پودر آلومینیوم در باتری لیتیومی (به ویژه در باتری لیتیوم-یونی و باتری لیتیوم-آلومینیومی) به عنوان یک ماده کلیدی در بهبود عملکرد، پایداری و ظرفیت انرژی استفاده می شود. در زیر به کاربردها، مکانیسم ها و مزایای پودر آلومینیوم در این باتری ها پرداخته می شود:

1. کاربرد پودر آلومینیوم در باتری لیتیوم-یونی (Li-ion)

 الف) جمع کننده جریان (Current Collector) در کاتد 

• آلومینیوم به دلیل رسانایی الکتریکی بالا (۶۱٪ IACS) و مقاومت در برابر اکسیداسیون، به عنوان ماده اصلی جمع کننده جریان در کاتد (الکترود مثبت) استفاده می شود.
• پودر آلومینیوم در تولید فویل  نازک (ضخامت ۱۰–۲۰ میکرون) به کار میرود که به عنوان بستر برای پوشش مواد فعال کاتدی (مانند LiCoO₂، LiFePO₄) استفاده می شوند.

مزایا: 

• کاهش وزن باتری به دلیل چگالی پایین آلومینیوم.
• جلوگیری از خوردگی در محیط با ولتاژ بالا.

 ب) افزودنی رسانا در الکترودها 

• پودر آلومینیوم به عنوان ماده رسانای الکتریکی در ترکیب با مواد فعال کاتدی یا آندی (مانند گرافیت) استفاده می شود.
• ذرات ریز آلومینیوم (زیر ۵۰ میکرون) شبکه رسانایی در الکترود ایجاد می کنند و مقاومت داخلی باتری را کاهش می دهند.

 ج) پوشش حفاظتی برای آند 

• در باتری پیشرفته (مانند باتری حالت جامد)، پودر آلومینیوم به عنوان پوشش محافظ روی آند گرافیتی یا سیلیکونی اعمال می شود تا از رشد دندریت لیتیومی جلوگیری کند.

2. کاربرد پودر آلومینیوم در باتری  لیتیوم-آلومینیومی (Li-Al)

این باتری ها یک فناوری نو ظهور هستند که در آنها آلومینیوم به عنوان ماده فعال آند جایگزین گرافیت می شود:

مکانیسم واکنش:

مزایا:

• ظرفیت نظری بالا: آلومینیوم ظرفیت ویژه حدود ۲۲۳۵ میلی آمپر ساعت بر گرم (نسبت به ۳۷۲ mAh/g گرافیت) دارد.
• هزینه پایین: آلومینیوم ارزانتر و فراوان تر از گرافیت است.
• پایداری حرارتی بهتر: کاهش خطر آتش سوزی نسبت به باتری های لیتیوم-یونی سنتی.

 3. نقش پودر آلومینیوم در باتری حالت جامد (Solid-State Batteries)

• در این باتری ها، پودر آلومینیوم به عنوان ماده پایه در ساخت الکترولیت جامد یا کامپوزیت الکترودی استفاده می شود:
• افزایش هدایت یونی و پایداری مکانیکی الکترولیت.
• کاهش مقاومت تماس بین الکترود و الکترولیت.

4. مزایای کلی پودر آلومینیوم در باتری ها

مزیت	توضیح
سبکی	چگالی پایین (۲.۷ g/cm³) وزن باتری را کاهش می دهد.
رسانایی الکتریکی	ایجاد شبکه های رسانایی در الکترودها.
پایداری شیمیایی	مقاومت در برابر خوردگی در محیط های با پتانسیل بالا (کاتد).
قیمت پایین	آلومینیوم ارزانتر از مس یا نقره است.
سازگاری با فناوری های نو	استفاده در باتری های لیتیوم-آلومینیومی و حالت جامد.

5. چالش استفاده از پودر آلومینیوم

• اکسیداسیون سطحی: تشکیل لایه اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) میتواند رسانایی را کاهش دهد.
• انبساط حجمی: در باتری Li-Al، آند آلومینیومی طی چرخه شارژ/دشارژ تا ۹۷٪ انبساط حجمی دارد!
• واکنش جانبی: امکان تشکیل ترکیبات ناخواسته با الکترولیت مایع.

6. پژوهش اخیر و آینده

• نانو پودر آلومینیوم: استفاده از ذرات نانومتری (زیر ۱۰۰ نانومتر) برای افزایش سطح موثر و بهبود عملکرد.
• آلیاژ آلومینیوم: ترکیب با عناصری مانند سیلیسیم یا قلع برای کاهش انبساط حجمی.
• الکترولیت پیشرفته: توسعه الکترولیت پایدارتر برای کاهش واکنش با آلومینیوم.

بهترین نوع پودر آلومینیوم در ساخت باتری لیتیومی ( باتری لیتمی) کدام است؟

بهترین نوع پودر آلومینیوم برای استفاده در باتری لیتیومی باید ویژگیهای زیر را داشته باشد تا عملکرد بهینه، پایداری و ایمنی را تضمین کند:

 ۱. نانوپودر آلومینیوم (Aluminum Nanopowder)

اندازه ذرات: کمتر از ۱۰۰ نانومتر (ترجیحاً ۲۰–۵۰ نانومتر).

مزایا:

• سطح ویژه (Surface Area) بسیار بالا (> ۵۰ m²/g)، که انتقال بار و واکنش الکتروشیمیایی را تسهیل میکند.
• کاهش مقاومت داخلی باتری و افزایش چگالی انرژی.

کاربرد:

• استفاده در آند باتری لیتیوم-آلومینیومی برای جایگزینی گرافیت.
• بهبود عملکرد در باتری حالت جامد.

 ۲. پودر آلومینیوم کروی (Spherical Aluminum Powder)

اندازه ذرات: ۱۰–۴۵ میکرون.

