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鋁粉生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用前景分析

2022-10-21 08:46趙寅星馬社俊聶中奎朱莉莉彭欣潔
世界有色金屬 2022年14期
關(guān)鍵詞:粉體霧化鋁合金

趙寅星,馬社俊,聶中奎,朱莉莉,彭欣潔,彭 建

(1.河南省高技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心,河南 鄭州 450003;2.河南省遠洋粉體科技股份有限公司,河南 長垣 453431;3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院機械傳動國家重點實驗室,重慶 400044)

鋁及鋁合金粉是以鋁為主要元素,根據(jù)不同的用途適當(dāng)加入其他合金元素加工制備而成的金屬粉末,其顆粒外形尺寸通常小于1000μm。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2085-2007,鋁粉分為空氣霧化鋁粉、球磨鋁粉、粉碎鋁粉和氮氣霧化鋁粉四類。鋁粉具有優(yōu)良的抗耐腐蝕性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和塑性等優(yōu)點,在航空航天、武器裝備、化工、汽車制造、鑄造、粉末冶金、3D打印、醫(yī)藥用品、鋁電解電容器陽極箔、金屬顏料、電子漿料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用并呈加速擴大的趨勢[1,2]。

鋁粉生產(chǎn)制備工藝技術(shù)有多種,包括沖擊粉碎法、球磨法和霧化法等,本文主要對國內(nèi)外鋁粉制備和應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進行綜述,對鋁粉的各種制備工藝和應(yīng)用前景進行分析介紹。

1 鋁粉制備和應(yīng)用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

歐美國家對于鋁粉的生產(chǎn)制造和應(yīng)用發(fā)展研究起步較早,鋁粉的工業(yè)化生產(chǎn)歷史已超百年[3]。國內(nèi)外至今仍保持著對鋁粉研發(fā)的高度關(guān)注。Jing等人[4]對微米級片狀和球形鋁粉的著火特性和爆炸機理進行了實驗測量和統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)添加鋁粉可以增加燃燒系統(tǒng)的能量,利用球磨技術(shù)可將球形鋁粉壓片,去除顆粒表面的氧化層,提高材料反應(yīng)活性。但因鋁粉的表面效應(yīng)對加劇爆炸危險有顯著影響,片狀鋁粉的最大爆炸壓力上升率是球形鋁粉的4.19倍。王路路等人[5]研究發(fā)現(xiàn)立式球磨機對提高球形鋁粉活性的最佳條件為攪拌轉(zhuǎn)速1100r/min,研磨時間4h,助磨劑占鋁粉質(zhì)量比4%;所制備的活性鋁粉粒徑D50為1.108μm,片狀活性鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)由90.42%增加到98.42%。Azarhomayun等人[6]研究鋁粉對混凝土干縮、開裂特性和力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)鋁粉的使用幾乎消除了混凝土的自由收縮,其抑制干燥收縮的效果增加了18%,最大裂縫寬度和最終裂縫面積分別減少了2.67%和27%。劉建良等人[7]研究活化單質(zhì)鋁粉的性能與急冷霧化工藝的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)多級急冷霧化制粉過程,工藝參數(shù)改變,如霧化壓力、霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、熔體過熱度等,都會引起粉體粒度的變化。當(dāng)霧化壓力3.5MPa,霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為6000r/min,含氧率小于0.1%時,鋁粉粒度可控制在10μm左右且形狀接近球狀。

