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化放大生產(chǎn)。

Sawka等[15]采用溶膠-凝膠法制備了3種納米鋁熱劑：第一種納米鋁熱劑可通過(guò)熱源(火焰)或電源引燃；第二種配方只能通過(guò)電源引燃，并在低壓下持續(xù)燃燒；第三種配方則通過(guò)電源引燃，并在低壓下熄火。在其發(fā)明的新型納米鋁熱劑制備工藝中，采用含能液體氧化劑替代傳統(tǒng)溶劑，從而消除溶劑萃取過(guò)程。由交聯(lián)聚合物形成的3D納米結(jié)構(gòu)在含能液體氧化劑介質(zhì)中懸浮并增大。因此，所形成的3D納米結(jié)構(gòu)可避免蒸發(fā)，并保持其3D納米形狀。而且該液體氧化劑的點(diǎn)火和燃燒可控，其燃速可通過(guò)調(diào)整電量而加以控制，甚至可以通過(guò)斷電熄火，重復(fù)上述操作后即可重新點(diǎn)火和熄火。

1.3 燃燒合成法

燃燒合成法又稱(chēng)為自蔓延高溫合成法(SHS)，是合成納米鋁熱劑的新興技術(shù)之一。該技術(shù)原理是利用物質(zhì)反應(yīng)熱的自傳導(dǎo)作用，使不同的物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在瞬間形成化合物的一種高溫合成法。該法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省時(shí)間，充分利用能源；設(shè)備及工藝簡(jiǎn)單;產(chǎn)品純度高,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率接近100%；而且大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的產(chǎn)品。

Mousavian等[16]采用燃燒合成法制備Al-TiO2納米鋁熱劑，通過(guò)X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、熱分析對(duì)Al-TiO2納米鋁熱劑進(jìn)行表征。并研究催化劑Fe2O3對(duì)納米鋁熱劑Al-TiO2的影響，闡述其燃燒反應(yīng)機(jī)理,見(jiàn)下式：

3TiO2+4Al→3Ti+2Al2O3,ΔH=-519.4(kJ/mol)

(1)

Fe2O3+2Al→Al2O3+2Fe,ΔH=-851.4(kJ/mol)

(2)

7Al + 3TiO2=3AlTi+2Al2O3

(3)

15Al+3TiO2+3Fe2O3=2AlFe+3AlTi+5Al2O3

(4)

研究發(fā)現(xiàn)，Al和Fe2O3反應(yīng)時(shí)會(huì)釋放出較高熱量(式2)，在Al-TiO2體系中加入Fe2O3會(huì)加速其反應(yīng)。采用這一合成方法時(shí)，通常需要采用研磨工藝，改變反應(yīng)物的能量水平和形態(tài)，增大反應(yīng)物間的接觸表面積，提高燃燒反應(yīng)的強(qiáng)度和效率，兩種方法相結(jié)合后明顯改變反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，提高合成效率。

Yeh等[17]通過(guò)燃燒合成法制備TiB2-Al2O3和NbB2-Al2O3原位復(fù)合物。制備過(guò)程中，研究人員在Ti-B燃燒體系中加入Al-TiO2和Al-TiO2-B2O3，生成TiB2-Al2O3復(fù)合物。其中，提高Al2O3含量后可降低反應(yīng)溫度和燃燒波速，說(shuō)明Al和TiO2反應(yīng)可降低燃燒合成過(guò)程中的放熱量。在NbB2-Al2O3復(fù)合物合成中，將Al-Nb2O5和Al-Nb2O5-B2O3加入Nb-B燃燒體系后，提高燃燒溫度和火焰陣面的蔓延速度。對(duì)于這兩種復(fù)合物而言，采用B2O3作為一種鋁熱劑，產(chǎn)物的生成率得以改善。XRD分析顯示，由TiB2和Al2O3構(gòu)成的最終產(chǎn)物是從含有Al-TiO2-B2O3鋁熱劑混合物的粉末壓塊中獲取的。在NbB2-Al2O3復(fù)合物成型過(guò)程中，Nb3B4是Al和Nb2O5鋁熱劑中的主要組分，因此，Al-Nb2O5-B2O3鋁熱劑反應(yīng)物中的主要硼化物是NbB2。

1.4 生物合成法

生物合成法是生物體內(nèi)進(jìn)行的同化反應(yīng)的總稱(chēng)。近年來(lái)采用生物合成技術(shù)制備含能材料的研究受到關(guān)注。

