鋁熱劑

鋁熱劑中最常用的氧化鐵/鋁，磁鐵礦也工作。偶爾使用其他氧化物，例如錳鋁熱劑 ，鉻鋁熱劑 ，硅熱劑，或銅鋁熱劑，但僅用于專門目的。 所有這些實(shí)施例使用鋁作為反應(yīng)性金屬。含氟聚合物可用于特殊配方中，特氟隆與鎂或鋁是相對(duì)常見(jiàn)的實(shí)例。 干冰和還原劑如鎂，鋁和硼的組合遵循與傳統(tǒng)鋁熱劑混合物相同的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生金屬氧化物和碳。 盡管干冰鋁膏混合物的非常冷的溫度，但是這種系統(tǒng)能夠用火焰點(diǎn)燃。當(dāng)細(xì)分狀干冰鋁熱劑被傳統(tǒng)炸藥一樣限制在管中點(diǎn)燃時(shí)，將會(huì)爆炸，并且反應(yīng)中釋放的一部分碳以金剛石的形式出現(xiàn)。

原則上，可以使用任何活性金屬代替鋁。但是鋁的性質(zhì)對(duì)于該反應(yīng)幾乎是理想的：它是迄今為止最便宜的高反應(yīng)性金屬。它形成鈍化層，使其比許多其他活性金屬更安全。 其相對(duì)低的熔點(diǎn) （660℃）意味著易于熔融金屬，使得反應(yīng)主要在液相中發(fā)生，因此相當(dāng)快地進(jìn)行。其高沸點(diǎn)（2519℃）使得反應(yīng)達(dá)到非常高的溫度，因?yàn)閹讉€(gè)過(guò)程傾向于將最高溫度限制到剛好低于沸點(diǎn)。 這種高沸點(diǎn)在過(guò)渡金屬（例如，分別在2887℃和2582℃下沸騰的鐵和銅）中是常見(jiàn)的，但是在高反應(yīng)性金屬（沸點(diǎn)：鎂1090℃和鈉883℃）中并不常見(jiàn)。此外，由于反應(yīng)形成的氧化鋁的低密度趨于使其漂浮在所得純金屬上。 這對(duì)于減少焊縫中的污染是特別重要的。盡管反應(yīng)物在室溫下是穩(wěn)定的，但當(dāng)它們被加熱至著火溫度時(shí)，它們以極強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)燃燒。 由于達(dá)到高溫（高達(dá)2500°C，使用氧化鐵（III）），產(chǎn)品表現(xiàn)為液體 - 雖然達(dá)到的實(shí)際溫度取決于熱量能夠快速逃逸到周圍環(huán)境。 鋁熱劑有自己的氧氣供應(yīng)，不需要任何外部空氣源。 因此，在給定足夠的初始熱的情況下，其不能被窒息并且可以在任何環(huán)境中點(diǎn)燃。 它會(huì)在濕潤(rùn)時(shí)燃燒良好，不能用水輕易熄滅，雖然足夠的水會(huì)除去熱量并可能停止反應(yīng)。 少量的水在達(dá)到反應(yīng)前會(huì)沸騰。 即使如此，鋁熱劑也用于水下焊接。

該鋁合金的特征在于在燃燒期間幾乎完全沒(méi)有氣體產(chǎn)生，反應(yīng)溫度高。 燃料應(yīng)具有高的燃燒熱并產(chǎn)生具有低熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的氧化物。 氧化劑應(yīng)當(dāng)包含至少25%的氧，具有高密度，低形成熱，并且產(chǎn)生具有低熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的金屬（因此釋放的能量不會(huì)在反應(yīng)產(chǎn)物的蒸發(fā)中消耗）。 可以向組合物中加入有機(jī)粘合劑以改善其機(jī)械性能，然而它們傾向于產(chǎn)生吸熱分解產(chǎn)物，導(dǎo)致反應(yīng)熱的一些損失和氣體的產(chǎn)生。

