陳嘉琳，郭 濤，姚 淼，李 師，丁 文，宋佳星，劉 珩，肖力銘

（陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1 引言

含能材料是一類含有大量化學(xué)能的化合物或混合物［1-3］，其在反應(yīng)過程中會釋放出大量的熱。其中，鋁熱劑以其較高的燃燒效率、能量釋放率和反應(yīng)放熱焓而引起了許多研究者的關(guān)注，并且，鋁熱劑已被廣泛應(yīng)用于氣體發(fā)生器［4-5］、焊接［6］、彈藥銷毀［7］、高能添加劑［8］等領(lǐng)域。近年來，由納米燃料和氧化劑顆?；旌隙傻募{米鋁熱劑，由于其較大的比表面積和較小的顆粒間距而備受關(guān)注［9］。

鋁粉具有單位密度放熱高、反應(yīng)活性好、反應(yīng)產(chǎn)物無毒等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于炸藥和推進(jìn)劑中以提高能量和溫度［10-11］，關(guān)于Al 與其他金屬氧化物組成的鋁熱劑已有較多研究。姜艾鋒等［12］制備了Al/Fe2O3鋁熱劑并探索了其燃燒性能；王啟輝等［13］研究了Al/CuO 鋁熱劑，結(jié)果表明其具有良好的放熱性能；宋佳星等［14］制備了Al/MnO2鋁熱劑作為銷毀器并進(jìn)行了鋼靶穿透實(shí)驗(yàn)；Wolenski［15］對鋁熱劑中Al/MoO3顆粒的組成和形貌進(jìn)行了改造并對燃燒行為進(jìn)行調(diào)整。在化學(xué)計量比下，Al/MoO3反應(yīng)的放熱焓在諸多金屬氧化物中（如Fe2O3、CuO、NiO、PbO2、Co3O4、Bi2O3、WO3、CuO、TiO2、Cr2O3和MoO3）是最高的［16］，因此，本研究選取MoO3作為鋁熱劑中的氧化物的組分展開研究。MoO3的層狀結(jié)構(gòu)可以剝離成二維平面，以層狀氧化鉬為基礎(chǔ)，通過與其它材料摻雜，可調(diào)整其性質(zhì)，特別是使用氫和堿離子進(jìn)行摻雜，能夠大幅度提高儲能效率和優(yōu)化電化學(xué)系統(tǒng)。MoO3獨(dú)特的化學(xué)和物理特性使其廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電子、催化、生物和能源系統(tǒng)［17］，此外，先前的研究表明，Al/MoO3鋁熱劑具有更好的點(diǎn)火性能［18］。

MoO3有許多不同的形態(tài)，例如，杜凱［19］制備了MoO3納米球，其球形結(jié)構(gòu)增加了其比表面積和高分散性，大大提高了MoO3的催化性能；Siciliano［20］制備了性能優(yōu)異的MoO3納米帶傳感器，MoO3納米帶具有寬徑的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，在納米器件中占有優(yōu)勢；Dhage［21］合成了六方的MoO3納米棒，其具有的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)通常在感光變色和機(jī)械硬度方面表現(xiàn)出一些增強(qiáng)的性質(zhì)［17］。對于MoO3的單一形貌已有很多研究，但對于不同形貌的MoO3對鋁熱劑性能的影響尚缺乏系統(tǒng)探索。制備球形結(jié)構(gòu)MoO3所需的試劑與設(shè)備不易獲得，合成工藝較為復(fù)雜，且產(chǎn)率較低；片狀結(jié)構(gòu)的MoO3大多由高能球磨法制得，所得到的MoO3片狀結(jié)構(gòu)不規(guī)則，且大小不一。因此，考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性和形貌可控性，本研究采用水熱法制備了棒狀和帶狀兩種不同形態(tài)的MoO3，并采用超聲混合法制備了Al/MoO3鋁熱劑。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、X 射線衍射儀（XRD）和差示掃描量熱儀（DSC）對不同形態(tài)MoO3組成的鋁熱劑進(jìn)行了表征和分析，采用開放式和封閉管燃燒實(shí)驗(yàn)，探討了其燃燒性能。最后，從反應(yīng)機(jī)理方面對結(jié)果進(jìn)行了初步分析，研究結(jié)果可為Al/MoO3鋁熱劑的性能和安全研究以及應(yīng)用探索提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與材料