為了降低傳統(tǒng)硝化所帶來(lái)的環(huán)境影響，2013年美國(guó)國(guó)防部戰(zhàn)略環(huán)境研究與發(fā)展計(jì)劃(SERDP)提出開(kāi)展含能材料生物合成研究[18]，其研究目的是確定并表征一種新型生物硝化酶，用以合成與含能材料結(jié)構(gòu)相似的硝基化合物。這類(lèi)生物催化劑是未來(lái)含能材料硝基基團(tuán)生物合成工藝的組成部分。該項(xiàng)目將為美國(guó)國(guó)防部和含能材料生產(chǎn)商提供一種新的含能材料合成途徑，降低含能化學(xué)制品生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并有助于建成一個(gè)適用于未來(lái)含能材料綠色生物合成途徑的酶套件。

Patel等[19]采用真蘆薈提取物，通過(guò)生物法得到具有超級(jí)反應(yīng)性的CuO納米棒氧化劑，從而制備出高能納米鋁熱劑。其研究證實(shí)，這種CuO納米棒氧化劑與納米鋁組成的高能納米鋁熱劑劇烈燃燒時(shí)產(chǎn)生大量氣體，裝藥密度為0.2g/cm3時(shí)，在等容高壓反應(yīng)器中爆炸后所產(chǎn)生的反應(yīng)熱為1.66kJ/g，加壓速率為1.09MPa/μs，峰壓可達(dá)65.4MPa。通過(guò)這項(xiàng)研究，首次確定真蘆薈膠是一種綠色合成納米金屬氧化物的新型植物模板。研究人員同樣研究了真蘆薈表面官能團(tuán)在CuO納米棒氧化劑中的適用性，CuO納米棒在火炸藥及煙火藥中應(yīng)用時(shí)，可以產(chǎn)生極佳的反應(yīng)熱和動(dòng)態(tài)壓力。

1.5 低能耗放大生產(chǎn)方法

目前，納米鋁熱劑最常用的制備方法是納米金屬和納米金屬氧化物的超聲混合法，制備量為每批0.5～10g。這類(lèi)材料通常都具有較高反應(yīng)性和較高能量，同時(shí)具有極高的撞擊、摩擦及靜電火花感度。但納米鋁熱劑的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率嚴(yán)重制約著此類(lèi)材料在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用，處理過(guò)程中存在的危險(xiǎn)性致使其放大工藝難以實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)海軍在2008年的小企業(yè)創(chuàng)新計(jì)劃(SBIR)中公布了納米鋁熱劑低成本生產(chǎn)計(jì)劃[20]。其目的是研制一種安全、低成本、可高效生產(chǎn)納米鋁熱劑的方法。該計(jì)劃共分3部分：首先確定工業(yè)化放大高能納米鋁熱劑的低成本生產(chǎn)工藝可行性；隨后研制出與采用超聲法制得的材料性能相當(dāng)?shù)募{米鋁熱劑樣機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)，驗(yàn)證幾個(gè)批次的生產(chǎn)，測(cè)試其性能；最后研制試生產(chǎn)系統(tǒng)，并將這一系統(tǒng)用于開(kāi)發(fā)納米鋁熱劑在中小口徑武器中的應(yīng)用。

Higa等[21]發(fā)明一種改性球磨法制備納米鋁熱劑的放大低能耗生產(chǎn)方法。與超聲波降解法相比，該法可使納米鋁熱劑配方生產(chǎn)擴(kuò)大至公斤級(jí)，并降低其在炸藥、煙火藥、彈藥底火及推進(jìn)劑中的使用成本。具體方法是采用改良型球磨工藝法，在制備2g以上的含能材料容器內(nèi)加入亞微米金屬燃料、氧化劑以及非極性溶劑，并根據(jù)所采用的燃料和氧化劑，將容器放置在轉(zhuǎn)速約為60～200r/min的旋轉(zhuǎn)裝置中。其中的球磨機(jī)由陶瓷、金屬或金屬合金構(gòu)成，內(nèi)壁則由高密度或低密度聚乙烯材料構(gòu)成。

2 國(guó)外納米鋁熱劑應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

納米鋁熱劑作為一種高能鈍感的新型含能材料，可應(yīng)用于非致命武器如彈藥底火、點(diǎn)火具、照明彈、煙火藥中，并且在火工品設(shè)計(jì)制造中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，它在撞擊底火應(yīng)用中可產(chǎn)生較高峰壓，其較高的加壓速度可以迅速提高金屬箔的燃速[22]。國(guó)外近年來(lái)一方面積極探索實(shí)用性的制備工藝，另一方面針對(duì)這種新型含能材料的性能開(kāi)展研究，為實(shí)現(xiàn)納米鋁熱劑的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[23-28]。

