纳米铝的应用及其制备方法研究进展

　　介绍了纳米铝的应用及其制备方法。纳米铝主要应用于火箭推进剂、火炸药添加剂和太阳能电池板的铝背
　　
　　场。制备纳米铝的方法主要有蒸发冷凝法、线爆炸法、机械化学法、脉冲激光剥蚀法、电弧放电法和溶液化学法等。虽然纳
　　
　　米铝在应用方面具有很重要的价值，可是目前的制备方法成本昂贵、产量小，制约着纳米铝应用方面的发展。因此，发展新
　　
　　型的低成本、产量大的纳米铝制备方法具有极其重要的意义。
　　
　　引言
　　
　　纳米铝作为一种新型材料，主要应用领域有三
　　
　　个方面，包括火箭推进剂、火炸药、太阳能电池铝背
　　
　　场。这三个方面对于国家的军事和经济发展具有
　　
　　非常重要的意义。纳米铝的大规模制备和应用研
　　
　　究关系到我国国防建设的发展和高科技产品的开
　　
　　发。本文综述了纳米铝的具体应用方面及其主要
　　
　　的制备方法。从国内和国外的研究工作来看，纳米
　　
　　铝的制备研究论文非常少，所用的方法主要局限于
　　
　　法和电弧放电法，化学法主要有两种，包括机械化
　　
　　学法和溶液化学法。
　　
　　1纳米铝的应用
　　
　　1．1纳米铝在火箭推进剂中的应用方面研究情况
　　
　　及进展
　　
　　铝的含量金属元素在地壳中占据了第二的位
　　
　　置，仅次于铁的含量。在日常生活中，各种铝制品
　　
　　已经被人们大量使用。更值得注意的是，由于铝的
　　
　　密度高，耗氧量低，有高的燃烧焓，使得在固体推进
　　
　　剂中可以有较高的铝粉含量，对提高比冲的作用相
　　
　　当显著。再加上原材料丰富，成本较低，因此作为
　　
　　能量材料的添加剂被广泛应用在火箭推进剂中。
　　
　　与普通铝粉相比，纳米铝粉具有燃烧更快、放热量
　　
　　更大的特点，若在固体燃料推进剂中添加1％质量
　　
　　比的超微铝或镍颗粒，燃料的燃烧热可增加1倍
　　
　　¨]。国外有研究报道，在HTPB复合推进剂中，加
　　
　　入20％Alex(ARGONIDE公司产品纳米铝粉)，与
　　
　　同样含量普通铝粉相比较，燃烧速率可以提高
　　
　　70％[引。
　　
　　1．2纳米铝在火炸药中应用方面研究情况及进展
　　
　　在炸药中加入高热值的金属粉末是提高炸药
　　
　　作功能力的途径之一。含铝炸药作为一类高密度、
　　
　　高爆热、高威力炸药，已被广泛应用在水中兵器和
　　
　　对空武器弹药中J。纳米铝与其他的金属氧化物
　　
　　纳米材料自组装后燃烧速度可达到1500—2300
　　
　　m／s，冲击波最大可以达到3马赫。这种纳米尺寸
　　
　　的“智能炸弹”可望将靶向药物输送到癌细胞，同
　　
　　时不损伤健康细胞J。这种由纳米铝粉与金属氧
　　
　　化物配合成功的高能炸药，由于其表面积要比常规
　　
　　铝热剂粉末大得多，因而它能够提供相当于现有火
　　
　　药推进剂十倍高的燃烧速度。
　　
　　1．3纳米铝在太阳能电池中的应用方面研究情况
　　
　　及进展
　　
　　随着现在太阳电池的材料以及制作水平的不
　　
　　断提高，太阳能电池的少子寿命也不断的增加，即
　　
　　少子的扩散长度不断增长，当少数载流子的扩散长
　　
　　度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，背表面的
　　
　　复合速度对太阳电池特性的影响就很明显。从现
　　
　　在的商业太阳电池来看，为了降低太阳电池的成
　　
　　本，提高效率，生产厂家也在不断地减小硅片的厚
　　
　　度，以降低原材料的价格。因此，为了提高电池的
　　
　　效率，必须考虑降低电池背表面的复合速度，提高
　　
　　长波光谱响应。所以铝背场的好坏将直接影响到
　　
　　太阳能电池的输出特性’7J。颗粒小，铝浆与硅片
　　
　　接触较好，颗粒大，有的区域与硅表面问存在着较
　　
　　大的空隙，存在空洞，铝浆与硅片接触较差，这就使
　　
　　得有些区域没有形成铝背场。所以铝浆的颗粒大
　　
　　小对于铝背场的形成和质量都有着很重要的关系。
　　
　　铝颗粒越小，熔点越低，越易于在一定温度下和硅
　　
　　基材料形成硅铝复合层，越有利于铝背场的形成并