國內(nèi)近期大量的相關(guān)研發(fā)更多集中在鋁粉應(yīng)用。Peng等人[8]利用激光沖擊小規(guī)模動態(tài)壓實粉末的新方法,發(fā)現(xiàn)隨著激光能量的增加,鋁粉壓坯的力學(xué)性能逐漸提高。在1800mJ激光能量下,成功壓成了幾乎完全致密的鋁壓塊,最終相對密度為99.72%,壓塊的顯微硬度更是提高近60%。Men等人[9]通過將溶膠-凝膠法、親核反應(yīng)和原位聚合法結(jié)合制備彩色鋁顏料,此鋁顏料具有較高的色牢度和耐腐蝕性以及鮮艷的色彩,使得彩色鋁顏料在高性能彩色耐腐蝕涂料中凸顯應(yīng)用潛力。王延銘等人[10]采用粉末冶金的方法將鋁粉添加到低溫陶瓷結(jié)合劑中,使低溫陶瓷的抗折強度和平均抗沖擊強度分別提高42%和414%。李君君等人[11]將金屬鋁粉、納米Al2O3粉引入基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑中,研究發(fā)現(xiàn)添加金屬鋁粉的陶瓷結(jié)合劑CBN復(fù)合材料抗折強度隨燒結(jié)溫度升高而提高,金屬鋁粉和納米Al2O3粉的復(fù)摻有利于玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鍵合。管東波等人[12]通過添加一定量的金屬鋁粉和多孔粉體至聚丙烯(PP)中,當(dāng)金屬鋁粉和多孔粉體的添加量分別為2wt%和9wt%時,復(fù)合材料具有較好的綜合性能,材料的拉伸強度、拉伸強度和球壓痕硬度同時改善。

2 鋁粉生產(chǎn)技術(shù)

鋁粉制備技術(shù)經(jīng)過一百多年的研究發(fā)展,在規(guī)?;a(chǎn)方面已形成搗沖法、球磨法、霧化法等多種成熟工藝。

2.1 搗沖法

早期的鋁粉生產(chǎn)方式是“搗沖法”,把鋁碎屑放在搗沖機的凹槽內(nèi),搗杵在機械帶動下連續(xù)沖打凹槽內(nèi)的鋁屑,具有延展性的鋁在沖擊下逐漸變成薄片并且破碎,當(dāng)鋁屑變得非常微薄細小后,再篩選出符合要求的鋁粉作為產(chǎn)品。搗沖法缺點是生產(chǎn)效率很低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,且生產(chǎn)過程中粉塵很多、容易起火和爆炸。

2.2 球磨法

在1867年,德國Hamtag使用密閉的球磨機生產(chǎn)制造片狀鋁粉。球磨法因生產(chǎn)能力大且過程容易控制,使大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成為可能,因此機械球磨法逐漸發(fā)展成為鋁粉生產(chǎn)的主要方式。鋁粉生產(chǎn)工藝與過程由球磨機的結(jié)構(gòu)尺寸、研磨介質(zhì)種類和運動方式?jīng)Q定,通常在鋼制回轉(zhuǎn)圓筒中放入鋁塊、鋼球或鋼鍛件等研磨介質(zhì),由圓筒旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的研磨和沖擊將鋁塊粉碎成粉體[13]。

球磨法一般分為干法球磨和濕法球磨。干法球磨的原理是在水平球罐中裝入磨球、待加工原料、助劑等在惰性氣氛保護下,開機研磨制取份體。張紹波等人[14]通過干法球磨制取片狀鋁粉中,初始8h鋁屑在鋼球作用下細碎成層狀鋁粉,經(jīng)16h形成單層片狀鋁粉,25h獲得超細鋁粉。采用d=16mm鋼球比采用d=8mm鋼球球磨效率更高,在球磨過程中適當(dāng)停機冷卻獲得鋁粉平均粒徑更小。一般來說,用于指紋鑒定和加氣節(jié)能混凝土的鋁粉常用干法球磨制得。干法球磨由于鋁粉在空氣中急劇氧化易產(chǎn)生爆炸,參數(shù)難以確定,國內(nèi)在這方面開展的工作相對較少,但用干法球磨生產(chǎn)鋁粉有比用濕法球磨成本低、流程簡單、生產(chǎn)的鋁粉活性更大等優(yōu)點。

