萬早雁，李 晨，李 燕，易鎮(zhèn)鑫，葉迎華，張 琳，朱順官

（南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

納米鋁熱劑是一種由還原劑和氧化劑組成的活性物質(zhì)，依靠燃料和氧化劑之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)瞬間釋放大量的熱。與傳統(tǒng)鋁熱劑相比，納米鋁熱劑的氧化劑和燃料在納米尺度下緊密結(jié)合，降低了物質(zhì)間質(zhì)量傳遞的距離，因而具有更高的能量輸出、更快的能量釋放速率等優(yōu)勢［1］。納米鋁熱劑中氧化劑是非常重要的組分，目前對(duì)氧化劑的研究主要分為3 類：（1）金屬或非金屬氧化物［2-6］，如氧化鐵（Fe2O3）、氧化銅（CuO）、氧化鉍（Bi2O3）、氧化碘（I2O5）等；（2）氧化性鹽［7-9］，包括高氯酸鹽（ClO4-）、高錳酸鹽（MnO4-）、溴酸鹽（BrO3-）和硫酸鹽（SO42-）等；（3）復(fù)合/混合型氧化劑［10-11］，如CuO@Fe2O3、KClO4@Fe2O3、CoFe2O4和Fe2O3/MWCNT（多壁碳納米管）等。相較于金屬氧化物，氧化性鹽含有更大質(zhì)量比的氧，并且含有的氧更容易置換，鋁熱反應(yīng)過程更劇烈，Al/氧化性鹽納米鋁熱劑表現(xiàn)出更高的反應(yīng)活性。復(fù)合/混合型氧化劑的復(fù)合體系整合了集成了兩種氧化劑的性質(zhì)并且互相補(bǔ)充各自的不足。在當(dāng)前的研究中，金屬氧化物的研究多為與燃料復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建如核殼結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等，對(duì)于大幅度提升納米鋁熱劑體系的能量密度和反應(yīng)活性不是十分有效［12］。氧化性鹽（KClO4、K2S2O8等）表現(xiàn)出的強(qiáng)氧化性、光敏性、吸濕性和毒性等，使其發(fā)展也受到一定的限制。更重要的是，有研究表明氧在納米鋁熱劑中的點(diǎn)火和燃燒起關(guān)鍵作用，要獲得高反應(yīng)活性必須依賴加熱粉體空隙間的氣體來加速對(duì)流傳質(zhì)［13-16］。Comet 等［17］使用不同的碳材料提高Al/WO3納米鋁熱劑的產(chǎn)氣性能，羅慶平等［18］制備的Al/Fe2O3/RDX 可以作為綠色起爆藥，Ahmed Fahda等［7］在Al/KClO4中添加硝化棉和石墨烯提高反應(yīng)性能。鋁熱劑配方中添加含能或者非含能的物質(zhì)以增加納米鋁熱劑反應(yīng)時(shí)的產(chǎn)氣量從而提高鋁熱反應(yīng)活性是一種有效的方法，這種復(fù)合藥劑的反應(yīng)性能受添加物的性能影響較大。因此，尋找新的含氧量高、低毒、穩(wěn)定性好的氧化劑對(duì)納米鋁熱劑朝著高能量密度、高反應(yīng)活性和高穩(wěn)定性的方向發(fā)展會(huì)非常有利。

