第３Ｏ卷第６期 ２０１０年１１月 爆炸与冲击 Ｖｏｌ＿３Ｏ，Ｎｏ．６ ＮＯＶ．，２Ｏ１０ ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ ＷＡＶＥＳ 文章编号：１００１—１４５５（２０１０）０６—０６６９—０４ 爆轰合成纳米氧化铝颗粒的生成时间估算 李瑞勇 ，李晓杰 ，闫鸿浩 （１．中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院工程力学系，山东青岛２６６５５５； ２．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连１１６０２３） 摘要：利用胶体理论中的快速聚沉动力学模拟尺寸为２０ ｒｌｍ的７氧化铝球形颗粒在爆轰化学反应区的 生成过程，估算出其生长时间为０．１１ ｙｓ，该时间值在爆轰化学反应区的时间长度（约１．０“ｓ）内。理论计算证 明该尺度的纳米氧化铝颗粒是在爆轰反应区内形成的，这与实验证明的结果一致。根据爆轰反应机理可知爆 轰化学反应区的长度可以通过改变炸药的爆轰参数来改变，因此通过人为改变混合炸药的爆轰参数可以控 制纳米氧化铝在反应区的生长时间，进而可以控制其最终的生长尺寸。 关键词：爆炸力学；生长时间；爆轰；纳米氧化铝；胶体理论；爆轰参数 中图分类号：０３８１；ＴＢ３８３ 国标学科代码：１３０・３５ 文献标志码：Ａ １ 引 言 纵观纳米技术的发展可以发现，纳米材料的控制研究与纳米材料的制取和应用研究相比较进展很 缓慢，纳米氧化铝的研究也是如此＿１］。 利用廉价的硝酸铝和炸药混合爆轰的方法来制取纳米氧化铝是一种新方法，此方法的特点是工艺 过程简单、设备成本相对低廉。经过多次爆轰合成实验均得到了形状为标准球形的、平均颗粒尺寸为二 十几纳米的纳米氧化铝，并且纳米氧化铝粉体中含有很多的水 ］。通过透射电镜仪器、Ｘ光衍射仪器和 热失重仪器的分析，得出的结论是纳米氧化铝是在混合炸药爆轰过程中的爆轰化学反应区内凝聚形成， 这意味着氧化铝晶粒的大小与爆轰反应区的长度有关。根据爆轰反应机理可知爆轰化学反应区的长度 可以通过改变炸药的爆轰参数来改变，因此可以通过控制爆轰反应区的长度来控制氧化铝颗粒的尺度。 在合成纳米氧化铝的过程中对其进行控制研究是很重要的，以上实验结论可对纳米氧化铝的控制研究 起预示作用。 为了进一步证明以上结论，本文中主要利用模拟分子碰撞的胶体理论来计算纳米氧化铝颗粒的生 长时间。 ２ 理论背景 爆轰得到球形的 晶型氧化铝是在爆轰反应区内凝聚生长而成的。混合炸药爆轰过程产生的高 温、高压使炸药与硝酸铝的混合物发生化学反应释放出大量的活性氧和金属铝离子，在爆轰波的反应区 形成高浓度的离子态混合气。在高温、高压的作用下金属铝离子与氧离子又在高速的气态爆轰产物中 发生聚合反应形成分子态氧化铝，紧接着分子态氧化铝会在高热的爆轰气体产物中聚集、结晶、长大产 生纳米氧化铝。由于反应区内的压力远高于同一温度下氧化铝的饱和蒸气压，因此初始氧化铝微粒近 似作Ｂｒｏｗｎ运动。这些小微粒的生成和长大可以用快速聚沉动力学来描述。 参考文献［３］，可以利用胶体理论的快速聚沉动力学ｌ４ 来估算氧化铝颗粒生长的时间。在聚沉动力 学中志级滴的净生成速度为 ＊收稿日期：２００９—０８—１０；修回日期：２０１０—０３—２６ 基金项目：国家自然科学基金项目（１０９０２１２６，１０５７２０３４）；山东省自然科学基金项目（ＺＲ２０１０ＥＬ０１６） 作者简介：李瑞勇（１９７７一），男，博士，副教授。 ６７０ 爆 炸 与 冲 击 第３Ｏ卷 ｄｎｋ一 ∑∑４ｎＤ ＲｉｊＴ￣ｉ ，一” ∑４ｎＤ Ｒ （１） 式（１）右边第１项是ｋ级滴的生成速度，第２项是ｋ级滴的消失速度， 为单位体积内的ｉ级粒子 数， 为Ｊ级粒子数，Ｄ ，是 级滴和 级滴的扩散系数之和，Ｒ 是ｉ级滴和Ｊ级滴的半径之和。因为 Ｄ Ｒ ＝２ＲＤ ，所以方程（１）变为 警 Ｒ ｆｌ ｋ １ ｌ １ ” ∑ｘ １ ｉ＝１ 如果考虑全部粒子的变化，则有 ｄ∑ ｋ一１ ｄｔ 玎 Ｄ Ｒ — 积分式（３），得 ∑ ∑ ｃ一，∑ ＿． 一 丽一 ㈩ ∞∑ ２ ２一叫 式中：∑ 代表总的粒子数； 。为初时溶胶中的粒子数密度；ｒ为扩散系数。 根据式（２）～（４）可以计算出ｋ级粒子数目随时问的变化关系式 ∑ Ｔ／ｋ一 一万干 一 （５） 文献Ｅ２３证明纳米氧化铝是在爆轰化学反应区内凝聚形成。 在此，把爆轰化学反应区的热力学平衡流近似当成扩散介质，纳米氧化铝球形颗粒当成胶体介质里 面的溶胶粒子，则纳米氧化铝颗粒的生长过程可以利用上述公式进行模拟。则 。为爆轰反应区Ｃ—Ｊ面 上氧化铝颗粒的数密度，”。的计算式如下 ｎｏ一 一 ”ｍｎ” Ｔ／Ａ （６） 式中： 为１ ｔｏｏｌ炸药的爆轰产物中游离纳米氧化铝的物质的量，根据化学反应方程可以求得；” 为 阿伏加德罗常数；Ｍ为分子量；ｐ ｃ 为Ｃ—Ｊ面上的密度，计算公式如下 ３ 一 Ｐ。 （７） 式中：），取３， 为炸药的初始密度。 式（４）中ｒ的计算式如下 。 一 式中：７７为扩散介质的粘度（粘性系数），ｑ＝０．