鋁熱劑(Thermites)是由燃料和氧化劑組成的一種混合物，在一定激發(fā)條件下反應(yīng)劇烈的氧化還原反應(yīng)并釋放出大量熱量。鋁熱劑作為一種古老的煙火劑，在早期主要是鋁(Al)和氧化鐵(Fe2O3) 按照一定比例配制的混合物，通過(guò)引燃劑點(diǎn)燃時(shí)，可以生成氧化鋁(Al2O3) 和鐵(Fe) 并釋放大量的熱。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁熱劑的概念得到了進(jìn)一步推廣，即包括親氧金屬和與之匹配的氧化物的混合物或者復(fù)合物。如V2O6、Cr2O3、MnO2 等金屬氧化物代替Fe2O3與Al 按一定配比得到的混合物也可稱為鋁熱劑。通過(guò)在鋁熱劑中加入納米鋁，鋁熱反應(yīng)的燃燒速率會(huì)得到提升，由此產(chǎn)生了納米鋁熱劑。
鋁熱劑常用的焰火燃燒劑，當(dāng)達(dá)到燃燒溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生熔融的鐵和氧化鋁，釋放出每克分子758千卡熱，這種發(fā)熱反應(yīng)在適宜條件下可產(chǎn)生2400℃的溫度。然而，鋁熱劑的燃燒熱比較低，并且燃燒很快，為此它沒(méi)有鎂和油基燃燒能引起繼發(fā)著火能力，但產(chǎn)生的高溫足以使與其接觸的鋼鐵熔化。
鋁熱劑的制備方法主要有物理混合、溶膠凝膠／氣凝膠、物理氣相沉積等。鋁熱劑常用作金屬焊接、反應(yīng)性破片、制造含能藥型罩等。它具有較低的燃料熱，燃燒速度快，燃燒產(chǎn)生溫度高等特點(diǎn)，故在煙火藥、推進(jìn)劑、起爆藥等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，因需求不同，其粒徑、制造工藝及添加劑等不斷改進(jìn)和完善。
鋁熱劑被制成鋁熱劑燃燒彈時(shí)，被擊中的人易受到不可逆的傷害，此外，易引起地面物質(zhì)的燃燒，產(chǎn)生大量二氧化碳等有害氣體和粉塵，易造成環(huán)境的污染。
反應(yīng)原理
鋁熱發(fā)應(yīng)泛指一種金屬與另一種金屬氧化物或非金屬氧化物反應(yīng)生成一種更穩(wěn)定的氧化物和相應(yīng)的金屬或非金屬，同時(shí)放出大量的能量，鋁熱反應(yīng)的主要形式是固相反應(yīng)。
公式中，M和MOx為某種金屬或非金屬及其對(duì)應(yīng)的氧化物，△H為反應(yīng)熱。
鋁熱劑發(fā)應(yīng)類似于爆炸現(xiàn)象，鋁熱劑反應(yīng)產(chǎn)物是固態(tài)金屬顆粒，瞬間反應(yīng)溫度達(dá)到了Al2O3的汽化溫度，然而低于Fe元素的汽化溫度，能量不足以Al2O3與Fe汽化。因此，鋁熱劑反應(yīng)是固體產(chǎn)物，而鋁熱劑能量的做功的能力，是依靠混雜于熱劑中的空氣及小量的雜質(zhì)在高能量加熱下膨脹。
相關(guān)歷史
1865年，俄羅斯化學(xué)家別蓋托夫(Nikolay Beketov)首先發(fā)現(xiàn)鋁可以取代金屬氧化物中的氧，但直到19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，德國(guó)化學(xué)家Johannes Wilhelm Goldschmidt才申請(qǐng)了有關(guān)鋁熱化合物的專利，它們可以用于焊接金屬零件。他所制備的混合物是由具有正電性的金屬鋁、鈣、鎂等和能被金屬還原的金屬氧化物或硫化物組成的。第一種鋁熱劑的制備就是采用他所提到的工藝，其中通過(guò)溶融鹽電解得到鋁熱劑燃料的金屬，由溶融冰晶石電化學(xué)還原法制備鋁的過(guò)程就是Hall-Heroult工藝，這一工藝可追溯到1886年。