堿金屬高碘酸鹽主要是指高碘酸鈉（NaIO4）和高碘酸鉀（KIO4），含氧量分別為30%和28%。其中高碘酸鈉的氧密度為1.16 g?cm-3，與高氯酸鉀（KClO4）的氧密度（1.15 g ?cm-3）相當(dāng)，而且NaIO4和KIO4是KClO4的結(jié)構(gòu)類似物［19］，因此是高氯酸鉀良好的替代品，NaIO4和KIO4作為KClO4的替代物最早是用在煙火藥劑中［20-22］。同時(shí)，堿金屬高碘酸鹽具有低毒和低吸濕性［23］的優(yōu)勢，非常有利于運(yùn)輸?shù)陌踩烷L期儲(chǔ)存的可靠。研究表明［24］，堿金屬高碘酸鹽受熱分解過程大致分3 步，每步分解過程均產(chǎn)生大量的氧化性氣體I2、O2，可以有效彌補(bǔ)納米鋁熱劑反應(yīng)過程中產(chǎn)氣量不足的缺陷，同時(shí)釋放的碘具有高效的殺菌能力［25］，在含能反生物戰(zhàn)劑方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Zachariah等［26］嘗試將NaIO4和KIO4作為鋁熱劑中的氧化劑，制備的Al/NaIO4和Al/KIO4兩種納米鋁熱劑均表現(xiàn)出較高的反應(yīng)活性和較低的反應(yīng)溫度，并且他們強(qiáng)調(diào)了高碘酸鹽納米結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)活性的重要性。Grobler 等［27］通過物理混合方式制備的微米Al/KIO4鋁熱劑同樣表現(xiàn)出較低的點(diǎn)火溫度，而且燃速可以達(dá)到1000 m?s-1。實(shí)際上從堿金屬高碘酸鹽固有的優(yōu)勢考慮，較高的能量密度、分解時(shí)生成較多的氣體產(chǎn)物，堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑的反應(yīng)活性有望得到進(jìn)一步提高，甚至可以用來點(diǎn)火、起爆，取代部分起爆藥劑。

堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑反應(yīng)特性的詳細(xì)研究，對(duì)于尋找有效的策略以提升堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑的反應(yīng)活性具有重要意義。根據(jù)前期的研究工作［28］，室溫下將納米鋁粉懸浮在水中1～4 h，其活性鋁的含量僅降低2%～6%。因此，本研究將納米鋁粉懸浮在水中作為前驅(qū)液，采用噴霧干燥的方法制備得到Al@NaIO4和Al@KIO4兩種核?殼結(jié)構(gòu)的納米鋁熱劑，然后對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析，同時(shí)探究了兩種納米鋁熱劑的熱性能、定容燃燒性能和吸濕性，最后將兩種納米鋁熱劑作為起爆藥裝填在8#工業(yè)雷管中評(píng)估其起爆性能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

試劑：NaIO4，99.5%，AR，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司；KIO4，99.5%，AR，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司；納米氧化銅（粒徑50 nm），純度為99.9%，北京易金新材料科技有限公司；納米氧化鐵（粒徑30 nm），純度為99.9%，北京易金新材料科技有限公司；去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制；納米鋁粉（粒徑100 nm），標(biāo)稱粒徑為100 nm，純度為99.9%，焦作伴侶納米材料工程有限公司。

儀器：超聲清洗儀（KH100?DB），昆山超聲儀器有限公司；噴霧干燥儀（B?290），瑞士步琦有限公司；X?射線衍射（XRD）采用D8 Advance 型X 射線衍射儀德國Bruker；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，型號(hào)S?4800），日本Hitachi 公司；透射電子顯微鏡（TEM，型號(hào)JEM?1200EX），日本JEOL 公司；同步熱分析儀（DSC/TG，NETZSCH STA 449C），德國耐馳；高速攝像機(jī)（PCO. dimax HD），德國PCO 公司；密閉爆發(fā)器主要由壓力傳感器（FST800?ZQ?Y1，湖南宇航科技有限公司）、示波器（Tektronix MDO 3034，美國）、13 mL 密閉爆發(fā)器和供電電源組成。

2.2 納米鋁熱劑的制備

2.2.1 Al@NaIO4納米鋁熱劑的制備

利用噴霧干燥法制備Al@NaIO4納米鋁熱劑的過程和方法很簡單和安全，如圖1 所示，具體步驟如下：

圖1 制備流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation process

（1）稱取1.98 gNaIO4溶解在150 mL 的去離子水中，超聲10 min 形成均一透明溶液。

（2）向（1）中溶液緩慢加入0.66 g nano?Al，超聲20 min，形成均勻的懸浮液。在該懸浮液中，納米鋁粉的含量為25%，高碘酸鈉的含量為75%。

（3）采用噴霧干燥儀對(duì)（2）中懸浮液進(jìn)行噴霧。噴霧主要分為兩個(gè)步驟，懸浮液的霧化和溶劑的揮發(fā)。噴嘴處的溫度為115 ℃，氣體流速為500 L?h-1，進(jìn)料速率為3 mL?min-1，整個(gè)噴霧體系中氣體循環(huán)速度為38 m3?h-1，出口處的溫度為40 ℃。