2.1 納米鋁熱劑性能研究

Nellums等[29]研究半導(dǎo)體橋(SCB)中，直接用沉淀水處理過(guò)的納米鋁熱劑油墨的性能并加以表征。研究人員通過(guò)水處理納米鋁熱劑，在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中進(jìn)行共振混合后制備納米鋁熱劑，隨后對(duì)處理安全性及混合物的性能進(jìn)行表征后發(fā)現(xiàn)，金屬和金屬氧化物被棕櫚酸包覆后，水處理過(guò)的納米鋁熱劑在50℃水浴、480min之內(nèi)保持穩(wěn)定。此外，水處理過(guò)的納米鋁熱劑具有更好的混合性，其性能優(yōu)于DMF處理過(guò)的納米鋁熱劑，且其靜電火花感度有所下降，材料保持濕潤(rùn)狀態(tài)則有助于改善其安全性。與傳統(tǒng)含能材料相比，上述納米鋁熱劑的全發(fā)火閾值降低了25%。這種混合方法中采用環(huán)保型混合介質(zhì)，提高混合產(chǎn)物的密度，促成一步法安全混合。研究證實(shí)，SCB起爆器性能的大幅提高，為高固含量裝填、直接沉淀以及水處理納米含能材料油墨在其他起爆器和裝置中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Doorenbos等[30]研究氣態(tài)添加劑對(duì)Al-Bi2O3和Al-Fe2O3兩種納米鋁熱劑的動(dòng)態(tài)壓力輸出及點(diǎn)火敏感性的影響，以及反應(yīng)物形態(tài)對(duì)能量釋放速率的影響。分別采用一步混合法進(jìn)行納米鋁熱劑混合；采用兩步混合法進(jìn)行納米鋁熱劑-硝化纖維素(NC)復(fù)合物混合。采用不同的氧化劑、不同形狀的燃料，并加入氣體發(fā)生劑(如硝化纖維素)調(diào)整納米鋁熱劑的燃燒和點(diǎn)火特性。納米鋁熱劑對(duì)靜電火花(ESD)非常敏感，為了降低納米鋁熱劑復(fù)合材料的感度，采用安全性較高的水法混合工藝降低納米鋁熱劑的感度。測(cè)試結(jié)果顯示，采用納米薄鋁片即可降低其靜電火花感度和摩擦感度；提高納米鋁熱劑復(fù)合材料的點(diǎn)火延遲時(shí)間，對(duì)最大燃燒壓力的影響降至最小。加入硝化纖維素即可產(chǎn)生較高壓力，并可根據(jù)特殊應(yīng)用要求調(diào)整其動(dòng)態(tài)分布。

Marc等[31]研究結(jié)果表明，納米鋁熱劑是小型助推器中的一種有效固體推進(jìn)劑，采用CuO/Al和Bi2O3裝填的小型助推器產(chǎn)生的比沖分別為25s和41s。小型火箭中測(cè)得的納米鋁熱劑的比沖非常高，納米鋁熱劑制備過(guò)程中不加入黏合劑，因此燃料和氧化劑相分離有可能降低推力，此外，純納米鋁熱劑的點(diǎn)火感度非常高，為便于安全處理，提高系統(tǒng)可靠性，就必須降低其感度。因此，在不影響其推力性能的前提下，需要加入黏合劑，以降低納米鋁熱劑的點(diǎn)火感度。為此，美國(guó)Staley等[32]研究硝化纖維素用作氣化黏合劑時(shí)，對(duì)采用Bi2O3納米鋁熱劑小型助推器的推力性能及高過(guò)載發(fā)射耐受性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與純納米鋁熱劑相比，當(dāng)量比優(yōu)化后的Bi2O3/Al/NC納米鋁熱劑所產(chǎn)生的比沖高達(dá)63.2s，且具有更高的燃燒穩(wěn)定性。此外，在點(diǎn)火感度方面，NC添加劑可提高高過(guò)載加速發(fā)射耐受性。因此，可以根據(jù)NC含量對(duì)推力及點(diǎn)火感度的影響作用，設(shè)計(jì)具有高過(guò)載發(fā)射相容性的專(zhuān)用小型助推器組件。

為了解彈藥對(duì)貯存和運(yùn)輸事故中受到的外部刺激或產(chǎn)生形變的響應(yīng)，需要研究引發(fā)其爆炸的剪切、壓縮等現(xiàn)象。荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院國(guó)防安全研究所、代夫特技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程院等多家單位聯(lián)合研究了Al/MoO3基鋁熱劑的剪切形變。研究人員制備了壓裝試樣，并在彈道沖擊試驗(yàn)中進(jìn)行形變測(cè)試，還針對(duì)這類(lèi)含能混合物在含能彈丸中的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究[33]。