最早的鋁熱劑是由鋁與氧化鐵（Fe2O3）按照一定比例調(diào)制而成，并通過(guò)引燃劑引發(fā)燃燒，利用其氧化還原反應(yīng)釋放的大量的熱和生成物來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)科技條件下所需的各種目的，比如焊接鐵軌等。“鋁熱劑”不單指Al與Fe2O3組成的混合物，其金屬氧化物不只是Fe2O3，而是代表親氧金屬生成的金屬氧化物這一類物質(zhì)、例如MnO2、PbO、氧化銅、Bi2O3等。
1997年，Ivanov和Tepper發(fā)現(xiàn)通過(guò)加入納米鋁，鋁熱反應(yīng)的燃燒速率可以提升5~10倍。而納米含能材料也不斷的修改，大致從納米鋁(燃料)和氧化劑合成、包覆的納米級(jí)粒子到三維納米含能材料及納米含能材料的有序組裝。
應(yīng)用領(lǐng)域
鋁熱劑應(yīng)用在軍事、金屬焊接、復(fù)合材料制造、制造納米含能薄膜、熱切割等多個(gè)領(lǐng)域。
冶金
別蓋托夫在實(shí)現(xiàn)Al與BaO之間的相互反應(yīng)后，進(jìn)一步利用Al和堿金屬化合物作用來(lái)提取堿金屬單質(zhì)，從而為鋁熱冶金法奠定了基礎(chǔ)。鋁熱劑配方靈活，鋁熱反應(yīng)會(huì)放出大量的熱并生成的熱并生成新的金屬單質(zhì)，因此被廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)中提取較純的金屬和合金。
金屬焊接
鋁熱劑焊接常用在鋼軌的焊接上，利用鋁熱劑反應(yīng)釋放的高溫來(lái)熔融固態(tài)鐵，達(dá)到焊接鋼軌的目的。鋁熱劑放熱溫度的控制會(huì)對(duì)焊接進(jìn)度和質(zhì)量有較重要的影響。
燃燒劑
鋁熱劑能量輸出約為典型炸藥RDX的2倍，同時(shí)具有易燃難滅、反應(yīng)熱流高及反應(yīng)后熔渣多等特點(diǎn)。將鋁熱劑用于燃燒劑裝填于彈藥中可大大提高毀傷效果。鋁熱燃燒彈（又稱鋁熱彈）是將超級(jí)鋁熱劑作為內(nèi)置燃燒劑的燃燒彈，引發(fā)瞬間可形成3000 ℃高溫，產(chǎn)成的高溫熔融物噴濺至目標(biāo)，具有較強(qiáng)的熔穿破壞能力，在水面反應(yīng)還可引起二次爆炸。
固體推進(jìn)劑
固體推進(jìn)劑是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源。固體推進(jìn)劑要求高能和高燃速時(shí)，需增加推進(jìn)劑中的高能高敏感組分，但會(huì)帶來(lái)安全隱患。而超級(jí)鋁熱劑具有高能量密度及高度可控的燃燒反應(yīng)速率等潛在性能優(yōu)勢(shì)，作為燃料催化劑用于固體推進(jìn)劑有望實(shí)現(xiàn)高能鈍感推進(jìn)劑的研發(fā)。超級(jí)鋁熱劑可以提高推進(jìn)劑的釋能和燃燒溫度，進(jìn)而提高推進(jìn)劑的特征速度和比沖量，改善火箭的彈道性能。
火工藥劑
火工藥劑是用于火工品產(chǎn)生燃燒或爆炸的藥劑，對(duì)火工品的燃爆威力、感度及安定性影響重大。但傳統(tǒng)的火工藥劑大都含有鉛、、汞等重金屬，在制備和燃爆作用時(shí)易對(duì)環(huán)境造成污染。利用超級(jí)鋁熱劑在撞擊感度和點(diǎn)火極限等方面的優(yōu)異性能，將其用于替代傳統(tǒng)火工藥劑斯蒂芬酸鉛來(lái)制備安全鈍感型的新一代火工藥劑，表現(xiàn)出微毒、無(wú)污染及良好的安全性。
復(fù)合材料制造
通過(guò)鋁熱的自蔓延反應(yīng)，高溫合成了Al/Fe2O3、MgAl2O4等陶瓷基納米復(fù)合材料涂層，此涂層擁有更高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性能，結(jié)構(gòu)也更加致密。
熱切割