مزایا: 

• توزیع یکنواخت ذرات در الکترودها و کاهش تخلخل.
• افزایش چرخه عمر باتری به دلیل کاهش تنش مکانیکی.
•  استاندارد: ASTM B822.

کاربرد:

• تولید الکترود کامپوزیتی با مواد فعال (مثل LiFePO₄ یا LiCoO₂).

 ۳. پودر آلومینیوم آلیاژی (Alloyed Aluminum Powder)

ترکیب شیمیایی: آلیاژهای Al-Si، Al-Sn یا Al-Mg.

مزایا: 

• کاهش انبساط حجمی (تا ۵۰٪ کمتر نسبت به آلومینیوم خالص) طی چرخه های شارژ/دشارژ.
• هبود پایداری ساختاری آند.

کاربرد: 

• آند در باتری لیتیوم-آلومینیومی با عمر چرخه ای بالا.

 ۴. پودر آلومینیوم با پوشش محافظ (Coated Aluminum Powder)

پوشش رایج: کربن، اکسید فلزی (مثل TiO₂)، یا پلیمر رسانا.

مزایا: 

• جلوگیری از اکسیداسیون سطحی آلومینیوم و تشکیل لایه غیرفعال Al₂O₃.
• بهبود هدایت یونی و الکترونی.

کاربرد: 

• الکترود پایدار در باتری پلیمری یا حالت جامد.

 ۵. پودر آلومینیوم با خلوص فوق بالا (High-Purity Aluminum Powder)

•   خلوص: ≥ ۹۹.۹۹٪ (گرید ۱۰۹۰).

مزایا: 

• کاهش واکنشهای جانبی با الکترولیت.
• افزایش بازده Coulombic (نسبت انرژی ذخیره شده به انرژی آزادشده).
• استاندارد: ISO 209.

کاربرد: 

• باتری پزشکی یا هوافضا که نیازمند قابلیت اطمینان بالا هستند.

 جدول مقایسه انواع پودر آلومینیوم برای باتری لیتیومی

نوع پودر	اندازه ذرات	مزایا	معایب	کاربرد اصلی
نانوپودر	۲۰–۵۰ نانومتر	سطح موثر بالا، چگالی انرژی بالا	هزینه تولید بالا	آند در Li-Al Batteries
کروی	۱۰–۴۵ میکرون	توزیع یکنواخت، عمر چرخه ای بالا	نیاز به فرآیندهای پیشرفته	الکترودهای کامپوزیتی
آلیاژی	۱–۵۰ میکرون	کاهش انبساط حجمی	پیچیدگی در سنتز	آندهای پایدار
پوشش دادهشده	۰.۱–۱۰ میکرون	مقاومت در برابر اکسیداسیون	افزایش هزینه پوشش دهی	باتری های حالت جامد
خلوص بالا	۱–۱۰۰ میکرون	کاهش واکنش های جانبی	قیمت بالا	کاربردهای حساس (هوافضا)

نکات کلیدی برای انتخاب:

1. کاربرد نهایی: 

• برای چگالی انرژی بالا، نانوپودرها یا آلیاژ Al-Si مناسباند.
• برای پایداری طولانی مدت، پودرهای پوشش داده شده یا کروی انتخاب بهتری هستند.

2. الکترولیت: 

• در باتری با الکترولیت مایع، پوشش کربنی از واکنش جانبی جلوگیری می کنند.
• در باتری حالت جامد، نانوپودر آلومینیوم با هدایت یونی بالا ترجیح داده می شوند.

3. هزینه و مقیاس پذیری: 

• پودر آلیاژی و پوشش داده شده هزینه بالاتری دارند، اما برای صنایع پیشرفته (هوافضا) توجیه پذیرند.
• پودر کروی با خلوص استاندارد (۹۹.۹٪) برای مصارف عمومی مقرون به صرفه ترند.

بهترین نوع پودر آلومینیوم برای باتری لیتیومی نانوپودر آلومینیوم پوشش داده شده با کربن یا آلیاژ Al-Si است که ترکیبی از چگالی انرژی بالا، پایداری ساختاری و کاهش انبساط حجمی را ارائه می دهند. برای مصارف صنعتی مقیاس بزرگ، پودر کروی با خلوص ۹۹.۹٪ نیز گزینه مناسبی هستند. پودر آلومینیوم به عنوان یک ماده مقرون به صرفه، سبک و رسانا، نقش کلیدی در بهبود باتری های لیتیومی دارد. هرچند چالش هایی مانند اکسیداسیون و انبساط حجمی وجود دارد، پژوهش ها در حوزه نانوپودرها و آلیاژها آینده امیدوارکنندهای را برای این فناوری ترسیم میکند.

واکنش پودر آلومینیوم به دلیل سطح فعال بالا و طبیعت شیمیایی فلز آلومینیوم، بسیار متنوع و گاه شدید هستند. این واکنش ها در صنایع مختلف (از متالورژی تا مواد منفجره) اهمیت ویژهای دارند.

مهمترین واکنش پودر آلومینیوم توضیح داده شده اند:

 ۱. واکنش با اکسیژن (اکسیداسیون) 

•  آلومینیوم در تماس با هوا به سرعت با اکسیژن واکنش داده و لایه اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) تشکیل می دهد:
• 4Al+3O2​→2Al2​O3​
• این لایه اکسید، غیرفعال و محافظ است و از خوردگی بیشتر جلوگیری می کند.
• در دماهای بالا (مثلاً در احتراق)، این واکنش شدیدتر است و نور سفید درخشان و گرمای زیادی آزاد می کند.