Berthe等[35]于2016年完成一項(xiàng)采用環(huán)保型Na2SO4/Al納米鋁熱劑包覆發(fā)射藥的研究。研究人員通過(guò)物理混合硫酸鈉與納米鋁制備納米鋁熱劑；在透明有機(jī)玻璃管中進(jìn)行燃燒性能測(cè)試；采用BAM落錘和BAM摩擦裝置分別測(cè)量混合物的撞擊感度和摩擦感度，并通過(guò)掃描電子顯微鏡進(jìn)行形貌表征。3種材料的撞擊感度(H50)、摩擦感度(FS)和靜電放電感度(ESD)如表1所示。結(jié)果證實(shí)，用納米鋁熱劑進(jìn)行包覆后，發(fā)射藥的反應(yīng)性提高，感度下降。

表1 3種復(fù)合物的感度對(duì)比Table 1 Sensitivity comparison of three kinds of complexes

2.2 納米鋁熱劑的潛在應(yīng)用研究

Baras等[36]發(fā)明一種改善小口徑導(dǎo)彈或彈藥的導(dǎo)航裝置，將納米鋁熱劑與傳統(tǒng)燃料用作其中的推進(jìn)劑。此外，納米鋁熱劑通過(guò)壓伸裝入，且不需要黏合劑。利用這類(lèi)產(chǎn)氣納米鋁熱劑中所含的不同比率的納米裝藥，可以調(diào)整燃燒壓力。所產(chǎn)生的氣體有利于鋁熱劑燃燒形成的液體或固體物噴射，提高半封閉環(huán)境中的燃速，產(chǎn)氣納米鋁熱劑在封閉環(huán)境中通過(guò)爆燃后分解。采用爆炸橋絲引燃的新型納米鋁熱劑的燃速遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋁熱劑。因此，特別適用于導(dǎo)彈中直接或間接推進(jìn)導(dǎo)航。

Ahn等[37]介紹一種燃燒反應(yīng)性可控的微芯片起爆器，研究人員根據(jù)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)原理控制燃燒反應(yīng)。所制備的Al/CuO納米鋁熱劑復(fù)合物堆積在配有蛇形電極的氧化硅基質(zhì)中。采取最小電流通電時(shí)，微芯片起爆器被迅速引爆。研究人員通過(guò)加壓速度、爆炸高峰期、熱流，研究堆積結(jié)構(gòu)對(duì)多層狀A(yù)l/CuO納米鋁熱劑燃燒性能的影響作用。該研究中的微芯片起爆器具有可靠性高、體積小特點(diǎn)，可作為通用平臺(tái)應(yīng)用于軍民兩用中的起爆器、推進(jìn)器及軍械系統(tǒng)。

法國(guó)空間研究中心(CNES)和法國(guó)科學(xué)研究中心系統(tǒng)分析與架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(LAAS-CNRS)以及法國(guó)達(dá)索航空公司共同開(kāi)展多層納米鋁熱劑在發(fā)射器中的應(yīng)用研究[38]，所研發(fā)的多層納米鋁熱劑的應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)是將蓄能、能量轉(zhuǎn)換、機(jī)械屏障等小型化功能組合在一個(gè)起爆裝置中(見(jiàn)圖2)。其目的是通過(guò)信息轉(zhuǎn)移通路，建立一個(gè)與起爆器相連接的通信網(wǎng)絡(luò)。研究人員通過(guò)控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線的數(shù)據(jù)傳輸與多層納米鋁熱劑的研究，研制出具有新結(jié)構(gòu)的發(fā)射器?？刂茀^(qū)域網(wǎng)絡(luò)是一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)操縱和控制智能起爆器的方法，與此同時(shí)，起爆器小型化及主要功能集成有利于該技術(shù)在宇航飛行器中的應(yīng)用，所取得的研究成果在低功率點(diǎn)火、推進(jìn)劑點(diǎn)火、功能小型化應(yīng)用方面令人矚目。

圖2 集成功能起爆裝置Fig.2 Integrated function initiator

3 結(jié)束語(yǔ)

納米鋁熱劑是一種高能量密度材料，其能量釋放速率可調(diào)，在含能材料中具有良好的應(yīng)用前景，因此將成為高性能含能材料的良好替代物。納米鋁熱劑研究主要包括新型納米鋁熱劑混合物研究、納米鋁熱劑和納米炸藥混合物的配方制備及納米鋁熱劑的反應(yīng)性能研究。在納米鋁熱劑的制備方面，目前出現(xiàn)的各種制備方法難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的高效、廉價(jià)和環(huán)保的要求。

在今后的研究中，需要探索新型納米鋁熱劑配方，關(guān)注納米鋁熱劑及其衍生物的混合，以及其毒物學(xué)研究；將各種制備方法相結(jié)合，研制出適合工業(yè)化要求的新方法。在其應(yīng)用研究方面，需深入研究納米鋁熱劑的能量特性、安全性、構(gòu)效關(guān)系和反應(yīng)機(jī)理，為其應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。