濕法球磨是將球形或類球形金屬粉末、研磨介質(zhì)、助劑及溶劑加入球磨機中將前軀體金屬粉擠壓成片狀[15]。濕式球磨法在金屬片狀加工過程的能量由球磨機中的磨球與原料粉體的撞擊和摩擦提供。隨著球磨時間的增加,原料粉體的表面積和比表面能隨之增加,粉體顆粒的團聚會有自動降低比表面能的趨勢,加入一定量的球磨助劑可降低比表面能,阻止顆粒之間的團聚。因此,球磨過程中球磨機轉(zhuǎn)速、球磨時間和球磨助劑的性質(zhì)對產(chǎn)品各項指標(biāo)有重要影響。丁心雄等人[16]采用濕式球磨法制備鱗片狀鋅鋁合金,發(fā)現(xiàn)當(dāng)以球磨時間為9h、球磨機轉(zhuǎn)速為600r/min、以含二乙醇胺-馬來酸酐共聚物的復(fù)合助磨劑為球磨助劑(添加量為原料的2.5%)時,所制備的鱗片狀鋅鋁合金的片狀化程度良好,光亮度高,徑厚比為36,粒徑分布均勻,平均粒徑在9μm左右,能夠滿足富鋅鋁涂料要求。濕法球磨制備的片狀粉體相對干法制備而言,工藝稍微復(fù)雜,但所需的設(shè)備簡單,產(chǎn)品均勻性好,含氧量低,合格率高。

2.3 霧化法

當(dāng)前,金屬粉末產(chǎn)品采用霧化法生產(chǎn)占比很大,北美生產(chǎn)的60%以上的金屬粉末是通過霧化法生產(chǎn)的。霧化法生產(chǎn)金屬粉末,可分為水霧化、氣體霧化、離心霧化和等離子霧化這四種方法[17],如圖1所示。霧化法是將液體分解成細小液滴再凝固成顆粒的過程,與其他粉末生產(chǎn)的機械或化學(xué)方法相比,能夠控制粉末的生產(chǎn)速率和所需物理特性。

鋁粉霧化工藝流程如圖2所示[18],將一定品位的鋁錠預(yù)熱后投入已升溫好的加熱爐中,待鋁錠化成熔體并達到一定的溫度后,在高壓氣流的作用下將熔體經(jīng)霧化器噴嘴呈霧狀噴出,經(jīng)冷卻后形成不同尺寸顆粒混合的原粉,再經(jīng)篩分來獲取不同顆粒大小規(guī)格的鋁粉產(chǎn)品。

圖1 四種不同的商業(yè)霧化方法示意圖[17]:(a)氣體霧化的頂端,(b)水霧化,(c)等離子體霧化,(d)等離子體旋轉(zhuǎn)電極過程(PREP)

圖2 鋁粉霧化工藝流程圖[18]

氣體霧化法[17]是獲得接近球形粉末的傳統(tǒng)制造工藝,在1872年由英國人Marriott首次獲得專利,使用蒸氣作為熔融材料的霧化氣體。該方法首先是在陶瓷坩堝或水冷銅坩堝中使用電弧或感應(yīng)線圈熔化合金原料錠,并在此狀態(tài)下保持一段時間使熔體加熱均勻,然后,將熔體以自由落體方式倒入,或通過具有高壓差的密閉耐火噴嘴噴射進入霧化室,再由霧化的金屬液滴冷卻后形成粉末顆粒。高速噴射的霧化氣體通常采用氬氣或氮氣,也可選用空氣或氦氣。霧化氣體的選擇取決于粉體成品的性能要求,氣體成本、導(dǎo)熱性以及與金屬熔體是否發(fā)生反應(yīng)。鋁粉的工業(yè)生產(chǎn)仍主要采用二戰(zhàn)期間發(fā)明的空氣霧化法,并持續(xù)發(fā)展優(yōu)化。常政剛等人[19]研究發(fā)現(xiàn)霧化氮氣壓力是影響鋁粉顆粒大小的重要因素,霧化壓力越大,鋁粉的平均粒徑越小。

氣體霧化法具有工藝過程簡易、生產(chǎn)成本較低的特點,然而生產(chǎn)效率不高,高品質(zhì)球形鋁粉制備難度大,并且生產(chǎn)過程比較危險,容易發(fā)生爆炸。