納米鋁粉A（l50～80 nm），上海耐歐納米科技有限公司，活性約為60%；七鉬酸銨（NH4）6Mo7O24·4H2O 和硝酸HNO3（68.8～69.8%），上海靈峰化學(xué)試劑有限公司；十六烷基三甲基溴化銨CTAB（96%），四川智恒工業(yè)制品有限公司；無水乙醇（純度＞99.7%）和去離子水，上海久益化學(xué)試劑有限公司。所有試劑均為分析級，不需進(jìn)一步加工即可直接使用。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

使用最常用的水熱合成法制備納米MoO3，其具體流程如下。首先，將1.5 g（NH4）6Mo7O24·4H2O 和30 mL去離子水配置成鉬酸銨溶液并磁力攪拌30 min。然后，將5 mL 稀釋后的硝酸溶液逐滴加入到攪拌的鉬酸銨溶液中，觀察白色絮狀物產(chǎn)生。隨后，混合溶液在25 ℃的條件下超聲10 min，將溶液轉(zhuǎn)移到100 mL 聚四氟乙烯內(nèi)襯中并裝入到不銹鋼高壓反應(yīng)釜中，密封，在200 ℃下加熱25 h。反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然恢復(fù)到室溫，用去離子水清洗樣品3 次并離心。隨后，沉淀物在80 ℃下干燥12 h 后研磨，并置于管式煅燒爐中，在400 ℃下煅燒12 h，得到MoO3納米棒樣品?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：

納米帶狀MoO3的制備與上述工藝相同，只是在添加HNO3之前添加1 g CTAB。其他步驟保持不變。制備工藝如示意圖1 所示。

圖1 納米MoO3制備工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of nano MoO3 preparation process

采用超聲分散法制備Al/MoO3鋁熱劑，納米MoO3的質(zhì)量控制在120 mg。根據(jù)化學(xué)計量比制備鋁熱劑。根據(jù)化學(xué)方程式的計算，120 mg MoO3達(dá)到零氧平衡所需的燃料鋁質(zhì)量約為45 mg，然而，使用的鋁粉只有約60%的活性，因此樣品鋁的質(zhì)量為75 mg。

以Al/棒狀MoO3鋁熱劑的制備過程為例，120 mg納米棒狀MoO3與75 mg 納米鋁粉分別溶于無水乙醇中并磁力攪拌。之后，將兩溶液混合，繼續(xù)攪拌20 min。隨后，將混合溶液超聲分散30 min 以獲得均勻分散的懸浮液。最后，經(jīng)過80 ℃干燥12 h 得到鋁熱劑樣品。Al/帶狀MoO3鋁熱劑的制備流程與上述相同，只不過用的是帶狀MoO3。

2.3 表征與熱分析

用XRD（Bruker，D8 Advance，德國）對MoO3與Al/MoO3鋁熱劑的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，30 kV 輻射源CuK（αλ=0.1542 nm）。用FE-SEM（日立高技術(shù)公司，S-4800 II，日本）觀察納米鋁熱劑的形貌特征，設(shè)備的加速電壓為5 kV。

用DSC（耐馳STA 449F3，德國）對鋁熱劑樣品進(jìn)行熱分析，測試的溫度范圍為30～800 ℃，升溫速率分別為10、15、20、25 K·min-1，氬氣流量為100 mL·min-1。為了盡可能地除去樣品池中的空氣，在升溫之前，先啟動氬氣40 min 以排出空氣。樣品質(zhì)量小于3 mg 以保證安全。

2.4 燃燒實(shí)驗(yàn)

通過自行設(shè)計的燃燒實(shí)驗(yàn)裝置，分別進(jìn)行了開放式和封閉管燃燒實(shí)驗(yàn)。開放式燃燒實(shí)驗(yàn)裝置參見文獻(xiàn)［22］，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化與調(diào)整，其實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖2 所示。

圖2 開放式燃燒實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of open combustion experiment

實(shí)驗(yàn)過程中，稱取10 mg 鋁熱劑樣品堆放在試驗(yàn)臺，堆放時應(yīng)注意保證樣品的均勻性以消除密度梯度帶來的影響，之后使用一個可調(diào)節(jié)的直流發(fā)電電源來快速加熱直徑為0.1 mm 的鎳鉻絲，當(dāng)電壓加到一定程度后，鎳鉻絲會點(diǎn)燃鋁熱劑樣品。整個燃燒過程使用高速攝影機(jī)（日本FASTCAM SA-Z）記錄，采樣率為20000 幀/s，幀大小為768×768 像素，光圈值為3.2。實(shí)驗(yàn)是在干燥無風(fēng)的條件下進(jìn)行，環(huán)境溫度為24 ℃。

