一种针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法与流程

本发明属于含能材料，涉及含能材料检测，具体涉及一种针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法。

背景技术：

1、纳米铝粉具有较高的活性，与氧化剂反应能快速燃烧放出大量的热量。在含能材料领域，纳米铝粉是一种优良的高能金属燃烧剂。在推进剂中加入纳米铝粉可以显著提高推进剂的燃烧速率、比冲和密度。在混合炸药中加入纳米铝粉可以大幅提高炸药的威力。纳米铝粉的比表面积和反应活性较高，在空气中极易氧化而失去优异的性能。因此，在制备过程中会通入少量的氧气，在一定的温度下进行钝化处理，使其在表面形成一层氧化铝膜。钝化后的氧化铝膜厚度比自然氧化的氧化铝膜厚度低很多，且可以阻缓空气中的氧与铝继续发生氧化反应。氧化铝膜的化学成分一般是无定形的三氧化二铝(al2o3)，且均匀包覆在单质铝核的表面。研究表明，纳米铝粉燃烧过程中，氧化铝膜先发生破裂，使内部熔融态的铝液滴暴露在外部氧化环境中，继而发生点火。因此，氧化铝膜的包覆致密性影响纳米铝粉的点火效率重要因素之一。孔隙率是定量评价包覆致密性的重要参数，所以快速准确表征纳米铝粉的氧化铝膜的孔隙率具有重要意义。

2、目前，表征材料孔隙率的方法主要分为两类：间接法和直接法。间接法有称重法、密度法、气体吸附法和压汞法，此类方法主要是通过测量出孔隙体积v1和表观体积v2，通过下式1计算孔隙率p：

3、

4、此类方法只能测得多孔介质内相互连通的微小空隙的总体积，无法测得不相通的空隙体积，算得的是有效孔隙率而不是绝对孔隙率。直接法有微波检测法、工业ct和扫描电镜法。

5、微波检测的原理是通过研究物质对微波反射、散射和透射的特性来获得孔隙率，该方法具有快速无损的优点，但是不适用于检测小于毫米级的空隙。

6、工业ct法是通过检测x射线在材料内部经过的路径长度和能量衰减获得材料内部的空隙率信息，该方法具有快速无损准确等优点，但是设备成本高，对样品尺寸有一定要求，无法用于单颗粒的纳米铝粉。

7、扫描电镜法是通过背散射像统计计算材料表面空隙度，该方法简单直观，但是是有损检测而且只能通过表面的空隙统计计算，无法获得材料内部原始的孔隙参数。

8、虽然以上方法具有很多优点，但是对于纳米铝颗粒氧化铝层的空隙率表征，存在以下两点不足：其一、除扫描电镜以外，以上方法均不能适用于纳米级铝颗粒，也无法针对氧化铝层进行微区分析，只能获得团聚体的宏观孔隙率；其二、虽然扫描电镜法可以进行纳米级的微区分析，但是只能获得表面信息，而无法获得氧化铝膜的内部整体信息。

9、针对现有方法的不足，需要开发出一个更加实用准确的新检测方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法，解决现有技术中的表征方法难以兼顾实用性和准确性的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤一，形貌尺寸表征：

5、采用透射电镜拍摄透射电镜照片；通过圆形近似法量取单颗粒子的直径d和单质铝核直径d2，然后二者相减得到氧化铝层厚度δ。

6、步骤二，原位元素定量表征：

7、将透射电镜的模式调为扫描透射模式，通过原位能量色散x射线光谱仪进行能谱扫描；通过归一化法获得氧元素在整个颗粒中的原子数比例wo。

8、步骤三，孔隙率计算：

9、所述的纳米铝颗粒为单质铝核和无定性三氧化二铝壳层组成的球形，通过步骤一和步骤二获得的单颗粒子直径d、氧化层厚度δ以及氧元素在整个颗粒中的原子数比例wo计算出孔隙率p。

10、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

11、本发明的表征方法通过透射电镜和原位能量色散x射线光谱仪测量纳米铝粉颗粒的直径、氧化层厚度和氧原子比例个数，然后通过计算获得氧化铝层的孔隙率。该方法使得可以在纳米尺度下获得单一氧化铝层的孔隙率，更加能真实反映氧化铝层的包覆强度，且该方法操作简单，快速准确。

技术特征：

1.一种针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法，其特征在于，步骤一的具体过程为：采用透射电镜在1.5万倍下寻找到单颗纳米铝粉后，将放大倍数调至30万倍，保持垂直于样品杆轴的β角为0，调节平行于样品杆轴的α角为15°，拍摄透射电镜照片；通过圆形近似法量取单颗粒子的直径d和单质铝核直径d2，然后二者相减得到氧化铝层厚度δ。

3.如权利要求1所述的针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法，其特征在于，步骤二的具体过程为：将透射电镜的模式调为扫描透射模式，调整放大倍数使纳米颗粒的图像清晰，选择原位能量色散x射线光谱仪的最优参数：扫描范围为10kev，脉冲通量为30kcps；选取纳米铝颗粒为圆心，直径30nm范围内进行能谱扫描；通过归一化法获得氧元素在整个颗粒中的原子数比例wo。

4.如权利要求1所述的针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法，其特征在于，步骤三中，所述的孔隙率计算的具体过程为：

技术总结
本发明提供了一种针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法，包括：步骤一，采用透射电镜拍摄透射电镜照片；通过圆形近似法量取单颗粒子的直径d和单质铝核直径d<subgt;2</subgt;，然后二者相减得到氧化铝层厚度δ。步骤二，将透射电镜的模式调为扫描透射模式，通过原位能量色散X射线光谱仪进行能谱扫描；通过归一化法获得氧元素在整个颗粒中的原子数比例w<subgt;O</subgt;。步骤三，纳米铝为单质铝核和无定性三氧化二铝壳层组成的球形，通过步骤一和步骤二获得的参数计算出孔隙率P。本发明的方法使得可以在纳米尺度下获得单一氧化铝层的孔隙率，更加能真实反映氧化铝层的包覆强度，且该方法操作简单，快速准确。

技术研发人员：朱一举,周文静,王民昌,胡银,淡保松
受保护的技术使用者：西安近代化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11