水霧化法[20]是將金屬熔體液從漏包的底部小孔沿著環(huán)形噴嘴中心孔軸線自由落下,高壓水由環(huán)形噴嘴高速噴出并揚成一定的噴射角,而環(huán)形氣流形成封閉的圓錐形區(qū)域,于頂點交匯后又散開,如圖3所示。金屬熔液在高速液流作用下分成負壓紊流區(qū)、原始液滴形成區(qū)、有效霧化區(qū)、飛行冷卻凝固區(qū)、顆粒急冷區(qū)5個區(qū)域。解傳娣等人[21]采用霧化工藝制備了鋁粉,發(fā)現(xiàn)保持其他霧化工藝參數(shù)不變,適當(dāng)?shù)奶岣咚膲毫κ逛X粉細粉量增加、粉末松裝密度變大、流動性提高;而隨著漏嘴直徑的減小,鋁粉的細粉率有一個最大值;最佳霧化參數(shù)為熔融合金溫度950℃,水壓15MPa,漏嘴直徑5mm。

圖3 水霧化過程示意圖[20]

等離子霧化是由Pyr-GanesisInc公司和Hydro-Quebec(LTEE)公司聯(lián)合開發(fā)的一種專利技術(shù)[22]。等離子體加熱法是利用等離子體對鋁源(鋁棒材或粗大鋁顆粒)的加熱作用,使其經(jīng)熔化、氣化、冷凝過程形成超細粉。等離子體工藝的生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單,獨特的優(yōu)點是所得到的粉末顆粒是高度球形化且沒有伴生組織,主要源于等離子噴嘴的聚合作用形成長擴展熱區(qū),使金屬液滴保持足夠長時間的熔融狀態(tài),從而憑借其表面張力作用形成理想球體。李明利等人[23]通過等離子霧化工藝成功制備粒徑為0.1~10μm的超細鋁粉,獲得的鋁粉結(jié)晶度和純度更高,具有更大的活性;并對制備納米鋁粉時防止粉體“拖尾”現(xiàn)象和不規(guī)則絮狀物產(chǎn)生進行了介紹。

2.4 鋁合金粉制備技術(shù)

微細球形鋁合金粉主要采用氣體霧化法制備,該方法也被稱為快速凝固法,液態(tài)快速凝固可以顯著細化晶粒、減少偏析、增加固溶度、產(chǎn)生新的亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu),能顯著改善工程材料的機械特性[24]。微細球形鋁合金粉生產(chǎn)過程的熔煉、霧化制粉、冷卻及分級采用全封閉的氮氣保護,防止空氣進入系統(tǒng),保證了生產(chǎn)安全,同時也有利于提高鋁合金細粉的回收率。實踐中通過對各項參數(shù)(如霧化噴嘴結(jié)構(gòu)和類型、霧化氣體壓力和速度,霧化氮氣質(zhì)量等)的反復(fù)試驗來獲得適合的粒徑范圍。

袁曉光[25]等應(yīng)用聯(lián)合氣體霧化和離心盤霧化法制備Al-Si合金粉末平均粒徑為14μm,但顆粒直徑小于40μm的粉末占60%,并且顆粒外形極不規(guī)則。米成群[26]等制得的微細球形含銅高硅高耐磨鋁硅合金粉末,其粒徑范圍在20~60μm之間,含氧量0.41%,Cu元素加入是用作合金變質(zhì)劑,減少初生Si相的數(shù)量和尺寸。董仁安[27]等以99.85%以上高純鋁和其它高純度合金元素單質(zhì)為原料,運用高純氮氣在系統(tǒng)中的高速循環(huán)流動迅速冷卻,收集得到粉末粒徑在1~20μm范圍的球形鋁合金粉。在鋁合金體系中,ALSi12、ALSi10Mg等AL-Si合金應(yīng)用于增材制造零件技術(shù)相對比較成熟,已實現(xiàn)部分工程化應(yīng)用,但AL-Si系合金增材制造零件的力學(xué)性能不高,不能滿足高強度應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

