Применение алюминиевых порошков

Химическая активность, относительные доступность и низкая стоимость алюминия делают его привлекательным материалом для разных областей применения. В следующих разделах дается краткий обзор применения порошков и частиц в металлургии, химии, производстве взрывчатых веществ и других областях.



Алюминиевые частицы находят применение в металлургической промышленности в четырех случаях:

1) в алюминотермии;

2) в качестве легирующих добавок;

3) для изготовления полуфабрикатов и деталей путем прессования и спекания;

4) для изготовления изделий из порошков, полученных механическим легированием.

Алюминотермия используется в основном в реакциях восстановления и как процесс, идущий с выделением тепла.

Реакции восстановления применяют в практике рафинирования и приготовления ферросплавов, содержащих восстановимые формы оксидов молибдена, ниобия, вольфрама, ванадия и титана. Существенным преимуществом является экзотермический (самоподдерживающийся) характер алюминотермических реакций. При этом удается избежать присутствия других восстановителей, таких как углерод и кремний. К процессам, протекающим с экзотермическими реакциями, относятся установка прибыльных надставок, экзотермическая сварка, локализованный нагрев с целью отжига или снятия напряжений, резка кислородно-ацетиленовой горелкой или огневая резка неокисляющихся огнеупорных материалов типа кирпича или бетона.

Легирующие добавки. Алюминий в качестве легирующей добавки вводят либо в виде порошка предварительно приготовленного сплава, либо в форме компактированного брикета, состоящего из смеси порошков составляющих элементов. Второй вариант имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным способом введения добавок в расплав за счет более высокой чистоты отдельных составляющих. Соотношение компонентов легко регулируется, а выбор строгих размеров брикета позволяет более точно контролировать содержание легирующих элементов.

Химическая промышленность ежегодно потребляет тысячи тонн порошка алюминия различной чистоты. Сложность процессов, в которых алюминиевый порошок используют для синтеза металлоорганических соединений и катализа, не позволяет подробно рассмотреть их в данной главе. Предпочтительное применение алюминиевых порошков (а не слитков) в химической промышленности объясняется тем, что порошки имеют большую площадь поверхности, а также возможностью получения частиц различных размеров для обеспечения высоких скоростей реакции. При изготовлении порошка из алюминиевых слитков высокой чистоты удается достичь минимального загрязнения металлическими примесями. Алюминиевый порошок применяют при получении ряда соединений алюминия: алкилов алюминия, хлористого гидроксида алюминия, безводного хлористого алюминия, алкоголятов алюминия и в реакциях с образованием водорода. Полученные соединения алюминия используют на промежуточных или конечных стадиях производства моющих средств, пластификаторов, в качестве катализаторов при полимеризации и при изготовлении дезодорантов.



Алюминиевый порошок часто добавляют во взрывчатые вещества и ракетные твердые топлива. При реакции окисления алюминия никаких газообразных продуктов не образуется, однако очень высокая теплота образования оксида алюминия приводит к значительному увеличению тепловыделения, вследствие чего летучие компоненты приобретают более высокую температуру. Этот эффект используют как в жидких взрывчатых веществах, так и в твердых топливах.

Жидкие взрывчатые вещества. Жидкие взрывчатые вещества представляют собой насыщенные водные растворы (~65 %) нитрата аммония или других нитратов. Обычно в композицию взрывчатых веществ входят и другие топлива, например нефть и растворимые гликоли, но алюминий является самой важной составляющей в системе. В состав топлива могут входить также загустители и вещества, образующие поперечные связи для уменьшения избыточного потока в запалы или сохранения жесткой трубчатой формы снаряда. Легкость воспламенения этих веществ может быть значительно повышена добавками нескольких процентов алюминиевого мелкодисперсного порошка чешуйчатой формы или специальными органическими добавками.

Топлива. Алюминиевый порошок был и остается одним из главных компонентов твердых топлив, используемых в ракетах и снарядах. Топлива, в которых алюминиевый порошок является основной составной частью, называются смесями. Смесь содержит окислитель (обычно перхлорат аммония), связующее (обычно полимер), добавки, контролирующие и стабилизирующие процесс горения, и алюминиевый порошок. Смеси обычно либо заливают в камеру сгорания, либо заправляют двигатель таблетками из прессованной смеси. Скорость горения и развиваемая тяга определяются составом топлива, формой, в которой оно присутствует в двигателе, конструкцией камеры сгорания и соплового аппарата. В таких системах крайне важен размер частиц алюминиевого порошка, поскольку от этого зависят плотность и реологические характеристики топлива и, в конечном счете, весь процесс горения.



Алюминиевые порошки имеют ряд особенных качеств - приятный цвет, способность к деформации, высокую теплопроводность и коррозионную стойкость. Деформированные порошки в виде тонких чешуек, полученных в шаровых мельницах, широко используют в качестве пигмента в покрытиях для окраски оборудования, красках для крыш, бумаги в полиграфии. Пигментные порошки высокой чистоты с частицами чешуйчатой формы широко используют во всем мире в автомобильной промышленности и других областях, где необходимо получение красивой блестящей поверхности. Алюминиевые порошки применяют в производстве неметаллических материалов, например в качестве наполнителей для клеев, литьевых компаундов на эпоксидной основе, холодных припоев и для изготовления защитных оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) в атомной технике.

Стойкость чугуна и стали к атмосферной коррозии повышают металлизацией алюминием. Стальная проволока, плакированная алюминием, изготавливается путем холодной прокатки с последующей горячей прокаткой заготовки с нанесенным порошком. Существуют и другие методы получения порошкового покрытия, например нанесение порошка с последующей термодиффузионной обработкой или высокотемпературное напыление с применением специального оборудования для распыления.