（4）噴霧干燥完成以后，在收集器中輕輕刮取制備的粉末，收集在防靜電瓶中備用。

2.2.2 Al@KIO4納米鋁熱劑的制備

利用噴霧干燥法制備Al@KIO4納米鋁熱劑的具體步驟如下：

（1）稱取1.4 g KIO4加入到100 mL、70 ℃的去離子水中，攪拌使其充分溶解，形成均一透明溶液。

（2）向（1）中溶液加入0.6 g nano?Al，繼續(xù)攪拌20 min，形成均勻的懸浮液。在該懸浮液中，納米鋁粉的含量為30%，高碘酸鉀的含量為70%。

（3）利用B?290 噴霧干燥儀對(duì)（2）中懸浮液進(jìn)行噴霧。

（4）噴霧干燥完成以后，在收集器中輕輕刮取制備的粉末，收集在防靜電瓶中備用。

2.2.3 Al/CuO 和Al/Fe2O3納米鋁熱劑的制備

利用超聲混合法制備Al/CuO 和Al/Fe2O3納米鋁熱劑，具體步驟如下：

（1）稱取0.96 g 粒徑為50 nm 的納米CuO 加入到30 mL 正己烷中，超聲分散5 min。

（2）向（1）中溶液加入0.54 g nano?Al，繼續(xù)超聲20 min，形成均勻的懸浮液。在該懸浮液中，納米鋁粉的含量為36%，CuO 的含量為64%。

（3）將（2）得到的懸浮液在50 ℃下真空干燥4 h。

（4）同樣采用超聲法將0.99 g 納米Fe2O3與0.51 g nano?Al 混合得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34% nano?Al 和66% Fe2O3的Al/Fe2O3納米鋁熱劑。

2.3 表征測試方法

XRD測試：銅靶（λ=0.15406 nm），掃描速率4o·min-1，步長0.02o，掃描范圍2θ為20o～80o。FESEM 測試：采用日本Hitachi 公司的S?4800 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌，樣品均勻分散在導(dǎo)電膠上，經(jīng)噴金后測試。TG?DSC 測試：20～1000 ℃，吹掃氣是N2，升溫速率為10 ℃·min-1，進(jìn)氣速率為20 mL·min-1，坩堝為Al2O3坩堝，樣品量2～3 mg。密閉爆發(fā)實(shí)驗(yàn)：密閉爆發(fā)器容積約為13 mL，爆發(fā)器一端安裝點(diǎn)火裝置，試驗(yàn)樣品裝填在點(diǎn)火端，另一端安裝壓電傳感器。樣品量為300 mg，被測粉末松散地包裹住點(diǎn)火藥頭。起爆能力：采用8#工業(yè)雷管和厚度為5 mm 的鉛板，實(shí)驗(yàn)中起爆雷管使鉛板穿孔，測量鉛板被穿孔后的孔徑。

3 結(jié)果與討論

3.1 形貌成分分析

為獲取樣品的物相信息，對(duì)噴霧干燥法制備的納米鋁熱劑進(jìn)行XRD 分析，結(jié)果如圖2 所示。從XRD 圖譜中可以看出，KIO4的特征衍射峰2θ分別為25.92o、31o、42.49o、52.3o，與標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片（#00?008?0472）良好吻合；NaIO4的特征衍射峰2θ分別為27.94o、33.52o、45.41o、56.56o，與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片（#00?008?0496）良好吻合；納米鋁粉的特征衍射峰2θ分別為38.33o、44.56o、64.97o、78.14o與標(biāo)準(zhǔn) PDF 卡片（ICDD 85?1372）良好吻合。XRD 譜圖基線平穩(wěn)，特征衍射峰突出，無其它雜峰存在，說明該納米鋁熱劑中只含有結(jié)晶度高的KIO4或NaIO4和Al，無其它雜質(zhì)。對(duì)比原料nano?Al 和鋁熱劑中nano?Al 的衍射峰強(qiáng)度，可以看出nano?Al 的特征衍射峰被保留在相同的位置，但是衍射峰強(qiáng)度大幅度減弱，說明nano?Al 被高碘酸鹽基體封裝包覆，形成了核?殼結(jié)構(gòu)納米鋁熱劑。