也有研究表明添加少量元素Mg、Mn和輕稀土元素Er、Zr、Ti等,經(jīng)過均勻化處理得到待霧化合金,采用高溫霧化介質(zhì)進行超音速霧化處理可得到優(yōu)質(zhì)粉末,能夠有效抑制AlMg合金3D打印過程中的裂紋,并且具有顯著的細晶和沉淀強化效果[28,29]。

鋁合金粉制備中存在的技術(shù)難題包括鋁粉易氧化、流動性難以實現(xiàn)以及熱成型性差等,在一定程度上阻礙了3D打印在航空、汽車批量生產(chǎn)中輕量化應(yīng)用。解決這些問題對于提高3D打印時的鋪粉效果、打印件的性能、豐富鋁合金3D打印粉末體系至關(guān)重要。許多文獻、專利公開了一些制粉方法和鋁粉用作3D打印粉的通用成分,但并未篩選優(yōu)化粉末材料的組成與配比,粉體中的氧含量相對較高、流動性不佳、熱成型性問題沒有很好的改善,未見有規(guī)?;苽涑⒓氫X合金粉(20μm以下)的工藝。

3 鋁粉應(yīng)用前景分析

隨著國際競爭的加劇、國內(nèi)科技進步及產(chǎn)業(yè)化升級的加快,以微細球形鋁粉為原料的軍民兩用產(chǎn)品市場不斷擴大,微細球形鋁粉的制備技術(shù)也成為一種常見的金屬粉體材料生產(chǎn)技術(shù)。同時,鋁及鋁合金粉產(chǎn)品在輕量化金屬零部件、金屬顏料、電子漿料、耐火材料、固態(tài)儲氫材料、高能燃料和軍工生產(chǎn)等領(lǐng)域也將具有更為廣闊的應(yīng)用前景(如圖4)。

圖4 鋁及鋁合金粉主要應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 金屬顏料

作為常規(guī)工業(yè)原料,隨著鋁粉加工技術(shù)的更新迭代,其使用范疇也隨之?dāng)U大。但僅僅是超細粉碎和分級技術(shù)現(xiàn)已無法達到終端制品對性能的要求,工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的升級,需要鋁粉材料具有超細粒度(如微納米級)和更均勻的粒度分布;同時,需要強化對粉體內(nèi)在因素(如成分、結(jié)構(gòu)、形貌)的控制,以滿足鋁顏料某些特別性能的要求。鋁粉微細化及純化已成為行業(yè)未來總體的發(fā)展方向,例如,納米片狀鋁粉材料具有極小的徑厚度(30nm~50nm),從而徑厚比遠高于傳統(tǒng)片狀鋁粉,使其具有更強的光反射能力,并且在涂料中能夠均勻水平分布,與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比,微細化鋁粉顏料保護和裝飾效果更佳。目前,由于生產(chǎn)過程的高度危險性,納米片狀鋁粉顏料的生產(chǎn)工藝仍處于研發(fā)階段,并沒有進入工業(yè)化應(yīng)用。

鋁粉顏料產(chǎn)品將向環(huán)保型、水性化等環(huán)境友好方向發(fā)展。隨著國內(nèi)生態(tài)意識的增強和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格,更環(huán)保的水性涂料將逐步取代傳統(tǒng)的溶劑型涂料。傳統(tǒng)鋁顏料制品用作水性涂料時,未經(jīng)處理的片狀鋁粉將會同水分子反應(yīng)生成大量的氫氣,降低涂料的金屬光澤和耐候性,因此盡管國際上鋁粉水性涂料已有近70年的發(fā)展歷史,但其新產(chǎn)品研發(fā)仍在繼續(xù)。我國對鋁粉水性顏料的研發(fā)還處于起步階段,能夠生產(chǎn)高端水性鋁顏料的企業(yè)寥寥無幾,產(chǎn)品的品質(zhì)以及生產(chǎn)效益也較低[30]。

