纳米铝

纳米铝作为一种新型材料，主要应用领域有三个方面，包括火箭推进剂、火炸药、太阳能电池铝背。这三个方面对于国家的军事和经济发展具有非常重要的意义。纳米铝材料可使导弹和鱼雷在目标采取规避措施前就以极快的速度进行攻击，并能使发射药燃烧率达到现有发射药的10倍，使子弹的攻击速度更快。

研究进展

2014年9月，美国莱斯大学纳米光子学实验室(LANP)在《国家科学院学报》网络版上，公布了一项研究成果，它是一项全新的彩色显示技术，使用了通常应用于顶级液晶电视和显示器的铝纳米粒子，可以显示出生动的红、蓝、绿三色，初步解决了“乌贼皮”显示颜色的难关。该研究成果发表^[1]

这项突破性发现来自莱斯大学自2010年起启动的系列研究中的最新成果。该系列研究旨在制作出能模仿头足类动物（以乌贼、章鱼、鱿鱼为代表）变色能力的超材料。^[1]

研究小组的目标就是模仿这些神奇的动物皮肤，以同样的方式将分布式光传感和处理能力完美结合，并实现于超材料当中。为成功制造出“乌贼皮”，工程师们面临着两大挑战：一是要创造出一种能像乌贼皮肤一样感知到周围环境光线颜色的材料，二是要设计出一种能够对感知作出反应并显示生动伪装纹饰的系统。^[1]

该材料的工作原理为，材料上布满了5平方微米大小的像素点，小于商用液晶屏像素近40倍。通过电子束沉积技术，使一个个铝纳米棒阵列排列于每个像素点中，每个像素点中包含有数百个纳米铝棒，铝纳米棒长约100纳米，宽约40纳米。他们通过改变纳米棒的长度和间距，使像素点显示出明亮艳丽的红、蓝、绿色调。其色彩质量远远高于普通的铝纳米颗粒像素，效果甚至能与高清液晶屏相媲美。^[1]

通过对纳米棒进行有序排列这一关键手段，成功解决了现有铝纳米棒技术曾存在的色彩不够艳丽和易褪色问题，这项技术未来有望广泛应用于液晶显示器领域，代替易褪色和漂白的常用显示器着色剂。^[1]

应用领域

火箭

铝的含量金属元素在地壳中占据了第二的位置，仅次于铁的含量。在日常生活中，各种铝制品已经被人们大量使用。更值得注意的是，由于铝的密度高，耗氧量低，有高的燃烧焓，使得在固体推进剂中可以有较高的铝粉含量，对提高比冲的作用相当显著。再加上原材料丰富，成本较低，因此作为能量材料的添加剂被广泛应用在火箭推进剂中。与普通铝粉相比，纳米铝粉具有燃烧更快、放热量更大的特点，若在固体燃料推进剂中添加1%质量比的超微铝或镍颗粒，燃料的燃烧热可增加1倍。国外有研究报道，在HTPB复合推进剂中，加入20% Alex (ARGONIDE公司产品纳米铝粉)，与同样含量普通铝粉相比较，燃烧速率可以提高70%。

炸药

在炸药中加入高热值的金属粉末是提高炸药作功能力的途径之一。含铝炸药作为一类高密度、高爆热、高威力炸药，已被广泛应用在水中兵器和对空武器弹药中。纳米铝与其他的金属氧化物纳米材料自组装后燃烧速度可达到1500—2300m/s，冲击波最大可以达到3马赫。这种纳米尺寸的“智能炸弹”可望将靶向药物输送到癌细胞，同时不损伤健康细胞。这种由纳米铝粉与金属氧化物配合成功的高能炸药，由于其表面积要比常规铝热剂粉末大得多，因而它能够提供相当于现有火药推进剂十倍高的燃烧速度。

电池

随着现在太阳电池的材料以及制作水平的不断提高，太阳能电池的少子寿命也不断的增加，即少子的扩散长度不断增长，当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，背表面的复合速度对太阳电池特性的影响就很明显。从现在的商业太阳电池来看，为了降低太阳电池的成本，提高效率，生产厂家也在不断地减小硅片的厚度，以降低原材料的价格。因此，为了提高电池的效率，必须考虑降低电池背表面的复合速度，提高长波光谱响应。所以铝背场的好坏将直接影响到太阳能电池的输出特性。颗粒小，铝浆与硅片接触较好，颗粒大，有的区域与硅表面问存在着较大的空隙，存在空洞，铝浆与硅片接触较差，这就使得有些区域没有形成铝背场。所以铝浆的颗粒大小对于铝背场的形成和质量都有着很重要的关系。铝颗粒越小，熔点越低，越易于在一定温度下和硅基材料形成硅铝复合层，越有利于铝背场的形成并改善太阳能电池的输出特性。因此，制备纳米级的要的意义。