 ۲. واکنش با آب 

• آلومینیوم معمولاً با آب سرد واکنش نمی دهد (به دلیل لایه اکسید محافظ).
• در صورت آسیب لایه اکسید (مثلاً در محیط اسیدی یا بازی) یا در آب داغ/بخار، واکنش زیر رخ می دهد:
• 2Al+6H2​O→2Al(OH)3​+3H2​↑
• تولید گاز هیدروژن قابل اشتعال!
• این واکنش در تولید هیدروژن یا سوخت های پاک مورد مطالعه است.

 ۳. واکنش با اسیدها 

• آلومینیوم با اسیدهای رقیق (مانند HCl یا H₂SO₄) واکنش داده و گاز هیدروژن آزاد می کند:
• 2Al+6HCl→2AlCl3​+3H2​↑
• 2Al+3H2​SO4​→Al2​(SO4​)3​+3H2​↑
• در اسیدهای غلیظ یا اکسیدکننده (مانند HNO₃ غلیظ)، ممکن است لایه اکسید پایدارتر شود و واکنش متوقف گردد (پسیواسیون).

 ۴. واکنش با بازها 

• آلومینیوم در محیط های قلیایی (مانند NaOH) به شدت واکنش می دهد:
• 2Al+2NaOH+6H2​O→2Na[Al(OH)4​]+3H2​↑
• این واکنش در صنعت برای حذف آلومینیوم از ضایعات یا تولید هیدروژن استفاده می شود.

 ۵. واکنش احتراق (سوختن) 

• پودر آلومینیوم به راحتی در هوا می سوزد و نور سفید درخشان و گرمای شدید تولید می کند:
• 4Al+3O2→​2Al2​O3​+انرژی
• این ویژگی در آتش بازی، مواد منفجره (مانند TNT + Al)، و سوخت موشک کاربرد دارد.

 ۶. واکنش ترمو شیمیایی (ترمیت) 

• مخلوط پودر آلومینیوم و اکسید فلزی (مانند آهن اکسید) با جرقه، واکنش شدیدی موسوم به واکنش ترمیت نشان می دهد:
• Fe2​O3​+2Al→2Fe+Al2​O3​+گرمای شدید ( 2500°C)
• کاربرد: جوشکاری ریل ها، تولید فلزات مذاب، و نظامی.

 ۷. واکنش با هالوژن ها 

• آلومینیوم با کلر، برم، یا ید واکنش داده و هالیدهای آلومینیوم تشکیل می دهد:
• 2Al+3Cl2​→2AlCl3​
• این واکنشها بسیار گرمازا و گاه انفجاری هستند.

 ۸. واکنش با نیتروژن 

• در دماهای بسیار بالا (بالای 800°C)، آلومینیوم با نیتروژن واکنش می دهد:
• 2Al+N2​→2AlN
• آلومینیوم نیترید (AlN) در صنایع الکترونیک به عنوان عایق حرارتی استفاده می شود.

 

 ۹. واکنش در محیط نمکی 

در حضور یون های کلرید (مانند آب دریا)، لایه اکسید آلومینیوم تخریب شده و خوردگی موضعی (حفره دار شدن) رخ می دهد.

کاربرد کلیدی واکنش های پودر آلومینیوم: 

• مواد منفجره و آتش بازی: به عنوان ماده اکسید شونده و تولیدکننده نور.
• تولید هیدروژن: برای سوخت های پاک یا باتری ها.
• جوشکاری ترمیت: اتصال ریل های فولادی.
• کاتالیزور: در برخی فرایندهای شیمیایی.

ملاحظات ایمنی

• پودر آلومینیوم به شدت قابل اشتعال است و در تماس با هوا ممکن است انفجار گرد و غبار ایجاد کند.
• واکنشهای آن با آب یا اسیدها، گاز هیدروژن قابل اشتعال آزاد می کند.
• در حین کار با پودر آلومینیوم، استفاده از تجهیزات ضد جرقه و محیط های کنترل شده ضروری است.

در مجموع، واکنش پذیری بالای پودر آلومینیوم، آن را به ماده ای کلیدی در صنایع شیمیایی، متالورژی، و نظامی تبدیل کرده است، اما نیاز به مدیریت دقیق ایمنی دارد.

پرکاربردترین واکنشهای پودر آلومینیوم در صنعت به دلیل واکنش پذیری بالا، گرمازایی شدید، و قابلیت کاهش دهندگی قوی این ماده، در حوزه های مختلفی مانند متالورژی، مواد منفجره، انرژی، و شیمیایی استفاده می شوند. در زیر مهمترین این واکنشها به همراه کاربردهای صنعتی آنها آورده شده است:

پرکاربردترین واکنش های پودر آلومینیوم در صنعت

 ۱. واکنش ترمیت (Thermite Reaction) 

• Fe2​O3​+2Al→​2Fe+Al2​O3​+گرمای شدید ( ۲۵۰۰°C)

کاربرد صنعتی: 

• جوشکاری ریل های راه آهن، لوله های فولادی، و تعمیر تجهیزات سنگین.
• تولید فلزات مذاب در شرایط اضطراری (مانند جوشکاری در محل بدون برق).
• در صنایع نظامی برای ساخت مواد منفجره و گلوله های آتش زا.

 ۲. احتراق پودر آلومینیوم (Combustion) 

• 4Al+3O2​→​2Al2​O3​+انرژی (نور و گرما)

کاربرد صنعتی: 

•  مواد آتش بازی: ایجاد نور سفید درخشان در فشفشه ها و موشک های نمایشی.
• سوخت جامد موشک ها: به عنوان ماده اکسید شونده در ترکیب با پرکلرات آمونیوم (مثلاً در بوسترهای شاتل فضایی).
• مواد منفجره: افزودن پودر Al به TNT یا ناپالم برای افزایش قدرت انفجار.

