石墨烯包覆鋁粉的制備、表征及燃燒性能研究

鋁粉因其卓越的力學(xué)、熱學(xué)特性及燃燒性能，在民用、軍事及能源領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。然而，微納米鋁粉的高易燃性和貯存風(fēng)險，以及細(xì)粉團(tuán)聚導(dǎo)致的燃燒放熱降低，限制了其應(yīng)用潛力。采用碳材料對鋁粉進(jìn)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(qiáng)度、韌性及導(dǎo)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(fù)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(fù)合鋁粉的燃燒效率。

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(yīng)結(jié)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(yīng)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(fù)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(yīng)。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，確保石墨烯均勻包覆在鋁粉表面。

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(jìn)一步證實了石墨烯與鋁粉之間的化學(xué)鍵合，表明包覆層穩(wěn)定且牢固。

氧彈量熱法測試結(jié)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(zhì)量燃燒熱達(dá)到24,532 J/g，燃燒效率高達(dá)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(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

基于燃燒產(chǎn)物的表征結(jié)果，推測石墨烯對鋁粉燃燒性能的促進(jìn)作用主要歸因于其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和大比表面積。石墨烯的快速導(dǎo)熱性加速了鋁粒子間的熱量傳導(dǎo)，使得燃燒反應(yīng)更加均勻和充分。同時，大比表面積提供了更多的反應(yīng)活性位點，提高了活性鋁粒子的反應(yīng)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。

石墨烯以其巨大的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)熱性，在改性鋁粉中展現(xiàn)出顯著的影響。結(jié)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(dá)80.32%，遠(yuǎn)超純鋁粉的63.31%。這一提升歸因于石墨烯的導(dǎo)熱性加速了鋁粒子間的熱量傳導(dǎo)，使得更多的鋁粒子得以參與燃燒反應(yīng)。

· 質(zhì)量燃燒熱：石墨烯復(fù)合鋁粉的質(zhì)量燃燒熱達(dá)到24,532 J/g，表明其單位質(zhì)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(jìn)了活性鋁粒子與氧氣的充分接觸，提高了反應(yīng)參與度，進(jìn)一步增強(qiáng)了燃燒性能。

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(jié)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(zhì)量燃燒熱和燃燒效率均顯著提高。基于燃燒產(chǎn)物的表征結(jié)果，提出了石墨烯促進(jìn)鋁粉燃燒性能的機(jī)理。

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(jié)合，從而使初始粉末獲得更加活躍的理化性能。

鈦合金粉末表面包覆納米銅

（未后處理）

碳化鎢表面包覆納米鎳層

（進(jìn)行后處理）

除此外，還適用于鐵基合金，鈦合金，鋁合金，鎳基合金，難熔金屬鎢鉬鉭鈮等機(jī)體粉末。

【石墨烯包覆鋁粉的制備、表征及燃燒性能研究】

丁小勇，方依彤，鄒楊君，朱小丹