圖3 為封閉管燃燒實(shí)驗(yàn)示意圖。不同的是，Al/MoO3鋁熱劑的質(zhì)量為15 mg，裝在內(nèi)徑2 mm、長20 cm 的甲基丙烯酸甲酯管中，但裝藥量僅用到了甲基丙烯酸甲酯管的前段2.0 cm。實(shí)際裝填密度計算為裝藥量（15 mg）除以裝藥體積（62.8 mm3），結(jié)果為0.239 g·cm-3。高速攝影機(jī)用于測量火焰反應(yīng)前沿的速度，其采樣率為40000 幀/s，幀大小為384×160 像素，光圈值為6.4。

圖3 封閉管燃燒實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of closed tube combustion experiment

3 結(jié)果與討論

3.1 形貌與晶體結(jié)構(gòu)分析

用FE-SEM 觀察合成MoO3的微觀形貌，如圖4 所示。由圖4 可知，未加入CTAB 試劑所合成的MoO3顆粒呈棒狀（圖4a），直徑100～170 nm，長度10～25 μm，粒子均勻分散且表面光滑（圖中黃色箭頭）。加入CTAB試劑得到的MoO3呈現(xiàn)出帶狀（圖4b），直徑200～300 nm，長度8～20 μm，呈現(xiàn)出密集堆積的形狀。

圖4 兩種MoO3的SEM 圖像Fig.4 SEM images of MoO3

為確定水熱法所得樣品的晶體結(jié)構(gòu)，對MoO3樣品進(jìn)行了XRD 分析，結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 中可以觀察到，兩種樣品的衍射峰大致相同，都與MoO3的標(biāo)準(zhǔn)卡（ICSD 號89-7112 MDI Jade 6.0）相匹配，12.8°、23.3°、25.7°、27.3°、39.0°、49.3°和58.8°處有7 個峰，分別對應(yīng)于（200）、（101）、（400）、（210）、（600）、（020）和（810）晶面。

圖5 棒狀和帶狀MoO3的XRD 圖譜Fig.5 XRD pattern of rod-MoO and ribbon-MoO3

Al/棒 狀MoO3和Al/帶狀MoO3鋁熱劑的SEM結(jié)果如圖6所示，每幅圖的右側(cè)是中間黃色框部分放大圖像。由圖6a 可見，Al/棒狀MoO3存在納米Al 顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象，且比較多，如圖中紅色圈中的部分，由圖6b 可見，雖然Al/帶狀MoO3也出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，但從放大的圖像中能能夠更清楚地看出帶狀的MoO3上均勻地分散著Al，這可能是因?yàn)閹罱Y(jié)構(gòu)的MoO3相比于棒狀結(jié)構(gòu)的MoO3能夠?yàn)殇X粉提供更多的附著點(diǎn)，因此鋁粉可以在更多的附著點(diǎn)上分散，而棒狀的MoO3由于附著點(diǎn)少，所以趨向于團(tuán)聚。

圖6 兩種鋁熱劑的SEM 圖Fig.6 SEM images of two thermites

3.2 熱分析

兩種鋁熱劑樣品的DSC 曲線如圖7 所示。表1 列出了鋁熱劑樣品的主要放熱峰的具體信息。

表1 兩種鋁熱劑放熱峰的初始、峰值溫度及放熱量信息表Table 1 The initial and peak temperature and heat release information table of the two thermites exothermic peaks

由圖7 可見，Al/棒狀MoO3鋁熱劑在237.45 ℃有一個小的吸熱峰，這可能是所制備鋁熱劑中的表面吸附水、結(jié)構(gòu)水或者溶劑或雜質(zhì)的蒸發(fā)［23-25］；在570.15 ℃出現(xiàn)了第一個放熱峰A，在此溫度下還未達(dá)到鋁和氧化鉬的熔點(diǎn)，所以此為固-固反應(yīng)；隨后在656.93℃出現(xiàn)了Al的熔融吸熱峰［25］；緊接著在665.60 ℃出現(xiàn)了第二個放熱峰B，表明熔融的鋁和剩余的棒狀MoO3繼續(xù)反應(yīng)，這是一個固-液反應(yīng)。