 ۳. واکنش با آب و تولید هیدروژن 

• 2Al+6H2​O→2Al(OH)3​+3H2​↑

کاربرد صنعتی: 

• تولید هیدروژن سبز: به عنوان یک روش جایگزین برای تولید سوخت پاک (در حال تحقیق).
• باتری های آلومینیوم-هوا: استفاده در سیستم های ذخیره انرژی با چگالی بالا.
• پاکسازی ضایعات آلومینیومی: حل کردن ضایعات در محیطهای آبی قلیایی.

 ۴. واکنش با اسیدها (تولید نمک و گاز هیدروژن) 

• 2Al+6HCl→2AlCl3​+3H2​↑

کاربرد صنعتی: 

• تولید آلومینیوم کلرید (AlCl₃): کاتالیزور در صنایع پتروشیمی (مانند تولید بنزین).
• حذف آلودگیهای سطحی: اسیدشویی قطعات آلومینیومی در صنایع خودروسازی.

 

 ۵. واکنش با بازها (تولید آلومینات و هیدروژن) 

• 2Al+2NaOH+6H2​O→2Na[Al(OH)4​]+3H2​↑

کاربرد صنعتی: 

• بازیافت آلومینیوم از ضایعات (مانند قوطی های نوشابه).
• تولید سدیم آلومینات برای تصفیه آب و فاضلاب.

 ۶. واکنش اکسیداسیون سطحی (تشکیل Al₂O₃) 

• 4Al+3O2​→2Al2​O3​

کاربرد صنعتی: 

• ایجاد لایه محافظ اکسیدی روی قطعات آلومینیومی برای جلوگیری از خوردگی.
• تولید سرامیک های پیشرفته (Al₂O₃) در صنایع الکترونیک و پزشکی.

 ۷. واکنش در فرایندهای احیاء فلزات (Reduction) 

پودر Al به عنوان یک کاهنده قوی در استخراج فلزات گرانبها استفاده میشود:

• 3MnO2​+4Al→3Mn+2Al2​O3​

کاربرد صنعتی: 

• احیای اکسیدهای فلزی مانند کروم، مولیبدن، و تیتانیوم.
• تولید فروآلیاژها در صنایع فولادسازی.

 ۸. واکنش با نیتروژن (تشکیل آلومینیوم نیترید) 

• 2Al+N2​→800°C​2AlN

کاربرد صنعتی: 

تولید آلومینیوم نیترید (AlN): عایق حرارتی با رسانایی الکتریکی پایین در تراشه های الکترونیکی.

 ۹. واکنش با هالوژن ها (تشکیل هالیدهای آلومینیوم) 

• 2Al+3Cl2​→2AlCl3​

کاربرد صنعتی: 

• تولید آلومینیوم کلرید برای کاتالیزورهای شیمیایی (مثلاً در سنتز داروها).
• استفاده در فرایندهای تصفیه نفت خام.

 ۱۰. واکنش در کامپوزیتهای پیشرفته 

• پودر Al با مواد دیگری مانند سرامیکها یا پلیمرها ترکیب میشود تا کامپوزیتهای سبک و مستحکم بسازد.

کاربرد صنعتی: 

• ساخت قطعات هوافضا و خودرو با نسبت استحکام به وزن بالا.

 ملاحظات ایمنی: 

• پودر آلومینیوم در صورت تماس با رطوبت یا گرما، گاز هیدروژن قابل اشتعال تولید می کند.
• ذرات ریز Al در هوا ممکن است باعث انفجار گرد و غبار شوند.
• در واکنشهای گرمازا (مانند ترمیت)، تجهیزات ضدحریق و کنترل دما ضروری است.

 جمع بندی

واکنشهای پودر آلومینیوم در صنعت، از جوشکاری ریل ها تا تولید هیدروژن و ساخت مواد منفجره، نقش کلیدی ایفا می کنند. این ماده به دلیل هزینه پایین، دسترسی آسان، و واکنش پذیری بالا، یک جزء اساسی در فناوری های پیشرفته محسوب میشود.

از آنجایی که پودر نانو آلومینیوم (NAP) می تواند عملکرد انفجار مواد منفجره حاوی آلومینیوم را بهبود بخشد، مواد منفجره بیشتری با NAP به عنوان عنصر فلز مورد مطالعه قرار گرفته است. اعتقاد بر این است که حساسیت مکانیکی مواد منفجره را می توان با افزودن پودر آلومینیوم در اندازه نانو به طور قابل توجهی افزایش داد. با این حال، مکانیسم افزایش روشن نشده است.

به منظور روشن کردن اثرات NAP بر حساسیت مکانیکی مواد منفجره، دو ماده منفجره حاوی آلومینیوم مبتنی بر RDX با نسبت وزنی و فرآیند آماده‌سازی یکسان با وجود پودرهای آلومینیوم با اندازه‌های نانو و میکرون متفاوت مورد بررسی قرار گرفت. مورفولوژی و نسبت اتمی سطح دو ماده منفجره با میکروسکوپ الکترونی روبشی با آزمایش‌های طیف‌سنجی پراکنده انرژی مورد بررسی قرار گرفت. زاویه تماس و سایر خواص ریزساختاری مواد منفجره توسط نرم افزار Material Studio محاسبه شد. نتایج نشان داد که فعالیت ضربه و اصطکاک توسط اندازه ذرات آلومینیوم و اجزای انفجاری تعیین می‌شود. این مقاله مکانیسم افزایش حساسیت مواد منفجره را با افزودن NAP، که مرجعی برای طراحی علمی و فنی مواد منفجره جدید است، روشن کرد.

برای مواد منفجره آلومینیومی، پودر آلومینیوم می تواند مقدار زیادی گرمای واکنش را در واکنش ثانویه پس از موج انفجار آزاد کند که باعث افزایش گرمای انفجار و حجم ویژه ماده منفجره در حین انفجار می شود و همچنین باعث می شود ماده منفجره ظرفیت کاری بالاتری داشته باشد .