3.2 電子漿料

電子漿料是制造電子元器件的基礎(chǔ)材料之一,是一種新型材料。電子漿料產(chǎn)業(yè)鏈的上游產(chǎn)品,主要是以銀粉、鋁粉等金屬粉末以及陶瓷粉、玻璃粉等無機粉體為原材料。太陽能電池背場用鋁漿是新興的球形鋁粉需求市場,對鋁粉需求量較大,性能要求較高,價格也高,球形鋁粉粒徑D50范圍為1~10μm。雖然太陽能漿料需求巨大,但國內(nèi)部分高端市場份額仍被國外企業(yè)所占領(lǐng),因為盡管背銀和背鋁漿料已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化,但與國際領(lǐng)先水平相比依舊存在較大差距。其次,技術(shù)壁壘高、附加價值更高的正銀漿料主要被杜邦、賀利氏、三星和臺灣和碩等企業(yè)壟斷,這四家企業(yè)占據(jù)了全球90%的電子漿料市場;國內(nèi)僅有部分企業(yè)處于研發(fā)與小批量生產(chǎn)階段,還未達到大規(guī)模生產(chǎn),因此電子漿料國產(chǎn)化潛力巨大,可為對應(yīng)的鋁粉產(chǎn)品國產(chǎn)化提供較大空間。

市場上,鋁電解電容器陽極箔的生產(chǎn)目前有兩種工藝。一種是采用減材生產(chǎn)的方式,對高純鋁光箔進行化學(xué)腐蝕發(fā)坑處理以增加比表面積,在制造方面要求“兩高一薄”,即高純、高立方織構(gòu)和薄的表面氧化膜;另一種采用增材制造的方式,將鋁粉漿料涂覆堆砌(也稱涂覆工藝)在減薄的鋁箔表面,依靠鋁粉層的表面起伏來增加陽極箔比表面積。增材制造方式是近年來研發(fā)應(yīng)用的新興工藝技術(shù),與傳統(tǒng)電化學(xué)腐蝕技術(shù)獲得的陽極箔相比,鋁箔兩邊堆砌的鋁粉表面積更加均勻,避免了傳統(tǒng)腐蝕技術(shù)鋁箔內(nèi)外層孔洞的表面積分布不均的缺點,能夠更好地實現(xiàn)鋁電解電容器的輕量化和高比電容,并減少傳統(tǒng)工藝可能帶來的環(huán)境污染。國際上,運用漿料涂覆堆砌制備鋁電解電容器陽極箔的技術(shù)主要掌握在日本東洋鋁株式會社等少數(shù)跨國公司,雖然近幾年國內(nèi)科研工作者在新型鋁電解電容器陽極箔制備技術(shù)等方面取得了眾多研究成果,但總體上工程化應(yīng)用仍處于起步階段??傊?,在國家“雙碳”戰(zhàn)略的背景下,未來10年,電極箔市場需求將隨著光伏產(chǎn)業(yè)、新能源汽車等新興市場帶來約100億元/年的增長。

3.3 固體燃料

固體燃料推進器可作為火箭、導(dǎo)彈及各種固體發(fā)動機的能量源,其能量轉(zhuǎn)換效率對航空航天器的推力、續(xù)航和武器裝備的作戰(zhàn)能力起關(guān)鍵作用。鋁粉已經(jīng)成為固體推進器里常用的添加原料,除了能起到提升發(fā)動機理論比沖、推進劑密度和燃燒溫度的作用,還可減緩高頻聲不穩(wěn)定燃燒。微米級鋁粉添加至固體推進劑中能顯著提高推進劑的能力水平,然而微米級鋁粉在燃燒時易凝聚,留下的殘渣堆積在發(fā)動機中,會使燃燒效率和發(fā)動機的有效載荷均降低。因此,削弱鋁粉凝聚是提高鋁粉燃燒效率的重要課題,工業(yè)上使用納米級鋁粉將其替代從而改善凝聚現(xiàn)象已得到證實,且具有重要的實用價值。

