含量和烧结温度对复合粒子形貌与燃烧性能的影(2)

原 料Al、PTFE 与Al/PTFE 复 合 粒 子 的XRD 测 试 结果如图3。由图3 可知，经过球磨、烧结后，没有新的衍射峰出现，说明无新物质生成；球磨过程中物料与磨球、壁面之间不断挤压、冲击促进了Al与PTFE的相互扩散，也致使两者内部晶体结构产生畸变，因此表现为各元素衍射峰位置相对于标准衍射峰位置有所偏移［15］。

图3 原料与Al/PTFE 复合粒子XRD 图Fig.3 The XRD patterns of raw materials and Al/PTFE com?posites

3.2 PTFE 含量对Al/PTFE 复合粒子形貌和燃烧性能的影响

本课题的研究内容属于富燃料体系，要求氧化剂含量小于燃料含量，因此设置PTFE 的含量为15%、25%、35%、45%，在340 ℃的烧结温度下制备了4 种不同PTFE 含量的Al/PTFE 复合粒子。

3.2.1 微观形貌分析

图4 为原料铝粉和上述不同PTFE 含量的复合粒子的SEM 图。由图4 可知，PTFE 的含量对复合粒子的微观形貌有一定影响：当PTFE 含量小于等于35%时，复合粒子包覆的完整度和分散程度随着PTFE 含量的增加而逐渐变高；当PTFE 含量达到45%时，熔融又凝固的PTFE 将铝粉颗粒凝聚成大的结块，说明当PTFE含量超过一定值后再提高其含量，不能提高复合粒子的分散性。

图4 不同PTFE 含量的Al/PTFE 复合粒子的SEM 图Fig.4 The SEM images of Al/PTFE composites with different PTFE contents

3.2.2 燃烧性能分析

理论上复合粒子的包覆完整度越高、分散性越好，则氧化剂与燃料之间接触面积越大，越利于复合粒子燃烧充分性和迅速性的提升［14，16］。基于扫描电镜结果，采用密闭燃烧罐和点火装置通过燃烧实验对这一理论进行验证。

在密闭燃烧罐内点燃样品，将产生的最大压力（Max pressure，pmax）和增压率（Pressurization rate，P?）作为评价指标［16］。高温环境下释放出的气体产物越多，燃烧反应越充分［14］，P?表达式如式（1）：

式中，pmax指燃烧过程中的最大压力值，MPa；tmax指体系达到最高压力时对应的时间，s；ti指初始点火时间，s；pi指点火时对应的初始压力值，MPa。

将原料铝粉与4 种Al/PTFE 样品在密闭燃烧罐中点燃，获得压力与时间的关系曲线，如图5a 所示；计算得出增压率如图5b 所示。由图5a 可见，未添加PTFE的原料铝粉未能被点燃，没有检测到压力变化曲线；PTFE 含量为35%的样品燃烧时产生的压力最高，达到2.18 MPa；含量为25%的样品燃烧时增压率最高，达到6.47 MPa·s-1。表明PTFE 含量为25%～35%时，能有效提高复合粒子的燃烧充分性。

图5 4 种Al/PTFE 复合粒子燃烧压力与增压率对比图Fig.5 A comparison of combustion pressure and pressuriza?tion rate of Al/PTFE composites with different PTFE contents

在空气中点燃纯铝粉和不同PTFE 含量的复合粒子，通过持续燃烧时间、火焰尺寸、火焰中心温度判定燃烧反应活性，用高速摄像机记录燃烧过程，用红外热成像仪读取每组样品燃烧时最高火焰中心温度。原料铝粉和4 种Al/PTFE 含量的复合粒子燃烧时高速摄像图和红外热成像图如图6。由图6 可知，未添加PTFE的原料铝粉未能点燃，PTFE 含量为15%、25%、35%、45% 的复合粒子燃烧时最高火焰中心温度分别为1012.2 ℃、1123.9 ℃、1218.2 ℃、1108.2 ℃；PTFE 含量为25%（图6c）和35%（图6d）的样品较其它样品，反应活性明显增强，具体表现为：燃速快，火焰尺寸大，火焰中心温度高；当PTFE 含量为15%时（如图6b），样品缓慢燃烧无明亮的火花，说明该样品PTFE 含量过低，即氧化剂含量过低。一般来说，氧化剂含量越高，燃烧反应越剧烈，但结果显示，当PTFE 含量升高至45%时（图6e），与PTFE 含量为35%的样品（图6d）相比，燃烧时火焰尺寸反而减小，燃速变慢，火焰中心温度降低，这说明氧化剂超过一定含量反而会阻碍燃烧性能的提升。

图6 原料铝粉和4 种Al/PTFE 复合粒子燃烧时高速摄像图和红外热成像图Fig.6 High speed photography and infrared thermography for combustion of Al/PTFE composites with different PTFE contents

综上所述，Al/PTFE 复合粒子的燃烧性能与微观形貌存在相关性：包覆完整度高，则整体燃烧性能更好。PTFE 含量在25%～35%时，能有效提高复合粒子的燃烧充分性、迅速性。PTFE 含量过低不利于包覆完整度和燃烧性能的提高，PTFE 的含量过高会造成铝粉颗粒凝结成块，阻碍了铝粉的充分燃烧，降低复合粒子的反应活性。

3.3 烧结温度对Al/PTFE 复合粒子形貌和燃烧性能的影响

在氮气气氛下，以10 ℃·min-1的升温速率（与烧结条件相似），用差示扫描量热仪（DSC）测得原料PTFE 的熔融曲线如图7 所示。由图7 可见，PTFE 的峰值熔融温度为325 ℃，终值熔融温度为340 ℃，因此将PTFE 含 量 为35% 的Al、PTFE 混 合 粉 末 球 磨 后 在325 ℃、340 ℃、370 ℃温度下烧结，得到3 种Al/PTFE复合粒子，用以研究烧结温度对复合粒子的形貌和燃烧性能的影响。

文章来源：《烧结球团》 网址: http://www.sjqtzz.cn/qikandaodu/2021/0306/419.html