圖7 兩種鋁熱劑的DSC 曲線Fig.7 DSC curves of two thermites

Al/帶狀MoO3鋁熱劑在233.05 ℃時出現(xiàn)一個小的吸熱峰，與Al/棒狀MoO3鋁熱劑一樣，這可能是所制備鋁熱劑中的表面吸附水、結(jié)構(gòu)水或者溶劑或雜質(zhì)的蒸發(fā)；在672.04 ℃之前，即Al 熔化之前，鋁熱劑出現(xiàn)了連續(xù)放熱峰C 和D，對應(yīng)于565.20 ℃和648.09 ℃，這與Al/棒狀MoO3鋁熱劑的反應(yīng)不同，出現(xiàn)連續(xù)放熱峰的原因可能與熔融分散機(jī)理有關(guān)，即在加熱過程中，鋁芯會在氧化層破裂之前膨脹，導(dǎo)致氧化層在高壓下爆裂，之后熔融的鋁將以高速向外噴射［26］。第二個峰值D 就暗示著熔融的Al 碎片可能以足夠的能量從加熱的鋁團(tuán)簇中噴出，以產(chǎn)生二次放熱反應(yīng)，該反應(yīng)在帶狀MoO3表面上會有更進(jìn)一步的反應(yīng)［15］。隨后，在741.27 ℃時，峰E 代表液態(tài)鋁和固體帶狀MoO3之間的鋁熱反應(yīng)。

Al/MoO3鋁熱反應(yīng)機(jī)理如圖8 所示，一方面，團(tuán)聚的Al 與棒狀MoO3接觸的面積小，所以鋁熱反應(yīng)的有效作用區(qū)域小，因此，在Al/棒狀MoO3鋁熱劑中，Al 顆粒的大量團(tuán)聚（圖6a）不能使其熱量充分釋放［27］，相比之下，帶狀MoO3與Al 的接觸面積較大，所以Al/帶狀MoO3有效反應(yīng)區(qū)域較大。另一方面，氧化物的徑向延伸能夠使顆粒團(tuán)聚最小化，并使熱反應(yīng)氣體在分離的納米Al 顆粒之間自由流動［27］，這說明帶狀MoO3的寬直徑表面積為分散Al 顆粒提供了條件，因此，Al/帶狀MoO3鋁熱劑的熱分解過程更有利于Al 顆粒在熱氣中的流動。此外，由圖8b 可見，飛濺的Al 也能夠加速與帶狀MoO3的反應(yīng)，這有效地提高了反應(yīng)速率。綜上，Al/帶狀MoO3鋁熱劑與Al/棒狀MoO3鋁熱劑在熱性能上會產(chǎn)生很大的差別，這可在DSC 實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。由表1 的DSC 結(jié)果可知，Al/帶狀MoO3鋁熱劑的放熱量為1702 J·g-1，遠(yuǎn)高于Al/棒狀MoO3鋁熱劑的放熱量432J·g-1。同時，Al／帶狀MoO3鋁熱劑的第一放熱反應(yīng)起始溫度為401.95 ℃，比Al／棒狀MoO3鋁熱劑的起始反應(yīng)溫度504.87 ℃提前。

圖8 兩種鋁熱劑鋁熱反應(yīng)機(jī)理示意圖Fig.8 Schematic diagram of the reaction mechanism of two thermites

3.3 非等溫?zé)崃W(xué)分析

為探索Al/MoO3鋁熱劑的熱動力學(xué)，進(jìn)行了非等溫DSC 實(shí)驗(yàn)，得到了樣品的活化能（Ea）和熱爆炸臨界溫度（Tb）。

計算Ea的常用方法為Kissinger 與Ozawa 法，經(jīng)計算，這兩種方法所計算出的Ea很相似，為方便討論，本研究采用Kissinger 方法［28］（式（3））計算Ea，Tb按式（4）和式（5）計算［29］。

式中，A為指前因子，s-1；R為通用氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；Tp為DSC 峰值溫度，K；β為線性升溫速率，K·min-1；Tp0為加熱速率β接近0 時的峰值溫度點(diǎn)，其值根據(jù)公式（4）計算而得。其中，a、b和c為擬合系數(shù)。假設(shè)樣品在峰值溫度下的轉(zhuǎn)化率相同，則ln（β/Tp2）與1/T的 關(guān)系為直線，其直線的斜率可轉(zhuǎn)換為Ea值。圖9 展示了對樣品DSC 實(shí)驗(yàn)的峰值溫度點(diǎn)線性擬合后ln（β/Tp2）與1/T的關(guān)系。樣品放熱反應(yīng)熱力學(xué)參數(shù)的結(jié)果見表2。

表2 兩種鋁熱劑放熱反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermodynamic parameters of the exothermic reaction of two thermites