به همین دلیل است که به آن مواد منفجره پرقدرت یا مواد منفجره قوی می گویند و به یکی از مقوله های اصلی تحقیقاتی در زمینه مواد منفجره تبدیل شده است. در مطالعه مکانیسم واکنش انفجار بین پودرهای آلومینیوم و مواد منفجره، نظریه واکنش ثانویه مواد منفجره حاوی آلومینیوم ارائه شده است:

پودر Al موجود در فرمولاسیون در واکنش در جبهه موج در طول انفجار شرکت نمی کند. برای واکنش آزادسازی انرژی در جبهه موج انفجار، پودر Al یک ماده گرماگیر بی اثر است که انرژی آزاد شده را توسط واکنش انفجاری از جبهه موج انفجار جذب می کند. در عین حال، پودر هدایت حرارتی خوبی دارد (ضریب هدایت حرارتی 230 W/(m·K-1) است).

با انبساط سریع محصولات انفجار، بخشی از انرژی در جبهه موج انفجار به سرعت به هوا منتقل می شود. این باعث می‌شود انرژی که از انتشار انفجار مواد منفجره پشتیبانی می‌کند، کاهش یابد، که از نظر ماکروسکوپی در کاهش فشار انفجار و سرعت انفجار مواد منفجره آلومینیومی با افزایش محتوای پودر Al منعکس می‌شود. به منظور بهبود ساختار خروجی انرژی انفجار مواد منفجره آلومینیومی، زمان شرکت پودر Al در واکنش انفجار پیشرفته است.

اندازه پودر آلومینیوم تأثیر قابل توجهی بر عملکرد انفجار مواد منفجره دارد. پودر آلومینیوم با اندازه کوچک بیشتر با محصولات انفجاری انفجاری با زمان واکنش پیشرفته، حجم واکنش زیاد و آزادسازی سریع انرژی واکنش نشان می‌دهد که ظرفیت کاری مواد منفجره را افزایش می‌دهد. به خصوص افزودن پودر آلومینیوم در اندازه نانو می تواند به طور موثر ظرفیت کاری مواد منفجره را بهبود بخشد.

دانشمندان نانو آلومینیوم و کاربردهای آنها را در پیشرانه های موشک مایع و جامد مورد مطالعه قرار دادند. مشخص شده است که مؤثرترین راه برای دستیابی به احتراق کامل، استفاده از پودر آلومینیوم با اندازه ذرات حداقل 1 تا 2 مرتبه کوچکتر از آنچه در پیشرانه های جامد معمولی استفاده می شود، است. از این رو تحقیقات در مورد کاربرد نانو پودر آلومینیوم در مواد منفجره در سال های اخیر توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. برخی از محققان به طور سیستماتیک ویژگی های مواد منفجره مبتنی بر RDX، مانند حرارت انفجار ، سرعت انفجار ، توانایی شتاب فلز ، انرژی انفجار زیر آب ، اثر انحنای جلو  و غیره را مطالعه کرده اند.

برخی از مقالات همچنین تأثیر نانو آل را بر حساسیت مواد منفجره مبتنی بر سیکلو تری متیلن تری نیترامین (RDX) گزارش کردند، که به وضوح نشان داد که افزودن نانو آل باعث افزایش حساسیت مکانیکی و حساسیت شعله ماده منفجره شد. با این حال، تحقیقات در این زمینه به اندازه کافی عمیق نیست. نتایج فقط عملکرد ماکروسکوپی مواد منفجره و برخی نظریه های اساسی را منعکس کردند. نقش ریزساختار بر عملکرد مواد و نظریه علمی مرتبط هنوز مشخص نشده است. تا به حال، مکانیسم NAP که باعث افزایش حساسیت مکانیکی و حساسیت شعله مواد منفجره می شود، درک نشده است. نتایج قبلی به اندازه کافی در مورد بهبود و طراحی فرمولاسیون مواد منفجره حاوی نانو Al ارائه نشده است.

کاهش حساسیت مکانیکی مواد منفجره هنوز یک راه بسیار موثر برای بهبود ایمنی ذاتی تولید، حمل و نقل، ذخیره سازی و سایر لینک های تولید مواد منفجره است. تحقیق در مورد عوامل موثر بر حساسیت مکانیکی مواد منفجره می تواند راهنمایی هایی برای بهبود عملکرد مواد منفجره از جنبه های طراحی فرمولاسیون مواد منفجره، پیش تصفیه مواد، فرآیند ساخت و غیره ارائه دهد.

برای آشکار کردن بیشتر تأثیر NAP بر حساسیت مکانیکی مواد منفجره، مواد منفجره مبتنی بر RDX با نسبت اجزای یکسان حاوی پودر آلومینیوم در اندازه نانو و میکرون با همان فرآیند به طور جداگانه تهیه شد. طیف انرژی اتمی سطح، زاویه تماس و سایر خواص مورد بررسی قرار گرفت. برای مدلسازی سازه و محاسبه پارامترهای سازه از نرم افزار Material Studio (MS) استفاده شد. همبستگی بین ساختار-فعالیت، اندازه پودرهای آلومینیوم، اجزای انفجاری و ضربه، حساسیت به اصطکاک روشن شد. نتایج این مقاله مرجع علمی برای کاربرد ایمنی نانو پودر آلومینیوم در مواد منفجره در آینده است.