圖2 Al@KIO4和Al@NaIO4納米鋁熱劑的XRD 曲線Fig.2 XRD curves of Al@KIO4 and Al@NaIO4 nanothermites

Al@NaIO4和Al@KIO4兩種納米鋁熱劑的SEM 結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可清晰地觀察到兩種樣品的形貌均較規(guī)則，呈球形或類球形，表面不光滑，粒徑分布為500 nm～2 μm，一些未被完全包覆的納米鋁粉團(tuán)聚在鋁熱劑的周圍。對(duì)比兩種樣品的形貌，Al@NaIO4樣品更均勻、球形結(jié)構(gòu)更規(guī)則，這與NaIO4和KIO4兩種堿金屬鹽的溶解性有關(guān)，NaIO4易溶解在水中，隨著溫度的升高溶解度增加，而KIO4溶于熱水，在噴霧干燥的過程中，前驅(qū)液只有在流經(jīng)噴嘴處時(shí)瞬間加熱到115 ℃，在進(jìn)料管中，KIO4已部分析出懸浮在溶液中，故在經(jīng)過噴嘴后KIO4與納米鋁粉的混合程度不如完全溶解在水中的NaIO4與納米鋁粉混合的均勻。在Al@KIO4納米鋁熱劑中任意選取一個(gè)微球進(jìn)行能譜掃描，以確定復(fù)合結(jié)構(gòu)中Al 粒子和KIO4粒子的分布情況，所得能譜圖如圖4 所示。EDS 圖中Al（藍(lán)色）、K（綠色）、I（紫色）、O（紅色）4 種元素隨機(jī)均勻分布，沒有明顯的元素堆積或分隔存在，說明Al、K、I、O 元素均勻分布在鋁熱劑微球中。利用噴霧干燥法制備的納米鋁熱劑能夠形成以氧化劑為基質(zhì)，納米鋁粉為核的核?殼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效增加Al 粒子與氧化劑之間的接觸面積，這非常有利于二者鋁熱反應(yīng)的發(fā)生，對(duì)提升鋁熱劑的放熱性能和燃燒性能有很大的促進(jìn)作用。

圖3 Al@KIO4和Al@NaIO4兩種納米鋁熱劑的SEM 圖Fig.3 SEM images of Al@NaIO4 and Al@KIO4 nanothermites

圖4 Al@KIO4納米鋁熱劑的EDS 圖Fig.4 EDS images of Al@KIO4 nanothermite

3.2 熱性能分析

為了評(píng)估堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑的熱性能，對(duì)樣品進(jìn)行TG?DSC測試，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，Al@KIO4鋁熱劑的總放熱量為1262.12 J?g-1，伴隨3 個(gè)階段的質(zhì)量總損失為76.31%；Al@NaIO4鋁熱劑的總放熱量為1414.7 J?g-1，伴隨3 個(gè)階段的質(zhì)量總損失為64.09%。

圖5 Al@KIO4和Al@NaIO4納米鋁熱劑的DSC?TG 曲線Fig.5 DSC?TG curves of Al@KIO4 and Al@NaIO4 nanother?mites

根據(jù)圖5a中的DSC曲線變化，將Al@KIO4鋁熱劑的反應(yīng)過程分為3 個(gè)主要階段：（Ⅰ）KIO4的分解，307.5 ℃左右開始分解為KIO3與O2，對(duì)應(yīng)式（1）。（Ⅱ）主要是鋁熱反應(yīng)的進(jìn)行并且伴隨著KIO3的持續(xù)分解，從497.9 ℃開始KIO3先熔化分解為KI、O2、I2氧化性氣體，加速與nano?Al 發(fā)生劇烈的鋁熱反應(yīng)，大約在552 ℃，反應(yīng)以（2）為主，其中在685 ℃左右，部分KI熔化，隨之分解反應(yīng)更加劇烈，在700 ℃出現(xiàn)尖峰，式（3）所示反應(yīng)也可能在這一階段發(fā)生。這一階段中KIO3分解產(chǎn)生的O2透過氧化鋁殼層與固態(tài)nano?Al 反應(yīng)，隨著氧化鋁殼層的加厚，反應(yīng)逐漸減弱。（Ⅲ）KI 分解生成K（≥728.2 ℃），吸熱揮發(fā)，對(duì)應(yīng)式（4）。綜上，可以看出該鋁熱反應(yīng)速率主要取決于KIO4的分解、O2透過氧化鋁殼層的速率以及氧化鋁殼層的破裂。