鋁粉作為高能燃料,已經(jīng)廣泛用于火炸藥領(lǐng)域。相比普通炸藥,含鋁粉炸藥可反應(yīng)釋放更高的爆熱,能大幅度增強炸藥的殺傷力和有效射程。納米鋁粉的出現(xiàn)賦予了鋁粉添加劑在溫壓炸藥和增強爆炸炸藥上的應(yīng)用潛能,混合炸藥成分中加入納米鋁粉,可增加其密實度和比表面積,進而在不改變材料能量密度的前提下,能夠顯著改善炸藥的爆炸性能。

固態(tài)儲氫含能材料的開發(fā),相對于高壓氣態(tài)儲氫和低溫液化儲氫,是通過氫與材料間的相互作用形成固溶體或氫化物的固態(tài)氫儲存,由于其具有好的安全性和高的能量密度,被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的儲氫技術(shù)之一。以鋁粉為原料的金屬鋁氫化物(如α-三氫化鋁AlH3)及其復(fù)合儲氫材料,具有貯氫密度高、安全高效及環(huán)境友好等優(yōu)點,可作為航空航天推進器高能添加劑、新型軍工特能材料等,但因生產(chǎn)工藝技術(shù)復(fù)雜,目前仍處于試驗研究和應(yīng)用探索階段。

3.4 耐火材料

基于氮氣霧化鋁粉生產(chǎn)耐火材料也是未來鋁粉市場拓展的主要方向之一。目前,耐火材料用鋁粉主要為空氣霧化鋁粉,粒徑在100μm以上,價格便宜,但規(guī)則度差、抗氧化能力不強,造成生產(chǎn)的耐火材料性能不佳、廢品率高。與空氣霧化鋁粉相比,氮氣霧化鋁粉粒徑小且均勻,性能更佳,制成的耐火磚與陶瓷材料硬度高及尺寸穩(wěn)定性更好,質(zhì)地精良,但造價成本也更高,現(xiàn)階段還未得到市場廣泛認(rèn)可。同時,氮氣霧化鋁粉球形度和致密度高,能夠避免加熱過程中被點燃和氧化,并提高耐火材料的熱穩(wěn)定性,利于安全生產(chǎn)。

3.5 輕量化金屬結(jié)構(gòu)件

“輕量化”是航空航天、新能源汽車、軌道交通等領(lǐng)域重點研究的方向,輕量化材料的使用是實現(xiàn)零部件輕量化的重要手段。傳統(tǒng)鋁合金加工技術(shù)主要采用熔煉、鑄造和鍛造等工藝,因無法有效解決合金成分組織均勻性問題,難以實現(xiàn)復(fù)雜精密鋁合金結(jié)構(gòu)件的性能要求和高效生產(chǎn)。粉末冶金及3D打印鋁合金結(jié)構(gòu)件可以做到零件致密、組織均勻,具有更加優(yōu)異的物理、化學(xué)及力學(xué)性能,因此,鋁合金3D打印技術(shù)和粉末冶金技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

3D打印和粉末冶金用粉末材料需滿足成分均勻、粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求,因此,高純鋁及高性能鋁合金粉的制備是3D打印和粉末冶金的關(guān)鍵。目前,國內(nèi)使用的高性能鋁合金粉末材料多依賴進口,種類有限,且價格昂貴,如何攻克制備關(guān)鍵核心技術(shù),降低3D打印及粉末冶金的整體成本,是其拓展應(yīng)用市場的重要前提。

4 市場展望

當(dāng)前,鋁粉在金屬顏料、電子漿料、固體燃料、耐火材料、武器裝備及輕量化金屬零部件等行業(yè)有著較大的發(fā)展?jié)摿?,并且需求量略大于供給量。同時,隨著科技進步推動鋁粉制品產(chǎn)業(yè)不斷升級,工業(yè)上對增強鋁粉的性能和制備技術(shù)有了更高的要求,因此,基于技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動提高鋁粉性能質(zhì)量和生產(chǎn)效益仍有較大發(fā)展空間;另外,隨著國際國內(nèi)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的加快、“雙碳”戰(zhàn)略的實施和下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,國內(nèi)鋁及鋁合金粉市場容量到“十五五”末可望突破100億元/年大關(guān)。

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