反應(yīng)期間達(dá)到的溫度決定結(jié)果。 在理想情況下，反應(yīng)產(chǎn)生充分分離的金屬和爐渣的熔體。 為此，溫度必須足夠高以熔化反應(yīng)產(chǎn)物，所得金屬和燃料氧化物。 太低的溫度將導(dǎo)致燒結(jié)金屬和爐渣的混合物，太高的溫度 - 高于任何反應(yīng)物或產(chǎn)物的沸點(diǎn) - 將導(dǎo)致氣體的快速產(chǎn)生，分散燃燒的反應(yīng)混合物，有時(shí)甚至爆炸?？梢酝ㄟ^(guò)添加合適的氧化劑來(lái)提高太低的反應(yīng)溫度（例如當(dāng)從砂生產(chǎn)硅時(shí)），通過(guò)使用合適的冷卻劑和/或熔渣流量可以降低太高的溫度 。 通常在使用的助熔劑是氟化鈣，因?yàn)槠鋬H最低限度地反應(yīng)，具有相對(duì)低的熔點(diǎn)，在高溫下的低熔體粘度（因此增加爐渣的流動(dòng)性）并與氧化鋁形成共晶體。 然而，過(guò)多的助熔劑將反應(yīng)物稀釋至不能維持燃燒的程度。 金屬氧化物的類型也對(duì)產(chǎn)生的能量的量具有顯著的影響; 氧化價(jià)越高，產(chǎn)生的能量越高。 一個(gè)好的實(shí)例是氧化錳（IV）和氧化錳（II）之間的差異 ，其中前者產(chǎn)生太高的溫度，后者幾乎不能維持燃燒; 為了獲得良好的結(jié)果，應(yīng)該使用具有適當(dāng)比例的兩種氧化物的混合物。

反應(yīng)速率也可以用粒徑調(diào)節(jié); 較粗的顆粒比較細(xì)的顆粒燃燒得慢。 該效果對(duì)于需要加熱至較高溫度以開(kāi)始反應(yīng)的顆粒更顯顯著。在絕熱條件下 ，當(dāng)沒(méi)有熱量損失到環(huán)境中時(shí)，在反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)的溫度可以使用赫斯定律來(lái)估計(jì) - 通過(guò)計(jì)算由反應(yīng)本身產(chǎn)生的能量（從產(chǎn)物的焓中減去反應(yīng)物的焓）并減去加熱產(chǎn)品所消耗的能量（根據(jù)它們的比熱，當(dāng)材料僅改變它們的溫度時(shí)，以及它們的熔化焓和當(dāng)材料熔化或沸騰時(shí)的最終蒸發(fā)焓 ）。 在實(shí)際條件下，反應(yīng)對(duì)環(huán)境失去熱量，因此實(shí)現(xiàn)的溫度略低。 傳熱速率是有限的，因此反應(yīng)越快，越接近其運(yùn)行的絕熱條件，并且實(shí)現(xiàn)的溫度越高。

鍛接用鋁熱劑鐵鋁熱劑

最常見(jiàn)的組合物是鐵鋁熱劑。 所用的氧化劑通常是三氧化二鐵或四氧化三鐵 。 前者產(chǎn)生更多的熱量。 后者更容易點(diǎn)燃，可能是由于氧化物的晶體結(jié)構(gòu)。 添加銅或錳氧化物可以更容易點(diǎn)燃。

鍛接用鋁熱劑銅鋁熱劑

銅鋁熱劑可以使用氧化亞銅或氧化銅來(lái)制備。 燃燒速率非常快，并且銅的熔點(diǎn)相對(duì)低，因此反應(yīng)在非常短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熔融銅。 銅（II）鋁熱反應(yīng)可能如此之快，以致于銅鋁熱劑可以被認(rèn)為是一種閃光粉末 。 可能發(fā)生爆炸，并發(fā)送銅滴噴霧到相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。銅（I）鋁熱劑具有工業(yè)用途，例如焊接厚銅導(dǎo)體（“ 焊接 ”）。 這種焊接也被用于電纜拼接。

