金属Al具有能量密度大、燃烧热值高、燃烧产物无毒且原料丰富等特点。在固体推进剂中加入铝，可以提高推进剂的能量密度，降低推进系统燃烧不稳定性。铝在炸药、焊接等领域中也有着重要作用。然而金属Al在环境条件下容易氧化形成氧化铝覆盖在铝颗粒表面，阻碍了铝的氧化过程。研究者采用实验研究与理论分析，对纳米铝（nAl）及其掺混不同添加剂（氧化物：CuO、MgO、Fe2O3和SiO2；金属：Cu、Mg、Ni和Mo），在不同工况下的缓慢氧化与燃烧过程进行研究。利用热重实验，研究不同气体氛围、加热速率和添加剂对nAl缓慢氧化过程的影响。在立式加热炉中，研究不同气体氛围、环境温度和添加剂种类对nAl燃烧过程的影响。利用数字图像处理技术，分析不同条件下nAl燃烧过程发光参数的变化。主要工作如下：

（1） 采用热分析仪，研究nAl在不同升温速率及气体氛围下的热增重过程。利用X射线衍射仪（XRD）对nAl氧化过程的产物进行检测。使用Kissinger–Akahira–Sunose（KAS）和Flynn-Wall-Ozawa（FWO）方法，计算nAl热增重过程的动力学以及热力学参数。向nAl中加入不同添加剂，研究其在空气氛围下热增重过程的变化。结果表明，相比于添加不同氧化物而言，不同金属的加入对增强nAl反应活性更明显，其中Cu和Mo可以有效降低初始氧化温度。

图1. nAl及其掺混不同添加剂混合样品的DTG曲线

（2） 搭建了燃烧实验平台，开展了不同工况下nAl的着火与燃烧过程的实验研究。实验结果表明，nAl的燃烧过程呈现为表面上某一点先着火，随后火焰迅速向四周蔓延，直至整个表面被引燃。燃烧过程中无明显火焰，而是发出明亮的白光。当环境气体为O2/N2时，随着氧气浓度的增加，着火延迟时间越来越短。当环境气体为CO2时，着火延迟时间与氧气浓度为10wt.%~20wt.%相近。环境温度上升至1000℃，着火延迟时间迅速降低。在1000℃下，nAl燃烧过程发光强度（Lf）的平均值以及峰值随着氧气浓度的增加逐渐上升。

图2 燃烧实验平台

图3 不同氛围下nAl的燃烧过程

（3） 空气氛围以及环境温度为900℃条件下，在燃烧实验平台上，研究不同添加剂对nAl着火与燃烧过程的影响。研究发现，Cu、Fe2O3和CuO的加入可以大幅缩短nAl的燃烧持续时间，且燃烧过程中产生的光线十分明亮。随着混合样品中Cu、Ni和Mo含量的增加，nAl的着火延迟时间与燃烧持续时间都有所下降，而Mg的加入则相反。

图4 向纳米铝中添加Fe2O3和CuO的燃烧过程

（4） 结合原位资源利用技术，在燃烧实验平台上，研究CO2氛围、环境温度为900℃时，不同比例nAl/Mg混合样品着火与燃烧过程的变化。结果表明，当混合样品中Mg的含量在10wt.%~40wt.%之间时，燃烧持续至中期时燃烧剧烈程度存在先降低后升高的过程，说明Mg和nAl的燃烧并不完全同步。随着Mg含量的增加着火延迟时间先降低后升高。向nAl中加入适量的Mg粉，可以延长其燃烧持续时间，促进燃烧过程，这种促进作用在Mg的含量为30wt.%时达到最佳。

（5） 利用XRD、扫描电子显微镜-X射线能谱仪（SEM-EDS）对燃烧产物的微观形貌、微表面元素分布以及晶体结构进行检测分析。结果表明，当环境温度由800℃上升至1000℃时，燃烧产物中α-Al2O3含量越来越多。nAl、nAl+20wt.% MgO、nAl+20wt.% SiO2的燃烧产物呈松散分布，而nAl+20wt.% CuO和nAl+20wt.% Fe2O3的燃烧产物粒度较大。Cu被氧化为氧化亚铜、铝化铜和铝酸铜。在混合样品中加入Ni后，可以在产物中观察到Ni和NiO峰。当添加剂为Mo时，其与空气中的氧和铝反应生成钼酸铝。Mg粉燃烧后产生的MgO更不容易发生团聚现象。不同添加剂的加入对nAl燃烧过程中的团聚现象并没起到明显的改善作用。