同樣，從圖5b 中Al@NaIO4納米鋁熱劑的DSC 曲線可以看出，NaIO4從288 ℃開始分解放熱，在533.3 ℃和666 ℃均有明顯的放熱峰，在445.6 ℃和655.6 ℃均有很尖銳的吸熱峰。結(jié)合TG?DSC 曲線，分解反應(yīng)和鋁熱反應(yīng)是連續(xù)、不間斷的過程。堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑的反應(yīng)呈多步進(jìn)行，其中堿金屬鹽的分解溫度較低，發(fā)生在鋁熱主反應(yīng)之前，分解產(chǎn)生大量氧化性氣態(tài)產(chǎn)物在固相中快速擴(kuò)散，氣體攜帶的熱量使火焰區(qū)的壓力和燃燒速度在燃燒前沿到達(dá)前點(diǎn)燃未反應(yīng)的藥劑，使得燃燒陣面后的壓力和溫度持續(xù)增長，增加燃速和能量的積累。同時(shí)噴霧干燥法構(gòu)建的核?殼結(jié)構(gòu)使鋁熱劑中氧化劑和燃料的均勻性和接觸面積增加，在它們的共同作用下納米鋁熱劑的能量釋放更快、更徹底，這使得堿金屬納米鋁熱劑在降低點(diǎn)火溫度、提高反應(yīng)速率和增大放熱量方面更具有優(yōu)勢。

3.3 定容燃燒分析

鋁熱劑在反應(yīng)過程中的壓力變化是影響其燃燒性能的關(guān)鍵因素，若燃燒過程中無氣體產(chǎn)物，則燃燒過程平穩(wěn)；若燃燒過程中產(chǎn)生較多氣體產(chǎn)物，并且在高溫條件下氣體產(chǎn)物排放不及時(shí)，則部分氣體產(chǎn)物迅速越過燃燒前沿進(jìn)入未反應(yīng)的材料區(qū)域空隙，使得燃燒陣面后的壓力和溫度持續(xù)增長，最終燃燒可轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，所以測試納米鋁熱劑燃燒過程中的壓力變化可以作為判斷納米鋁熱劑在點(diǎn)火或者起爆方面的應(yīng)用依據(jù)。

鋁熱劑燃燒過程中壓力的變化規(guī)律常采用定容燃燒實(shí)驗(yàn)獲得，實(shí)驗(yàn)中可以得到鋁熱劑燃燒時(shí)的升壓持續(xù)時(shí)間（Δt）、壓力峰值（pmax）和升壓速率（dp/dt）。為了評(píng)價(jià)堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑的定容燃燒性能，對(duì)Al/CuO 和Al/Fe2O3納米鋁熱劑進(jìn)行了測試，不同納米鋁熱劑燃燒過程中壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6 和表1 所示。

表1 不同納米鋁熱劑的定容燃燒參數(shù)對(duì)比Table 1 Constant?volume combustion parameters of differ?ent kinds of nanothermites

圖6 不同納米鋁熱劑的p?t 曲線Fig.6 p?t curves of different kinds of nanothermites

圖6 顯示，在相同藥量和測試條件下，Al@KIO4、Al@NaIO4、Al/CuO 和Al/Fe2O3納米鋁熱劑經(jīng)點(diǎn)燃后，反應(yīng)過程中的最大壓力依次為6.05，5.63，3.33 MPa和1.6 MPa，升壓速率依次為2.81，2.93，0.99 GPa?s-1和0.07 GPa?s-1。對(duì)比可知，Al@NaIO4和Al@KIO4納米鋁熱劑的升壓速率和壓力峰值均大于Al/CuO 和Al/Fe2O3納米鋁熱劑，這是因?yàn)閴A金屬納米鋁熱劑在燃燒過程中釋放的氣體產(chǎn)物多，產(chǎn)生的壓力大。同時(shí)結(jié)合熱分析的結(jié)果，KIO4和NaIO4分別自307.5 ℃和288 ℃左右開始分解產(chǎn)生氣體后，其不斷多步分解產(chǎn)生大量氣體產(chǎn)物并伴隨著反應(yīng)的全過程。反應(yīng)過程中釋放氣體產(chǎn)物速率越快，升壓速率越快，最終使得Al@KIO4和Al@NaIO4兩種堿金屬鹽納米鋁熱劑表現(xiàn)出較好的定容燃燒性能。