鍛接用鋁熱劑鋁熱燃燒劑

鋁熱燃燒劑是鹽基氧化劑（通常是硝酸鹽例如硝酸鋇，或過(guò)氧化物）的鋁熱劑。 與常規(guī)鋁熱劑相比，鋁熱燃燒劑燃燒時(shí)有火焰和氣體的放出。 氧化劑的存在使得混合物更容易點(diǎn)燃并改善燃燒物對(duì)靶的滲透，因?yàn)榉懦龅臍怏w噴射熔融爐渣并提供機(jī)械攪拌。這種機(jī)制使得鋁熱燃燒劑用于燃燒目的和用于敏感設(shè)備（例如密碼設(shè)備）的緊急破壞的熱固性材料更適合，因?yàn)殇X熱劑的效應(yīng)更局部化。 2100433B

鋁熱劑是把鋁粉和高熔點(diǎn)金屬氧化物（如三氧化二鐵粉末）按比例配成的混合物， 使用時(shí)加入氧化劑點(diǎn)燃，反應(yīng)激烈進(jìn)行，得到氧化鋁和單質(zhì)并放出大量的熱，溫度可到約2500℃，能使生成的單質(zhì)熔化。這個(gè)反應(yīng)叫做鋁熱反應(yīng)。鋁熱反應(yīng)原理可以應(yīng)用在生產(chǎn)上，例如焊接鋼軌等。用某些金屬氧化物（如V2O5、Cr2O3、MnO2等）代替氧化鐵，也可以做鋁熱劑。當(dāng)鋁粉跟這些金屬氧化物反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生足夠的熱量，使被還原的金屬在較高溫度下呈熔融狀態(tài)，跟形成的熔渣分離開(kāi)來(lái)，從而獲得較純的金屬。在工業(yè)上常用這種方法冶煉難熔的金屬，如釩、鉻、錳等。利用的是鋁被氧化時(shí)放熱。

目前國(guó)外的固體火箭燃料也有使用鋁熱反應(yīng)的原理。教材上對(duì)鋁熱劑的敘述有兩處，其一是說(shuō)“通常把鋁粉和氧化鐵的混合物叫鋁熱劑”，其二是講“用某些金屬氧化物（如V2O5，Cr2O3，MnO2等）代替氧化鐵也可以做鋁熱劑”。即可以發(fā)生鋁熱反應(yīng)的混合物稱之為鋁熱劑。這就是說(shuō)明作為鋁熱劑重要組成的金屬氧化物，并非泛指所有金屬氧化物，而是有—定范圍的，即指那些難熔的金屬氧化物。而這些難熔的金屬氧化物和混合物中的鋁反應(yīng)時(shí)放出大量熱，也是構(gòu)成鋁熱反應(yīng)的一個(gè)重要條件。有些金屬氧化物，不能與鋁反應(yīng)，或放出的熱不多，均不能做鋁熱劑使用。

鋁熱反應(yīng)需要高溫來(lái)引發(fā)，可在混合物粉末上插一根鎂條做引信（可混入適量氯酸鉀幫助鎂條燃燒，高錳酸鉀、硝酸鉀等氧化劑也可助燃；過(guò)氧化鋇也可，但煙有毒）。高錳酸鉀和甘油的混合物緩慢放熱，也可以做引發(fā)劑(高錳酸鉀和葡萄糖的混合物亦可，點(diǎn)燃后劇烈反應(yīng)并引發(fā)鋁熱反應(yīng))。丙烷槍也可以提高引發(fā)反應(yīng)所需的高溫。反應(yīng)開(kāi)始后會(huì)劇烈放熱，火花四濺，溫度極高，所以點(diǎn)火時(shí)要注意安全。