一种针对纳米铝颗粒氧化铝膜孔隙率的快速表征方法

技术领域

本发明属于含能材料技术领域，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

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(AL

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V

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

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：

步骤一，形貌尺寸表征：

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

步骤二，原位元素定量表征：

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

步骤三，孔隙率计算：

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w

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

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。

附图说明

图1是单个纳米铝颗粒的结构示意图。

图2是纳米铝颗粒的透射电镜图。

图3元素分析的范围。

图4元素能谱图。

图5元素含量计算结果。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

需要说明的是，本发明中的所有材料和设备，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的材料和设备。

本发明提供了一种纳米铝颗粒氧化铝层孔隙率的快速表征方法。该方法以透射电镜和原位能量色散X射线光谱仪为检测手段，通过测得透射电镜及能谱测量纳米铝粉颗粒的直径、氧化层厚度和氧原子比例个数，然后计算获得氧化铝层的孔隙率。该方法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。

下述实施例中，仪器与试样：

透射电镜(赛默飞Talos F200i型)；超薄铜网；乙醇(分析纯)；纳米铝粉(西安近代化学研究所)。

下述实施例中，试样的制备：

(1)样品分散：

量取约3ml的乙醇置于试管中，添加适量的纳米铝粉至液体轻微浑浊，最后放于超声波清洗机中超声分散15分钟。

(2)铜网制样：

将透射电镜铜网置于滤纸上，使用移液枪吸入分散液后，在铜网上滴入2滴。然后将铜网连同滤纸一起放入红外烤箱中，烘烤5分钟。将铜网放入等离子清洗机中清洗30秒，最后放入透射电镜中进行测量。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

本实施例给出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：

步骤一，形貌尺寸表征：

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d

本实施例中，单个纳米铝颗粒的结构示意图如图1所示。

本实施例中具体的，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°，拍摄照片，如图2所示。通过圆形近似法量取单颗粒子的直径d为61.91nm和单质铝核直径d

步骤二，原位元素定量表征：

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尽可能清晰，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w

本实施例中具体的，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尽可能清晰，选取以纳米铝颗粒为圆心，直径30nm内为分析的目标范围，如图3所示。选择原位能量色散X射线光谱仪的优化参数：扫描范围为10kev、脉冲通量为30kcps。通过扫描获得纳米铝颗粒的元素能谱分布图，如图4所示。通过归一化法获得氧元素在整个颗粒中的原子数比例w

步骤三，孔隙率计算：

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w

具体的，步骤三中，所述的孔隙率计算的具体过程为：

步骤301，通过单颗粒子直径d和氧化层厚度δ，采用式2和式3计算出单质铝核的体积V

步骤302，结合单质铝核的体积V

步骤302，通过氧元素物质的量N

步骤303，最后计算出氧化铝层的表观密度

式2至式10中：

d为纳米铝颗粒的直径；

δ为氧化铝层的厚度；

V

为氧化铝层体积；

N

ρ

M

w

N

N'

N

为氧化铝层的质量；

为三氧化二铝的相对分子质量，为101.96g/mol；

为计算出的三氧化二铝的表观密度；

为三氧化二铝的真实密度，为2.98g/cm

本实施例中具体的，将单颗粒子的直径d，氧化铝层厚度δ，氧元素的原子数比例w