در همين رابطه بخوانيد: بررسی واکنش پذیری پودر روی و پودر آلومینیوم

آزمایش و محاسبه

 معرف ها و ابزار

پودر نانو آلومینیوم با خلوص 99.8 درصد با اندازه متوسط ذرات 100 نانومتر ساخته شده و ابزار حساسیت اصطکاک و ضربه (H3.5-10W) برای بررسی حساسیت مواد منفجره استفاده شد. یک میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی FEI QUANTA 600 (FE-SEM) که توسط FEI Co. USA ساخته شده بود برای بررسی مورفولوژی مواد منفجره استفاده شد. ولتاژ شتاب 10 کیلو ولت بود و آزمایشات در حالت خلاء بالا انجام شد. اندازه‌گیری‌های جذب-واجذ N2 در 77 K با استفاده از سیستم جذب گاز Quantachrome Autosorb برای تعیین سطح ویژه نانو آل، میکرو آل و RDX به‌طور جداگانه انجام شد. سطح ویژه نانو آل، میکرون آل و RDX 22.22، 0.55 و 0.344 m2/g است. آزمایش‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نانوآل با استفاده از هیتاچی (H 9000 NAR) انجام شد.

آماده سازی مواد منفجره

مواد منفجره مبتنی بر RDX حاوی پودرهای میکرون آلومینیوم و نانو آلومینیوم به ترتیب طراحی شده است. مورفولوژی پودر نانو آل و میکرون آل در شکل 1 نشان داده شده است. بنابراین، میکرون-Al یک رنگ خاکستری را نشان می دهد. شکل 1C نتایج آزمون TEM پودر نانو آل را نشان می دهد که به وضوح نشان می دهد که نانو آل در ساختارهای توپ مانند است. قطر نانو Al نیز مورد بررسی قرار گرفته و نتایج در شکل 1D نشان داده شده است. به وضوح نشان داده شده است که قطر پودر نانو آل در محدوده وسیعی قرار دارد، علیرغم اینکه قطر اصلی آن حدود 150 نانومتر است.

Figure 1. Photography of nano-Al (A) and micron-Al (B) powders. (C) TEM tests of nano-Al and (D) the distribution of the diameter of nano-Al powder.

مواد منفجره 1 و 2 با همین فرآیند تهیه شدند: موم پارافین توسط نفت اتر حل شد و سپس پودرهای RDX و آلومینیوم به ترتیب اضافه شدند. تمام معرف ها به مدت 30 دقیقه در خمیر گیر مخلوط شدند. سپس مخلوط ریخته شد و حلال تبخیر شد تا ماده منفجره به حالت نیمه خشک برسد، به این معنی که دیگر اتر نفتی وجود ندارد که بتوان آن را تبخیر کرد، اما حالت هنوز کمی مرطوب به نظر می رسد. مواد منفجره به دست آمده با توری 8 مش غربال و دانه بندی شد. پودرهای قالب گیری انفجاری به دست آمده در نهایت به طور کامل خشک شدند و برای بررسی عملکرد استفاده شدند. مورفولوژی عکس دو ماده منفجره در شکل 2 نشان داده شده است. شکل 2 نشان می دهد که ماده منفجره 1 با نانو آلیاژ رنگ عمیق تری در مقایسه با ماده منفجره با میکرون-Al نشان می دهد.

Figure 2. Photography of RDX with Nano-Al and Micron-Al.

 آزمون عملکرد

تست حساسیت ضربه

حساسیت ضربه مواد منفجره توسط ابزار سنجش حساسیت ضربه چکش قطره H3.5-10W کالیبره شده اندازه گیری می شود. وزن چکش قطره ای 10 کیلوگرم و وزن ماده منفجره 50 میلی گرم است. معاینه با توجه به ارتفاع سقوط هر آزمون انجام شد. اعتقاد بر این است که 50 درصد ارتفاع افت آزمایش‌ها حساسیت ضربه است. آزمون ها به دو گروه تقسیم می شوند و هر گروه 25 نوبت دارد. علاوه بر این، نتیجه نهایی مقدار زوج تمام دورهای آزمون در هر گروه است.

تست حساسیت اصطکاک

حساسیت اصطکاک مواد منفجره با فشار سطحی 3.92 مگاپاسکال با زاویه نوسان 90 درجه با وزن 50 میلی گرم تعیین می شود. آزمون ها نیز به دو گروه با 25 نوبت در هر گروه تقسیم می شوند. مقدار متوسط هر گروه به دست می آید.

انتخاب ساختار اولیه و محاسبه بهینه سازی اجزای انفجاری :

RDX

RDX یک کریستال مولکولی است. کریستال برش داده شد و یک لایه خلاء 20 Å به طور مستقیم برای محاسبه با استفاده از بسته شبیه‌سازی اولیه آب وین (VASP)، همراه با مجموعه‌های پایه موج صفحه اضافه شد. انرژی قطع موج صفحه اتخاذ شده در محاسبه 520 eV است. خود سازگاری الکترونیکی و معیارهای همگرایی نیروی بین اتم ها دقت پیش فرض VASP را اتخاذ می کند. در همین حال، اتم های نیمه پایینی در جای خود نگه داشته می شوند و اتم های نیمه بالایی بهینه می شوند. تمام عملیات روی ناحیه بریلوین سلول‌های اولیه از یک شبکه نقطه K Monhkorst-Pack 3×3×1 با محوریت Γ استفاده می‌کنند. نیروی واندروالس با روش DFT-D3 اصلاح می شود. تابع تبادل-همبستگی بین الکترون ها با استفاده از روش Perdew-Burke-Ernzerh (PBE)در تقریب گرادیان تعمیم یافته (GGA) محاسبه می شود. انرژی محاسبه شده 1043.3066 eV است.

