含量和烧结温度对复合粒子形貌与燃烧性能的影(3)

图7 PTFE 的DSC 曲 线Fig.7 The DSC curve of PTFE

3.3.1 微观形貌分析

烧结温度决定PTFE 的熔融状态，影响PTFE 在铝粉表面铺展过程，形成不同的微观形貌。3 种烧结温度下制备的Al/PTFE 复合粒子的SEM 结果如图8 所示。由图8 可见，325 ℃烧结的样品仍可见附着在铝粉表面的颗粒状PTFE，说明该烧结温度过低，不足以使PTFE 熔融流动，未能在铝粉表面铺展开来，此时的包覆完整度低；340 ℃烧结的样品表面均匀光滑，形成了核壳结构；370 ℃烧结的样品，颗粒边缘不规整且薄膜状PTFE 没有紧密贴合在铝粉表面，说明更高的烧结温度并不能提高包覆效果。

图9 为上述3 种复合粒子的XRD 图谱。由图9 可知，325 ℃烧结的样品PTFE 峰强最高，表明此时结晶度最高，结晶度高则延展性差，包覆效果差。370 ℃烧结样品较340 ℃烧结样品，PTFE 衍射峰明显较弱，结晶度更低，这是因为熔化温度和在熔融状态停留的时间会影响熔体中残存的微小有序区域或晶核的数量，进而影响结晶度［17-18］。PTFE 在熔融温度高和熔融时间长的情况下（370 ℃时）熔体冷却时晶核的生成主要为均相成核，结晶速率慢，结晶度低；相反，当PTFE 的熔融温度低和熔融的时间短（340 ℃时），体系中存在的晶核将起异相成核作用，结晶速率快，结晶度高［19］。高聚物结晶度适当提高，分子链排列紧密有序，孔隙率低，分 子 间 相 互 作 用 力 增 加［15，20］，PTFE 壳 层 结 实 紧 密，Al/PTFE 复合粒子的形貌才能表现为核壳结构的球形颗粒。

图8 3 种烧结温度下制备的Al/PTFE 复合粒子的SEM 图Fig.8 The SEM images of Al/PTFE composites prepared at three sintering temperatures

图9 3 种烧结温度下制备的Al/PTFE 复合粒子的XRD 图Fig.9 The XRD patterns of Al/PTFE composites prepared at three sintering temperatures

3.3.2 燃烧性能分析

烧结温度影响复合粒子的形貌，进而影响其燃烧性能。与3.2.2 节方法相同，本节通过实验探究烧结温度对复合粒子的燃烧性能影响。将3 种烧结温度下制备的Al/PTFE 复合粒子在密闭燃烧罐中点燃，获得的最大压力和增压速率见表1。其中，340 ℃烧结的样品表现突出，最大压力达到2.19 MPa，最大增压率可达6.10 MPa·s-1。且该样品的燃烧时最大压力与上文340 ℃烧结、PTFE 含量为15% 的样品最大压力（1.88 MPa）相比，增大了16%。

表1 3 种烧结温度下制备的Al/PTFE 复合粒子燃烧时最大压力与增压率Table 1 Max pressure and pressurization rate during com?bustion of Al/PTFE composites prepared at three sintering tem?peraturessintering temperature/ ℃325 340 370 max pressure/ MPa 2.01 2.19 2.08 pressurization rate/ MPa·s-1 1.57 6.10 4.75

3 种烧结温度下制备的Al/PTFE 复合粒子（样品）在空气中燃烧的高速摄像和红外热成像结果如图10所示。由图10 可知325 ℃、340 ℃、370 ℃烧结温度下制备的样品燃烧时最高火焰中心温度分别为901.1 ℃、1218.2 ℃、1082.0 ℃。340 ℃烧结的样品点燃后（图10b），产生白黄火焰，迅速在整个样品中传播，整个燃烧过程仅需250 ms，与图10a 燃烧过程持续400 ms 相比，缩短了37%，火焰中心温度提高了317.1 ℃，且燃烧过程伴随大量烟雾生成，铝的燃烧由凝聚相向气相转变，是燃烧效率提升的表现［6］；而370 ℃烧结的样品（图10c）与340 ℃烧结的样品（图10b）相比，火焰尺寸明显减小，燃烧速率变慢，火焰中心温度降低；325 ℃烧结的样品（图10a）燃烧缓慢且火焰中心温度最低。对比各组样品燃烧过程和最高火焰中心温度，可以得出340 ℃是最适宜的烧结温度。

综上所述，烧结温度对复合材料性能影响较为显著。过低的烧结温度不利于融体流动，过高的烧结温度会降低PTFE 的结晶度，导致包覆效果下降。340 ℃下烧结得到的样品拥有较为均匀完整的包覆层，且燃烧性能优越。因此340 ℃可以作为适宜的烧结温度。

图10 3 种烧结温度下制备的Al/PTFE 复合粒子燃烧时高速摄像图和红外热成像图Fig.10 High speed photography and infrared thermography for combustion of Al/PTFE composites prepared at three sintering temperatures

4 结论

（1）PTFE 的加入能够显著提升铝粉的燃烧性能。在一定范围内，提高PTFE 含量（≤35%）有利于包覆完整度和燃烧性能的提高。但PTFE 的含量过高（≥45%）会造成铝粉颗粒凝结成块，不能达到提高铝粉分散性的目的，反而阻碍了铝粉的充分燃烧，降低复合粒子的反应活性。

（2）烧结温度是复合粒子微观形貌和燃烧性能的重要影响因素。在PTFE 熔融峰值温度（325 ℃）以上，适当提高烧结温度，有利于PTFE 融体流动，使得包覆更加均匀，燃烧更充分。但过高的烧结温度（≥370 ℃）会降低PTFE 的结晶度，导致高聚物分子间的作用力减弱，难以形成紧致均匀的核壳结构，不能有效改善铝粉燃烧性能。

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