多因素影响下纳米铝粒子氧化行为及其计算机模拟的研究

本项目以激光法制备的粒径约50nm的纳米铝粒子为研究对象，在激光作用下金属等离子体在极高冷速下冷却制备高缺陷含量的纳米铝粒子，通过高分辨透射电镜对其内部缺陷进行表征，用X射线Rietveld精修和正电子湮没寿命谱解析的方法，对不同类型缺陷进行定量描述和计算。通过X射线光电子能谱测定纳米铝粒子表面的配位状态和结构，最后在考虑纳米铝粒子粒径分布、缺陷、表面配位结构等多个影响条件下，以Caberra-Mott金属粒子氧化模型为基础进行修正，采用有限元分析的方法，通过施加合理的边界条件，实现纳米铝粒子的氧化行为的计算机模拟。同时对纳米铝粒子在氧气环境下进行热学行为的宏观测试，将其结果与计算机模拟结果进行验证，对有限元分析程序和边界条件进行修正，最终达到实验和模拟结果的统一。本项目的研究，丰富和拓展了多因素影响下纳米金属粒子的氧化机理，为纳米铝粒子的制备及其在固体推进剂中的应用与储存提供了指导。

铝粒子是固体推进剂重要的组成部分，纳米铝粒子所表现的优越的燃烧和能量性能将有望代替常规微米铝粒子。纳米铝粒子极易氧化形成钝化层，一方面有利于阻止其进一步氧化，另一方面热焓的提前释放导致其活性丧失，因此纳米铝粒子氧化行为的研究显得极为重要。本项目以制备的平均粒径约为50nm的纳米铝粒子为研究对象，通过高分辨透射电镜对其内部缺陷进行表征，用X射线Rietveld精修和正电子湮没寿命谱解析的方法，对不同类型缺陷进行定量描述和计算，研究了多因素耦合作用下纳米铝粒子的氧化行为。尺寸大小、粒子表面状态、湿度和缺陷等对纳米铝粒子氧化都有较大影响，在多因素影响下，湿度和缺陷是纳米铝粒子氧化的关键因素。在较低的湿度条件下，纳米铝粒子氧化较慢，当湿度超过一定的临界值以后，将产生较为彻底的氧化和水解反应，导致纳米铝粒子水解为Al2H6O6，并且完全丧失活性。采用有机物包覆或者隔离湿度环境是减缓纳米铝粒子氧化的有效手段。氧化初期纳米铝粒子会形成一个致密的氧化铝壳层，氧原子将通过粒子的缺陷向内部扩算，致使铝粒子缺陷处非晶氧化壳层更厚，同时空位类缺陷浓度会降低。加热速率对纳米铝粒子的氧化产生了重要影响，低加热速率下纳米铝粒子的氧化分为三个阶段；在高加热速率下，纳米铝粒子加热到560℃以后，达到纳米铝粒子的氧化激活能发生氧化反应剧烈放热，使纳米铝粒子周围环境温度迅速升高，纳米铝粒子呈现出剧烈氧化现象。关于纳米铝粒子的氧化行为计算机模拟，传统的方法多基于纳米铝粒子和其氧化壳层是理想晶体，采用电子层次理论进行的氧化模拟。本项目使用基于MAEAM势的分子动力学模拟探索性的构建了纳米铝粒子的结构模型，将正电子淹没实验计算得到的空位浓度引入该模型，得到了一些有意义的结果，并与试验结果较为吻合。通过本项目的研究，我们深入研究了纳米铝粒子的氧化行为，了解了纳米铝粒子氧化过程的控制步骤，为纳米铝粒子的制备及其在固体推进剂中的应用与储存提供了指导。