Al2O3

محاسبه باα-Al2O3 : (R-3C) به عنوان ساختار اولیه آغاز می شود. انرژی هفت صفحه کریستالی (111)، (110)، (101)، (011)، (100)، (010) و (001) که با ضخامت های مختلف بریده شده اند، به ترتیب محاسبه می شود. در هنگام برش، چهار لایه اتم در لایه زیرین وجود دارد، یعنی در مجموع 40 اتم. محاسبه با استفاده از بسته نرم افزاری VASP همراه با روش مجموعه های پایه موج صفحه انجام می شود.

انرژی قطع موج صفحه مورد استفاده در محاسبه 520 eV و استاندارد همگرایی برای خودسازگاری الکترونیکی 10-6 eV است. ضخامت لایه خلاء در جهت عمودی 20 Å است. تمام عملیات در ناحیه بریلوین سلول های اولیه از یک شبکه نقطه K Monkorst-Pack با مرکزیت Γ استفاده می کنند. موقعیت اتم های دو لایه بالایی (دو لایه پایینی اتم ها در جای خود نگه داشته می شوند) به طور کامل بهینه شده بودند به طوری که نیروی بین اتم ها کمتر از 10-3 eV/Å باشد. در این مقاله، GGA-PBE برای محاسبه تابع همبستگی تبادل بین الکترون ها اعمال می شود. داده های خاص نتایج محاسبه شده در جدول 2 نشان داده شده است.

محاسبه انرژی مقاطع مختلف Al2O3.

بر اساس محاسبات، می توان نتیجه گرفت که کمترین انرژی در بین چندین صفحه در سه صفحه کریستالی (110)، (101) و (011) ظاهر می شود که تقریباً 293.38- eV است. با توجه به اینکه Al2O3 یک کریستال با تقارن بالا است، تفاوت زیادی بین صفحات کریستالی (110)، (101) و (011) وجود ندارد. بنابراین، نتایج بهینه شده با روش ششم برش برای صفحه کریستالی نسبتا رایج (110) به عنوان ساختار مرجع در طول جذب انتخاب می‌شود. بنابراین برای محاسبه انرژی جذب پارافین روی سطح (110) قرار می گیرد.

مولکول پارافین

ساختار اولیه مولکول پارافین به صورت دستی توسط نرم افزار Material Studio مطابق نمودار شماتیک ارائه شده ساخته شده است. علاوه بر این، ساختار با استفاده از بسته نرم افزاری VASP بهینه می شود. با توجه به اینکه جذب مولکول های پارافین روی سطح آلومینا (110) باید محاسبه شود، سلول باید گسترش یافته و با وضعیت واقعی منابع محاسباتی ترکیب شود. یک مولکول پارافین حاوی 10 اتم کربن برای شبیه سازی انتخاب شده است. نرم افزار محاسبه و شبه پتانسیل انتخاب شده همان است که برای پارافین و RDX انتخاب شده است. از آنجا که تنها یک مولکول جذب شده انتخاب می شود، تعامل بین مولکول ها در صورت بهینه سازی مولکول حذف می شود.

مولکول‌ها در یک سلول مکعبی بزرگ (در امتداد مورب) قرار می‌گیرند و سلول منبسط می‌شود تا اطمینان حاصل شود که فاصله مولکولی حدود 15-20 Å است. به منظور حذف تعامل بین مولکول های مجاور، محاسبه سلولی (ISIF = 2) زمانی که ساختار بهینه شده است انجام می شود. برای محاسبات ناحیه بریلوین سازه، یک شبکه نقطه K از نوع Monhkorst-Pack 1 × 1 × 1 با مرکزیت Γ به تصویب رسید. علاوه بر این، نیروی وان دروالس با روش DFT-D3 تصحیح می شود و تابع تبادل-همبستگی بین الکترون ها با روش GGA-PBE محاسبه می شود. در نهایت، نشان داده شده است که انرژی به دست آمده پس از بهینه سازی -173.074 eV است.

مولکول Al2O3 + پارافین

به منظور حذف برهمکنش‌های ناشی از شرایط دوره‌ای بین مولکول‌های پارافین، سلول‌هایی برای انبساط زمانی انتخاب می‌شوند که مولکول‌های پارافین روی سطح آلومینا جذب شوند. ساختار اولیه و بهینه مولکول های جذب شده پس از انبساط در شکل 3 (672 اتم) نشان داده شده است. نمای بالای ساختار نشان می دهد که ساختار مولکولی موم پارافین بر روی سطح آلومینا جذب شده است. ساختار اصلی شکل 3 ساختار اصلی را نشان می دهد و ساختار بهینه شده شکل 3 ساختار بهینه شده را نشان می دهد.

در محاسبات، دو لایه روی سطح آلومینا بهینه شده و دو لایه زیر ثابت می‌شوند. مولکول های پارافین کاملاً بهینه شده اند. در ساختار اولیه، فاصله عمودی بین مولکول های پارافین و سطح آلومینا حدود 0.5 Å است. پس از بهینه سازی، یک اثر دافعه بین دو ساختار نسبت به ساختار اولیه ایجاد می شود. در این شرایط، فاصله بین دو مولکول در حدود 2.4 Å است که در شکل 3 نشان داده شده است. انرژی ساختار بهینه شده 4950.088-eV است.

Figure 3.

Original and optimized molecular structure of paraffin adsorbed on Al₂O_3.

مطالعه مقاله واکنش پذیری پودر آلومینیوم و پودر منیزیم ؟ را از دست ندهید.

نتایج و بحث

مورفولوژی میکروسکوپی و نسبت عنصری سطح مواد منفجره

نتایج آزمایش مورفولوژی و طیف پراکنده انرژی (EDS) دو ماده منفجره در شکل 4/جدول 3 و شکل 5/جدول 4 به طور جداگانه نشان داده شده است. ترکیب عنصری دو ماده منفجره هم از نظر وزن و هم درصد اتمی نرمال شده است

Figure 4. SEM image and EDS spectra of explosive 1.