制备方法

纳米铝的大规模制备和应用研究关系到我国国防建设的发展和高科技产品的开发。纳米铝的制备研究论文非常少，所用的方法主要局限于法和电弧放电法，化学法主要有两种，包括机械化学法和溶液化学法。

蒸发冷凝

蒸发冷凝法是物理方法制备纳米微粒的一种典型方法。在真空下充人纯净的惰性气体(Ar，He等)，高频感应加热使原料铝锭蒸发，产生铝蒸气，惰性气体的流动驱动蒸气向下移动，并接近冷却装置。在蒸发过程中，铝蒸气原子与惰性气体原子碰撞失去能量而迅速冷却，这种有效的冷却过程在铝蒸气中造成很高的局域过饱和而均匀成核，在接近冷却装置的过程中，铝蒸气首先形成原子团簇，然后形成单个纳米微粒，纳米微粒随气流经分级进入收集区内而获得纳米粉末。这种方法耗能大、成本高、粒径难以控制、产品稳定性差。

线爆炸法

线爆炸法¨是另外一种物理法，首先将爆炸室抽至较高的真空，然后向爆炸室充人一定压力的高纯氩气。调节高压至34kV，向储能器充电3OkV，使整个系统处于稳定状态。通过送丝装置将直径为0．3mm的铝丝送入爆炸室，控制A1线爆炸频率为3O次/min。通过等离子体放电使铝丝在瞬间爆炸，形成高分散的纳米铝粉，然后将纳米铝粉收集后在氮气的保护下进行原位包装。这种方法制备纳米铝粉的粒径一般在100nm以上，很难做到粒径更小，同时这种方法的生产量很小，难以满足日益扩大的市场需求。因此，寻求一种新型的方法制备纳米铝粉将会为太阳能电池市场、军工国防事业提供新的技术支撑。

机械化学

机械化学法采用氯化铝和金属锂作为反应原料，边研磨边反应制备纳米铝。所使用的设备是惰性气体手套箱和球磨机。研磨反应后所得产物经过有机溶剂硝基甲氯化铝溶液洗涤，能够除去大部分副产物氯化锂。所得纳米铝的平均粒径为55nm。由于所生成的纳米铝非常活泼，如果使用金属钠与氯化铝球磨制备纳米铝，则副产物氯化钠很难除去。下式为机械化学法制备纳米铝的反应式：A1C13+3Li—Al+3LiC1(1) AIC13+3Na_Al+3NaC1(2) 这种机械化学法制备纳米铝优点是方法简便，操作简单。缺点是虽然经过长时间研磨，也难以保所有的原料都能够参与反应，因为固相研磨法毕竟接触面较小，无法与均相反应相比。因此，如果能够寻找一种均相反应制备纳米铝的方法将会更有利于产物的纯度、粒度均匀性和规模化生产。

激光剥蚀

脉冲激光剥蚀法也是物理法的一种，所采用的介质是乙醇、丙酮或者乙二醇。从把铝材浸人液体中，要经历三个步骤来制备纳米铝颗粒。所有这些步骤都是在很短时间内完成的，通常是大约几个毫秒。首先是激光脉冲加热靶材到沸点，这样就产生了含有等离子体靶材蒸气原子。接着等离子体绝热膨胀，最后随着气体冷却，纳米铝子形成。在冷却步骤，首先是成核，接着通过相互粘附或者新材料沉积在上面导致纳米粒子生长。这种合成方法的影响因素主要有激光波长、激光能量、脉冲宽度、液体介质类型和剥蚀时间等。这种制备纳米铝的方法成本非常昂贵，不适合大规模生产。

电弧放电

纳米铝粉的制备研究多年来主要采用物理法¨，是因为纳米铝粉非常活泼，不但在空气中很容易被氧化甚至燃烧爆炸，而且在溶液中也容易氧化变成氧化铝，因此，化学方法很难控制最终的产物纳米铝粉不被氧化。如何在原有制备纳米铝方法的基础上能够更好地控制纳米铝的尺寸，提高纯度，降低成本将是未来急需解决的一些问题。

参考资料

[1] 像乌贼一样变色的超材料即将出现 · 人民网[引用日期2014-09-22]