圖9 兩種鋁熱劑峰值溫度點(diǎn)線性擬合后ln（β/Tp2）與1/Tp的關(guān)系Fig.9 The relationship between ln（β/Tp2）and 1/Tp after linear fitting of peak temperature points of two thermites

由圖9a 可知，Al/棒狀MoO3鋁熱劑的峰值溫度點(diǎn)擬合直線為y=-24578.8x+18.7，R為0.98413，經(jīng)計算，Al/棒狀MoO3鋁熱劑的Ea為204.35 kJ·mol-1。而Al/帶狀MoO3鋁熱劑的擬合直線為y=-25103.3x+19.4，R為0.99987，擬合程度較高，得到的Ea為208.71 kJ·mol-1，與Al/棒狀MoO3鋁熱劑的基本相同。這一結(jié)果表明，即使其中MoO3材料形態(tài)不同，但Al/棒狀MoO3鋁熱劑與Al/帶狀MoO3鋁熱劑的Ea幾乎是相同的。然而，Al/棒狀MoO3鋁熱劑的Tb遠(yuǎn)高于Al/帶狀MoO3鋁熱劑，說明Al/棒狀MoO3鋁熱劑的熱爆炸臨界溫度較高，不容易從熱分解或燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，從而安全性較高。

3.4 燃燒試驗(yàn)

兩種鋁熱劑開放式燃燒試驗(yàn)的高速攝影照片如圖10 所示。其中，樣品在被剛剛點(diǎn)燃并發(fā)出明亮白光的時刻設(shè)置為開始時間，指定為0。

圖10 兩種鋁熱劑開放式燃燒的高速攝影照片F(xiàn)ig.10 High-speed photography pictures of the two thermites in open combustion experiment

復(fù)合材料的可燃性與組成、粒徑、裝藥密度等因素有關(guān)，在開放的環(huán)境中，燃燒產(chǎn)物可以不受限制地充分膨脹和擴(kuò)散，不同制備方法制備的復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的可燃性［30］。由圖10 可見，兩種鋁熱劑都被成功點(diǎn)燃和燃燒?；鹧嫒紵某掷m(xù)時間為毫秒級，燃燒火焰在周圍迅速膨脹和擴(kuò)散，表現(xiàn)為整個反應(yīng)和局部反應(yīng)產(chǎn)物的散射和膨脹過程。兩種鋁熱劑樣品都在1 ms時燃燒最劇烈，火焰亮度最高，并伴有刺耳的爆炸聲。在2 ms 的時候，Al/帶狀MoO3鋁熱劑產(chǎn)生白熾的火光，但Al/棒狀MoO3鋁熱劑已經(jīng)開始逐漸熄滅。另外，當(dāng)Al/帶狀MoO3鋁熱劑即將燃燒完畢時，在其周圍濺射出火花，這主要是由燃燒區(qū)高溫與周圍環(huán)境溫差大引起的膨脹力導(dǎo)致的。

圖11 是鋁熱劑在甲基丙烯酸甲酯管中的傳播過程，圖像按照一定的時間間隔組合，在該時間間隔內(nèi)，通過編輯照片序列直觀顯示燃燒過程。

圖11 兩種鋁熱劑在封閉管中的燃燒高速照片F(xiàn)ig.11 High-speed photographs of the sample burning in the combustion tube

鋁熱劑在封閉管中燃燒，其燃燒波形成的過程中起主導(dǎo)作用的是對流傳播，在一定裝填密度范圍內(nèi)，之前所報告的燃燒速度通常約為每秒數(shù)百米［31］。有研究表明，對于接近化學(xué)計量比的混合物，燃燒傳播模式為超音速對流傳播［32］。燃燒波的波前速度被視為鋁熱劑火焰的燃燒速度，其中放熱反應(yīng)產(chǎn)生的對流氣體以非?？斓乃俣韧苿臃磻?yīng)介質(zhì)向前，圖11 中所觀察到的現(xiàn)象也驗(yàn)證了對流傳播機(jī)制。圖11 顯示，兩種鋁熱劑的燃燒波都是穩(wěn)定的。

如圖12a 所示，Al/棒狀MoO3鋁熱劑的燃燒波傳播速度先增大后減小，其最大傳播速度達(dá)到1037 m·s-1。因?yàn)樵谌紵▊鞑ミ^程中達(dá)到最大速度需要一定的時間，而在中間管段，鋁熱劑樣品的負(fù)載密度很低，這意味著對流氣體可以以較小的阻力向前移動［33］，所以燃燒波的速度會在中間段呈現(xiàn)出增加的趨勢。然而，Al/帶狀MoO3鋁熱劑的燃燒波速一直呈上升趨勢，受甲基丙烯酸甲酯管長度的限制，最大可測波速為2710 m·s-1，如果管的長度較長，燃燒波速將繼續(xù)增大。