3.4 吸濕性分析

在實(shí)際使用過程中常要求含能材料應(yīng)具有良好的耐潮濕能力。堿金屬鹽NaIO4和KIO4作為納米鋁熱劑中重要的氧化劑，其吸濕性對(duì)納米鋁熱劑的整體性能有決定性的影響。按照國軍標(biāo)GJB5891.9-2006 方法《火工藥劑實(shí)驗(yàn)方法第9 部分：吸濕性測定》評(píng)估Al@NaIO4和Al@KIO4兩種納米鋁熱劑的吸濕性能。

實(shí)驗(yàn)中選取空磨口稱量瓶作為空白對(duì)照組，Al@NaIO4和Al@KIO4樣品分別進(jìn)行兩組平行實(shí)驗(yàn)，其余樣品設(shè)置一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的吸濕曲線如圖7所示。圖7a 反映了Al@NaIO4納米鋁熱劑、納米鋁粉、高碘酸鈉在30 ℃，相對(duì)濕度≥91%條件下質(zhì)量變化隨時(shí)間的關(guān)系，可以看出，納米鋁粉在16 天的質(zhì)量增加為0.027%，說明納米鋁粉幾乎不吸濕。NaIO4在16 天的質(zhì)量增加為0.35%。Al@NaIO4納米鋁熱劑在前10 天時(shí)，質(zhì)量持續(xù)增加約0.64%；10 天以后，基本穩(wěn)定達(dá)到平衡。圖7b 中顯示KIO4在12 天質(zhì)量增加不明顯，僅為0.08%。Al@KIO4經(jīng)過大約6 天后達(dá)到吸濕平衡，兩組平行實(shí)驗(yàn)中的吸濕率分別為0.65% 和0.93%。對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，Al@NaIO4和Al@KIO4的吸濕量要略高于單獨(dú)的鋁粉和NaIO4/KIO4的吸濕量，這是由于噴霧得到的鋁熱劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)更加蓬松，使得原本團(tuán)聚在一起的粒子分散開來，與空氣中的O2、H2O分子等的接觸面積變大，從而吸濕增重加多，1 g 水、原料NaIO4、噴霧的NaIO4的體積對(duì)比如圖8 所示。

圖7 不同物質(zhì)的吸濕曲線Fig.7 Moisture curves of different samples

圖8 1 g 水、原料NaIO4、噴霧的NaIO4實(shí)物圖Fig.8 The physical pictures of water，raw NaIO4，and sprayed NaIO4

整體而言，NaIO4和KIO4雖然是一種堿金屬鹽，但是耐吸濕性能良好，將其作為含能材料中的氧化劑具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)比Al@KIO4納米鋁熱劑的吸濕結(jié)果，Al@NaIO4的吸濕時(shí)間較長，但是其吸濕增長過程更穩(wěn)定，吸濕率更小。綜合比較，Al@NaIO4和Al@KIO4兩種納米鋁熱劑的耐潮濕環(huán)境能力良好，這對(duì)于藥劑的制備、使用和儲(chǔ)存有重要的意義。