手工自蔓延高溫?zé)崆懈罴夹g(shù)是利用燃燒釋放的熱量作為高溫?zé)嵩矗瑢⒐ぜ植考訜崛刍⑶依蒙傻母邏簹怏w吹力吹除熔渣和熔融金屬，從而完成金屬的切割。通過(guò)使用CuO/Al和Fe2O3/Al的混合物作為高熱劑進(jìn)行鋁熱反應(yīng)切割，可切割20mm厚的鋼板，且可對(duì)油田井下金屬管柱進(jìn)行切割。
常見(jiàn)種類
Al-Fe2O3超級(jí)鋁熱劑
Al-Fe2O3超級(jí)鋁熱劑是由AL和Fe2O3復(fù)合而成的納米級(jí)鋁熱劑。將Al和Fe2O3在納米尺度上進(jìn)行混合，提高了組分件的接觸面積，從而改善了納米粒子的分散性。和普通的鋁熱劑相比，其具有較高的反應(yīng)活性和反應(yīng)完全率，且具有低的點(diǎn)火溫度，可應(yīng)用于活炸藥，它的制備方法有溶膠-凝膠法。
Al-MoO3鋁熱劑
Al-MoO3鋁熱劑是一種典型的復(fù)合含能材料，其外表呈球形，粒徑在100nm左右，納米鋁嵌入到MoO3中。它是采用抑制反應(yīng)球墨法制備的。他的熱反應(yīng)為固-固反應(yīng)，當(dāng)復(fù)合物加熱到350K時(shí)，開(kāi)始發(fā)生熱反應(yīng)，當(dāng)加熱速率在3000~30000K/S范圍內(nèi)時(shí)，所有復(fù)合物的反應(yīng)溫度都低于鋁粉的熔點(diǎn)。MoO3的粒徑會(huì)影響Al-MoO3鋁熱劑的性能，MoO3的粒徑越小，Al-MoO3鋁熱劑反應(yīng)速度更快，而鋁粉的粒徑對(duì)Al-MoO3鋁熱劑的影響很小。
Al-CuO鋁熱劑
Al-CuO鋁熱劑中的Al和CuO具有高的能量密度和生成氣體量，可以應(yīng)用于推進(jìn)系統(tǒng)、熱點(diǎn)池和MEMS的點(diǎn)火系統(tǒng)中。它的制備可以用油酸和硅對(duì)納米鋁粉表面進(jìn)行改性，加入CuO制備Al-CuO復(fù)合材料，當(dāng)硅烷含量為2%(質(zhì)量)時(shí)，復(fù)合材料的燃速?gòu)?80m/s增加到570m/s。但硅烷含量太高，界面阻力就會(huì)太大，熱效率就會(huì)降低，使得燃速降低。
Al-WO3鋁熱劑
WO3作為超級(jí)鋁熱劑的氧化劑有重要的研究意義，可以作為電火柴、槍炮雷管使用。Al-WO3鋁熱劑制備首先要用濕化學(xué)法制備納米WO3，然后將WO3與納米Al以不同比例混合制得納米鋁熱劑，其在開(kāi)發(fā)體系中燃速可達(dá)到250m/s，最大壓力為1.45MPa，z最大加壓率為500GPa/s，與理論計(jì)算數(shù)值非常接近。
安全事宜
危害
鋁熱劑燃燒會(huì)釋放大量的熱量，人碰到燃燒的鋁熱劑時(shí)，容易嚴(yán)重?zé)齻?，失去行?dòng)能力，甚至可能死亡。如在軍事中使用的鋁熱劑燃燒彈被聯(lián)合國(guó)列入禁止和限制使用的常規(guī)武器名單中，主要是鋁熱劑燃燒彈的燃燒溫度能達(dá)到3000℃，威力很大，很容易會(huì)對(duì)人體帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的傷害。此外，鋁熱劑在也會(huì)引起地面可燃物質(zhì)起火，產(chǎn)生大量的二氧化碳等有害氣體和粉塵，容易造成環(huán)境污染。
應(yīng)急措施
鋁熱劑遇空氣、氧化劑、強(qiáng)酸或西吸潮后有引起燃燒危險(xiǎn)，燃燒時(shí)放出大量熱量，產(chǎn)生的高溫可達(dá)2500℃，易發(fā)生火災(zāi)。在進(jìn)行滅火時(shí)，可用的滅火劑為干粉、干砂，不能用水和泡沫掩蓋?；蛘哂酶稍锏纳惩寥パ诼瘢⒃诨馂?zāi)旁的地上倒上一層黃沙，來(lái)控制火勢(shì)的蔓延。用水去撲滅的時(shí)候需要用大量的水澆，不能用少量水，因?yàn)槭芨邷?a href="/hebeideji/7380389333276932051.html">汽化，會(huì)發(fā)生爆炸。