圖12 兩種鋁熱劑的燃燒傳播距離和燃燒速率圖Fig.12 Diagram of combustion propagation distance and burning rate of two thermites

在開放式燃燒實(shí)驗(yàn)中，由于樣品是被堆放的，因此所表現(xiàn)出的燃燒行為沒有實(shí)質(zhì)性的不同。然而，在封閉管環(huán)境中，帶狀MoO3所組成的鋁熱劑燃燒性能更具有優(yōu)勢。兩種鋁熱劑燃燒過程機(jī)理如圖13 所示，由圖13a 可知，棒狀MoO3的大長徑比和小的納米Al 尺寸，導(dǎo)致納米Al 顆粒和MoO3之間的接觸面積小，而寬徑帶狀MoO3與納米Al 的接觸面積較大，使Al 從加熱的氧化鋁層中釋放出來，通過擴(kuò)散沿著長徑的方向轉(zhuǎn)移，吸附在MoO3表面［15］。在這個過程中，Al 需要時間沿著MoO3表面擴(kuò)散，寬直徑的帶狀MoO3比棒狀MoO3更有利于這一過程。眾所周知，鋁熱劑的燃燒是一個自蔓延過程，如果氧化物能緊密地連接在一起，將有利于燃燒，提高燃燒速度。從形狀分析來看，由于棒狀MoO3的長度較大，寬度較小，所以其長徑比大，當(dāng)無規(guī)則排列的情況下，兩根氧化鉬所能夠接觸到的面積較小，相比之下，帶狀MoO3具有較大的連接面積，有利于自蔓延燃燒反應(yīng)。這一現(xiàn)象表明，帶狀MoO3鋁熱劑的燃燒波速較快。

圖13 兩種鋁熱劑燃燒過程機(jī)理示意圖Fig.13 Schematic diagram of the AlMoO3 thermite combustion process mechanism

4 結(jié)論

采用水熱法合成了棒狀和帶狀的MoO3，然后采用超聲法制備了兩種鋁熱劑Al/棒狀MoO3鋁熱劑和Al/帶狀MoO3鋁熱劑。通過FE-SEM、XRD、DSC 和燃燒實(shí)驗(yàn)研究了它們的熱性能和燃燒行為，得到了以下結(jié)論：

（1）DSC 分析表明，Al/帶狀MoO3鋁熱劑的熱分解性能優(yōu)于Al/棒狀MoO3鋁熱劑，表現(xiàn)為Al/帶狀MoO3鋁熱劑的放熱量為1702 J·g-1，其遠(yuǎn)大于Al/棒狀MoO3鋁熱劑的432 J·g-1。Al/帶狀MoO3鋁熱劑的初始反應(yīng)溫度為401.95 ℃，比Al/棒狀MoO3鋁熱劑的504.87 ℃提前了102.92 ℃。

（2）非溫?zé)崃W(xué)分析結(jié)果表明，兩種鋁熱劑的Ea沒有顯著差異，說明MoO3的形貌與Ea沒有明顯關(guān)聯(lián)性，然而，Al/棒狀MoO3鋁熱劑的Tb較高，安全性更高。

（3）在開放式燃燒實(shí)驗(yàn)中，兩種鋁熱劑均被成功點(diǎn)燃并伴隨著刺眼的亮光和刺耳的爆炸聲，其火焰燃燒行為差別微小，當(dāng)鋁熱劑燃燒即將完畢時，Al/帶狀MoO3鋁熱劑周圍會濺射火花。

（4）在封閉管燃燒實(shí)驗(yàn)中，兩種鋁熱劑的燃燒行為差異較大。其燃燒波的傳播都是穩(wěn)定的，但燃燒波的傳播速度不同。Al/棒狀MoO3鋁熱劑的速度先增大后減小，最大速度達(dá)到1037 m·s-1。然而，Al/帶狀MoO3鋁熱劑的燃燒波速呈上升趨勢，最大波速為2710 m·s-1。

綜上，Al/帶狀MoO3鋁熱劑的熱性能和燃燒性能均優(yōu)于Al/棒狀MoO3鋁熱劑，然而Al/棒狀MoO3鋁熱劑更安全。