　　
　　改善太阳能电池的输出特性。因此，制备纳米级的
　　
　　要的意义。
　　
　　2纳米铝制备方法方面研究情况及进展
　　
　　2．1蒸发冷凝法
　　
　　蒸发冷凝法是物理方法制备纳米微粒的一
　　
　　种典型方法。在真空下充人纯净的惰性气体(Ar，
　　
　　He等)，高频感应加热使原料铝锭蒸发，产生铝蒸
　　
　　气，惰性气体的流动驱动蒸气向下移动，并接近冷
　　
　　却装置。在蒸发过程中，铝蒸气原子与惰性气体原
　　
　　子碰撞失去能量而迅速冷却，这种有效的冷却过程
　　
　　在铝蒸气中造成很高的局域过饱和而均匀成核，在
　　
　　接近冷却装置的过程中，铝蒸气首先形成原子团
　　
　　簇，然后形成单个纳米微粒，纳米微粒随气流经分
　　
　　级进入收集区内而获得纳米粉末。这种方法耗能
　　
　　大、成本高、粒径难以控制、产品稳定性差。
　　
　　2．2线爆炸法
　　
　　线爆炸法¨是另外一种物理法，首先将爆炸
　　
　　室抽至较高的真空，然后向爆炸室充人一定压力的
　　
　　高纯氩气。调节高压至34kV，向储能器充电3O
　　
　　kV，使整个系统处于稳定状态。通过送丝装置将直
　　
　　径为0．3mm的铝丝送入爆炸室，控制A1线爆炸频
　　
　　率为3O次／min。通过等离子体放电使铝丝在瞬间
　　
　　爆炸，形成高分散的纳米铝粉，然后将纳米铝粉收
　　
　　集后在氮气的保护下进行原位包装。这种方法制
　　
　　备纳米铝粉的粒径一般在100nm以上，很难做到
　　
　　粒径更小，同时这种方法的生产量很小，难以满足
　　
　　日益扩大的市场需求。因此，寻求一种新型的方法
　　
　　制备纳米铝粉将会为太阳能电池市场、军工国防事
　　
　　业提供新的技术支撑。
　　
　　2．3机械化学法”
　　
　　机械化学法采用氯化铝和金属锂作为反应原
　　
　　料，边研磨边反应制备纳米铝。所使用的设备是惰
　　
　　性气体手套箱和球磨机。研磨反应后所得产物经
　　
　　过有机溶剂硝基甲氯化铝溶液洗涤，能够除去
　　
　　大部分副产物氯化锂。所得纳米铝的平均粒径为
　　
　　55nm。由于所生成的纳米铝非常活泼，如果使用
　　
　　金属钠与氯化铝球磨制备纳米铝，则副产物氯化钠
　　
　　很难除去。下式为机械化学法制备纳米铝的反应
　　
　　式：
　　
　　A1C13+3Li—Al+3LiC1(1)
　　
　　AIC13+3Na_Al+3NaC1(2)
　　
　　这种机械化学法制备纳米铝优点是方法简便，
　　
　　操作简单。缺点是虽然经过长时间研磨，也难以保
　　
　　证所有的原料都能够参与反应，因为固相研磨法毕
　　
　　竟接触面较小，无法与均相反应相比。因此，如果
　　
　　能够寻找一种均相反应制备纳米铝的方法将会更
　　
　　有利于产物的纯度、粒度均匀性和规模化生产。
　　
　　2．4脉冲激光剥蚀法¨
　　
　　脉冲激光剥蚀法也是物理法的一种，所采用的
　　
　　介质是乙醇、丙酮或者乙二醇。从把铝材浸人液体
　　
　　中，要经历三个步骤来制备纳米铝颗粒。所有这些
　　
　　步骤都是在很短时间内完成的，通常是大约几个毫
　　
　　秒。首先是激光脉冲加热靶材到沸点，这样就产生
　　
　　了含有等离子体靶材蒸气原子。接着等离子体绝
　　
　　热膨胀，最后随着气体冷却，纳米铝子形成。在冷
　　
　　却步骤，首先是成核，接着通过相互粘附或者新材
　　
　　料沉积在上面导致纳米粒子生长。这种合成方法
　　
　　的影响因素主要有激光波长、激光能量、脉冲宽度、
　　
　　液体介质类型和剥蚀时间等。这种制备纳米铝的
　　
　　方法成本非常昂贵，不适合大规模生产。
　　
　　2．5电弧放电法
　　
　　3结论
　　
　　纳米铝粉的制备研究多年来主要采用物理
　　
　　法¨，是因为纳米铝粉非常活泼，不但在空气中很
　　
　　容易被氧化甚至燃烧爆炸，而且在溶液中也容易氧
　　
　　化变成氧化铝，因此，化学方法很难控制最终的产
　　
　　物纳米铝粉不被氧化。如何在原有制备纳米铝方
　　
　　法的基础上能够更好地控制纳米铝的尺寸，提高纯
　　
　　度，降低成本将是未来急需解决的一些问题。

　　 

来源:大沥铝工业