儲(chǔ)存
鋁熱劑應(yīng)儲(chǔ)存于陰涼干燥倉(cāng)間內(nèi)，遠(yuǎn)離火種、熱源。儲(chǔ)存溫度不超過(guò)30℃，相對(duì)濕度保持在75%以下，嚴(yán)防受潮。此外，包裝必須密封，應(yīng)與氧化劑、強(qiáng)酸、易燃物分倉(cāng)間存放，保持包裝完整。
制備方法
納米鋁熱劑的制備方法主要有物理混合、溶膠凝膠／氣凝膠、物理氣相沉積、自組裝以及抑制反應(yīng)球磨法等。
固相反應(yīng)法
固相反應(yīng)法是在機(jī)械作用下使兩種（ 或多種）固體反應(yīng)物組分的界面發(fā)生充分的接觸，反應(yīng)物在接觸面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而得到新的所需的粒子。該法是制備鋁熱劑的一種傳統(tǒng)方法，成本低、產(chǎn)量大、制備工藝簡(jiǎn)單易行，但制成的鋁熱劑粒徑很難小于1μm、分布不均勻和易團(tuán)聚。后來(lái)科學(xué)家們采用超聲分散的方法，改善了納米粒子的團(tuán)聚問(wèn)題，表現(xiàn)出較好的燃燒性能。
抑制反應(yīng)球磨法
抑制反應(yīng)球磨法是在高能球磨法的基礎(chǔ)上利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)使硬球?qū)υ线M(jìn)行強(qiáng)的撞擊、研磨和攪拌，把金屬或合金粉末粉碎為納米微粒，且在粉碎過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方法。
噴霧熱分解法
噴霧熱分解法是一種將前驅(qū)體溶液噴入高溫氣氛中，立即引起溶劑的蒸發(fā)和金屬鹽的熱分解，從而直接合成氧化物粉料的方法 。噴霧熱分解法最顯著的特點(diǎn)是采用液相物質(zhì)前驅(qū)體通過(guò)氣溶膠過(guò)程得到最終產(chǎn)物，不需過(guò)濾、洗滌、干燥、燒結(jié)及再粉碎過(guò)程，可以制備多組分復(fù)合超細(xì)粉體。用噴霧熱分解法，在KMnO4表面上均勻包覆上一層Fe2O3，然后與鋁粉復(fù)合得到納米鋁熱劑。
自組裝法
自組裝是指分子及納米顆粒等結(jié)構(gòu)單元在平衡條件下靠自發(fā)的化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)在底物上自發(fā)形成熱力學(xué)上穩(wěn)定的、結(jié)構(gòu)上確定的、性能上特殊的一維、二維甚至三維有序的空間結(jié)構(gòu)的過(guò)程?？茖W(xué)家利用模板法制備了CuO 納米棒和納米線，然后用自組裝法將CuO 納米棒、納米線與納米鋁粒子復(fù)合，所得到的CuO 納米棒與納米鋁粒子復(fù)合的鋁熱劑，其燃速最高可達(dá)2.4Km/s。
溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是制備納米鋁熱劑是一個(gè)新方法。利用溶膠凝膠法，使得制備材料的各個(gè)組分混合便于控制、操作簡(jiǎn)單安全，其性能都在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上大大改善。美國(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室于1995年取得氣溶膠制備技術(shù)的突破，將溶膠-凝膠法引入鋁熱劑材料研究，分別以金屬氧化物、二元氧化劑和有機(jī)／無(wú)機(jī)化合物混合氧化劑為基體來(lái)制備納米鋁熱劑
參考資料 >
防空防災(zāi)知識(shí) 第八章 次生災(zāi)害的救護(hù).鄧州市人民政府.2023-09-27