3.5 起爆能力測試

由上述分析可知，堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑在燃燒過程中，氧化劑堿金屬高碘酸鹽的分解溫度較低并且分解過程中產(chǎn)生大量氣態(tài)產(chǎn)物，使得鋁熱劑配方在弱約束條件下表現(xiàn)出優(yōu)良的燃燒性能，這些優(yōu)勢是否能用來代替起爆藥起爆炸藥是非常值得關(guān)注的。為了評(píng)估上述兩種堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑的起爆性能，將Al@NaIO4和Al@KIO4兩種納米鋁熱劑作為起爆藥裝填在8#工業(yè)雷管中進(jìn)行起爆能力測試。8#工業(yè)雷管的管殼材質(zhì)為鋼，內(nèi)徑為6 mm，加強(qiáng)帽為鐵質(zhì)，傳火孔直徑為1.5 mm。雷管中的詳細(xì)裝藥結(jié)構(gòu)如圖9 所示：管殼底部主裝藥為450 mg 黑索今，壓藥壓力為40 MPa；中間過渡藥為260 mg 太安，輕輕點(diǎn)平，再裝入96 mg 納米鋁熱劑，輕輕敲擊管殼使藥劑均勻，蓋上加強(qiáng)帽，用10 MPa 壓力壓合。利用起爆器起爆，以厚度為5 mm、直徑為30 mm 的鉛板穿孔直徑來評(píng)價(jià)起爆性能，結(jié)果如圖10 所示。為了比較，在相同裝藥條件下，對(duì)常用起爆藥斯蒂芬酸鉛（LTNR）和疊氮化鉛（LA）也進(jìn)行了起爆能力測試。

圖9 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖1─點(diǎn)火頭，2─橡膠塞，3─加強(qiáng)帽，4─鋁熱劑，5─太安，6─鈍化黑索今，7─雷管殼，8─鉛板Fig.9 Illustration of the charge structure 1─igniter，2─rubber tube，3─stiffened cap，4─thermites，5─PETN，6─RDX，7─detonator shell，8─lead plate

從圖10中可以看出，Al@NaIO4、Al@KIO4和疊疊氮化鉛可以成功起爆黑索今，使5 mm 厚的鉛板穿孔，穿孔直徑依次為9.45，9.2 mm 和9.98 mm，而斯蒂芬酸鉛則未能使黑索今完全爆轟。對(duì)比鉛板的穿孔直徑，可知這4 種藥劑的起爆能力為：LTNR

圖10 起爆雷管后的鉛板圖Fig.10 The lead plates after detonating experiments

4 結(jié)論

（1）將納米鋁粉懸浮在堿金屬高碘酸鹽水溶液中作為前驅(qū)液結(jié)合噴霧干燥的方法可以構(gòu)建出具有核?殼結(jié)構(gòu)納米鋁熱劑Al@KIO4和Al@NaIO4，制備方法安全，樣品的結(jié)晶度高、純度高。

（2）熱分析表明，Al@KIO4和Al@NaIO4納米鋁熱劑的總放熱量分別為1262.12 J?g-1和1414.7 J?g-1。該配方的分解反應(yīng)和鋁熱反應(yīng)是連續(xù)、不間斷的過程。反應(yīng)呈多步進(jìn)行，反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量氧化性氣態(tài)產(chǎn)物的快速擴(kuò)散使得鋁熱劑的能量釋放更快、更徹底。堿金屬納米鋁熱劑在降低點(diǎn)火溫度、提高反應(yīng)速率和增大放熱量方面更具有優(yōu)勢。

（3）堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑在燃燒過程中釋放的氣體產(chǎn)物多，產(chǎn)生的壓力大，Al@KIO4和Al@NaIO4兩種堿金屬鹽納米鋁熱劑表現(xiàn)出良好的定容燃燒性能。

（4）NaIO4和KIO4在吸濕達(dá)到平衡前的質(zhì)量增加分別為0.35%和0.08%，堿金屬高碘酸鹽具有優(yōu)秀的耐潮濕環(huán)境能力，將其作為含能材料中的氧化劑具有廣闊的應(yīng)用前景；Al@NaIO4和Al@KIO4納米鋁熱劑分別在第10 天和第6 天達(dá)到平衡，質(zhì)量增加約0.64%和0.65%，這兩種鋁熱劑的耐潮濕環(huán)境能力良好，對(duì)于藥劑的制備、使用和儲(chǔ)存有重要的意義。

（5）將96 mg Al@NaIO4或Al@KIO4作為起爆藥裝配到8#工業(yè)雷管中能成功使RDX 完全爆轟，使5 mm 厚的鉛板穿孔，穿孔直徑幾乎到達(dá)起爆藥劑LA的水平。在一些領(lǐng)域，堿金屬高碘酸鹽納米鋁熱劑有望可以部分取代起爆藥使用。