０１ ｇ／（ｃｍ・ｓ） ；走ｅ为Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数；Ｔ为爆温。 ３纳米氧化铝颗粒生成时间估算 实验混合炸药中硝酸铝和黑索金各０．５ ｋｇ，根据２种物质的质量可以简单计算出该混合炸药的通 式为Ｃ 。Ｈ：¨ Ｏ Ｎ 。Ａ１㈦。。根据文献［５］可知本次实验硝酸铝和黑索金混合时为正氧平衡。根 据简化原则，此次实验中混合炸药的近似爆轰反应化学方程式为 １．３３Ａ１（ＮＯ ３）３・９Ｈ２Ｏ＋２．２５Ｃ３Ｈ ６Ｏ６Ｎ ６— ０．６７Ａ｜ Ｏ。＋１８．７７Ｈ２Ｏ＋６．７６ＣＯ２＋３．２４ＮＯ＋７．１４Ｎｚ （９） 下面取一个直径为２Ｏ ｎｎｑ的 氧化铝球形颗粒（文献［２］中实验所得到的大部分纳米氧化铝颗粒 第６期 李瑞勇等：爆轰合成纳米氧化铝颗粒的生成时间估算 尺寸为２０ ｎｍ），利用公式（５）～（８）计算该球形颗粒的生长时间，看看该生长时间是否在爆轰化学反应 区的常规时间内。 该球形纳米氧化铝颗粒的体积经简单计算可得为４．２×１０ ｍ。。本次实验中，爆轰化学反应方程 如式（９）所示，根据化学反应方程式，／ｌｍｎ应该取０．５ ｔｏｏｌ；混合炸药初始密度 一Ｏ．８ ｇ／ｃｍ。，混合炸药的 分子式为Ｃ Ｈ Ｏ。 Ｎ 。Ａ１ 。，则相对分子质量为９８６。根据这些数据，利用公式（６）可以计算出 ｎｏ一３．３×１０ ｃｍ～。混合炸药的爆温计算值为１ ６８２ Ｋ 。则利用公式（８）可以计算出扩散系数ｒ一 ０．０９６ ｓ。 氧化铝的品格常数为７．９１×ｌＯ 。ｍ，晶型为立方型，则一个晶胞的体积为（７．９１×１０ 。）。ｍ。。 直径为２０ ｎｍ的７氧化铝颗粒含有的晶胞数为（４．２×１０ ）／（７．９１×１０ 。）。，也等于８．５×１０。个，这 个数和２”（８ ２００）接近。所以，假定２０ ｒｉｍ的 氧化铝颗粒是均衡爆轰产物流中初始氧化铝球的第１３ 级滴，则由方程式（５）可以得到 一 一 ０ （１＋ ／ｒ） ８ ２００ （１０） 方程式（１０）的数值解为 ￡／ｒ一１．１５ （１１） 将扩散系数ｒ一０．０９６ ｓ代人方程式（１１）中，可以计算出￡一０．１ｌ ｓ。 计算得到的２０ ｎｍ的了氧化铝球形颗粒的生成时间ｔ值在爆轰反应区时间长度（约１．０ ｓ＿５］）内， 这说明该尺度的颗粒是在爆轰反应区内形成的，这与实验结果分析的结论一致 ］。 ４ 结 论 利用胶体理论中的快速聚沉动力学近似模拟了尺寸为２０ ｎｍ的 氧化铝球形颗粒在爆轰化学反 应区的生成过程，估算出其生长时间为０．１１ ｓ，该时问值在爆轰化学反应区的时间长度（约１．０ ｓ）内。 理论计算说明了该尺度的纳米氧化铝颗粒是在爆轰反应区内形成的，这与实验证明的结果一致。 根据爆轰反应机理可知爆轰化学反应区的长度可以通过改变炸药的爆轰参数来改变。而炸药参数 又取决于混合炸药中硝酸铝和黑索金的比例情况。所以，可以通过人为改变混合炸药中硝酸铝和黑索 金的比例情况来改变爆轰参数，进而改变混合炸药爆轰化学反应区的长度，从而影响纳米氧化铝在反应 区的运行时间（即生长时间）。氧化铝的生长时间越短，最终的氧化铝颗粒越小，反之越大。 因此，通过宏观上的炸药参数的调节可以改变微观上纳米氧化铝的尺寸，即在纳米氧化铝的爆轰合 成中可以人为地控制氧化铝颗粒的尺度。 参考文献： ［１］ 董海峰，夏海平，丁马太，等．加热与脱盐对纳米氧化铝粒度及分布的影响［Ｊ］．功能材料，２００５，３６（４）：５８３． ＤＯＮＧ Ｈａｌ—ｆｅｎｇ，ＸＩＡ Ｈａｌ ｐｉｎｇ，ＤＩＮＧ Ｍａ—ｔａｉ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｄｅｓａｌｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉａｍ— ｅｔｅｒｓ ｏｆ ｎａｎｏ ａｌｕｍｉｎａ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｏｌｙｄｉｓｐｅｒｓｉｔｙ［Ｊ］．Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ，２００５，３６（４）：５８３． ［２］李晓杰，李瑞勇，赵峥，等．爆轰法合成纳米氧化铝的实验研究［Ｊ］．爆炸与冲击，２００５，２５（２）：１４５—１５０． ＬＩ Ｘｉａｏ—ｊｉｅ，ＬＩ Ｒｕｉ—ｙｏｎｇ，ＺＨＡＯ Ｚｈｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｕｈｒａｆｉｎｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅｓ，２００５，２５（２）：１４５ １５Ｏ． ［３］ 周刚．采用利用炸药中的碳爆轰合成超细金刚石的研究［Ｄ］．北京：北京理工大学，１９９５． Ｅ４］陈宗淇．胶体化学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８４． ［５］北京工业学院八系《爆炸及其作用》编写组．爆炸及其作用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９７９：５７—７６． ［６］徐士明．理想气体状态方程在计算炸药爆炸参数上的应用ＥＪ］．沈阳工业学院学报，１９９４，１３（３）：５５—６１． ＸＵ Ｓｈｉ—ｍｉｎｇ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｒｆｅｃｔ ｇａｓ ｔＯ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏ— ｓｉｒｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９４，１３（３）：５５—６１． ６７２ 爆 炸 与 冲 击 第３Ｏ卷 Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｗｔｈ ｔｉｍｅ ｏｆ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ＬＩ Ｒｕｉ—ｙｏｎｇ ，ＬＩ Ｘｉａｏ－ｊｉｅ ，ＹＡＮ Ｈｏｎｇ—ｈａｏ （１．Ｄｅｐａｒｔｍ ｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉ 口Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ），Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５５５，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒａｌ Ｅｑｕｐｍｅｎｔ， Ｄ口ｚ 口 Ｕｎｉｖｅｒｓｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２３，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ｛ｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ２０一ｎｍ—ｓｉｚｅ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｖ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｌｌｏｉｄ ｔｈｅｏｒｙ． Ｉｔｓ ｇｒｏｗｔｈ ｔｉｍｅ ｉｓ ０．１ １ ｓ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １．０／ｉｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｉｍｅ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ．Ｓｏ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａ— ｔｉｏｎ ｒｅｓｕＩｔ Ｄｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｃｔｕａｌｌｙ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃ— ｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｏｆ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｅｔｏｎａ— ｔｉｏｎ ｃａｎ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｒｅａｃ— ｔｉｏｎ．Ｓｏ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｔｉｍｅ ｏｆ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗａｙ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ； ｇｒｏｗｔｈ ｔｉｍｅ；ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ； ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ； ｃｏｌｌｏｉｄ ｔｈｅｏｒｙ；ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ＊ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ １０ Ａｕｇｕｓｔ ２００９；Ｒｅｖｉｓｅｄ ２６ Ｍａｒｃｈ ２０１０ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（１０９０２１２６’１０５７２０３４） Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ：ＬＩ Ｒｕｉ－ｙｏｎｇ，ｔｉ－ｒｕｉ ｙｏｎｇ＠１６３．ｃｏｌｎ （责任编辑 曾月蓉）