Figure 5. SEM image and EDS spectra of explosive 2.

مقایسه نشان داد که نسبت اجزای Al در دو ماده منفجره با یکدیگر متفاوت است، علیرغم اینکه نسبت وزن اولیه Al در دو ماده منفجره یکسان است. این را باید به دلیل توزیع اندازه متفاوت دو ماده منفجره نسبت داد. مساحت سطح ویژه NAP در ماده منفجره 1 104 برابر بیشتر از سطح میکرون Al در ماده منفجره 2 است. اگرچه، از نظر تئوری، محتوای Al در ماده منفجره 1 باید بیشتر از ماده منفجره 2 باشد، اما نتایج آزمایش واقعی کاملاً متفاوت است. نتایج محاسبات نظری این پدیده باید از تجمع جدی نانو آل در ماده منفجره 1 نشات گرفته باشد. نتایج آزمایش SEM مواد منفجره 1 و 2 به ترتیب در شکل 6 و شکل 7 نشان داده شده است. شکل 6 آشکارا نشان داد که نانو آل در ماده منفجره 1 به طور یکنواخت پراکنده نشده است.

Figure 6. SEM images of nano-Al and explosive containing nano-Al.

Figure 7. SEM images of micron-Al and explosive containing micron-Al.

تست های EM میکرون آل و ماده منفجره 2 در شکل 7 ارائه شده است.

مقایسه شکل 6 و شکل 7 نشان داد که قطر نانو Al بسیار کوچکتر از میکرون-Al است علیرغم اینکه هر دو مورفولوژی کروی کاملی را نشان می دهند. از سوی دیگر، همچنین به وضوح نشان داده شده است که تجمع نانوآل جدی تر از میکرون آل است. پراکندگی نانو آل در RDX نیز تحت تأثیر تجمع نانوآل است. میکرون-Al به طور یکنواخت تر از نانو-Al پراکنده شد.

تست و آنالیز انرژی سطحی و کار چسبندگی مواد

برای بررسی بیشتر ویژگی‌های سطحی بین نانو آل/میکرون-آل، RDX و موم پارافین، چهار معرف با روش پروب آزمایش می‌شوند. نتایج به دست آمده در جدول 5 آمده است.

در دو نوع مواد منفجره، موم پارافین عمدتاً نقش حساسیت زدا را ایفا می کند. اگرچه مقدار موم پارافین بسیار کم است، اما موم پارافین را می توان با روش های آماده سازی مناسب به طور یکنواخت روی سطح ذرات انفجاری پوشانده و اثر کاهش حساسیت مکانیکی مواد منفجره را القا کرد [32].

کار چسبندگی بین موم پارافین و سایر اجزا را می توان با استفاده از انرژی سطحی هر جزء که در جدول 5 فهرست شده است محاسبه کرد. کار چسبندگی به عنوان کار ترمودینامیکی برگشت پذیر مورد نیاز برای جدا کردن سطح مشترک از حالت تعادل دو فاز تعریف می شود. فاصله بی نهایت هنگامی که دو فاز جدا شده یکسان باشند، به آن کار انسجام می گویند. کار چسبندگی و کار چسبندگی قوی ترین پارامترها برای نشان دادن تعامل بین دو فاز هستند.

با توجه به این مفهوم، عبارات ترمودینامیکی کار پیوند WAB و کار پیوستگی WCA برای مواد A و B را می توان به دست آورد:

WAB = γA + γB – γAB

(1)

WAC = 2γA

(2)

که γA و γB به ترتیب انرژی های آزاد سطحی دو ماده هستند و γAB انرژی آزاد سطحی آنهاست. علاوه بر این، با توجه به مفاهیم کار چسبندگی و کار چسبندگی، کاهش انرژی آزاد گیبس در واحد سطح زمانی که دو فاز مجزا به یکدیگر نزدیک می شوند و یک رابط را تشکیل می دهند برابر با کار چسبندگی و کار چسبندگی است.

ΔGAB = -WAB

(3)

ΔGCA = -WCA

(4)

بنابراین، بر اساس نقطه ترمودینامیکی، می توان مشاهده کرد که افزایش کار چسبندگی، کشش سطحی بین دو فاز را افزایش می دهد. کشش سطحی را می توان با فرمول (5) [32] محاسبه کرد. میزان چسبندگی محاسبه شده موم پارافین با RDX و آلومینیوم های مختلف در جدول 6 ارائه شده است.

γAB = [(γAd) 1/2 – (γBd) 1/2] 2 + [(γAp) 1/2 – (γBp) 1/2] 2

با توجه به جدول 6، کار چسبندگی موم پارافین با نانو Al به وضوح بیشتر از موم پارافین با میکرون-Al است. نتایج نشان می‌دهد که موم پارافین به راحتی روی سطح نانو آلیاژ نسبت به میکرون آل پوشانده می‌شود. نتایج همچنین توسط انرژی سطحی Al در ماده منفجره 1 (نانو-Al) تأیید می شود، که ثابت می کند انرژی سطحی کمتر از انرژی سطحی در ماده منفجره 2 (micro-Al) است.

بررسی های بیشتر همچنین نشان می دهد که کار چسبندگی موم پارافین به نانو Al اساساً مانند موم پارافین-RDX است. از آنجایی که مساحت سطح ویژه نانوآل بسیار بزرگتر از RDX است، می توان استنباط کرد که در ماده منفجره 1، موم پارافین بیشتری روی سطح نانوآل پوشیده شده است. به طور مشابه، صحت استنتاج نیز با این نتیجه تأیید می شود که وزن و درصد اتمی کربن در ماده منفجره 1 بیشتر از ماده منفجره 2 است.

تجزیه و تحلیل انرژی جذب بین اجزای انفجاری

با محاسبه انرژی جذب اجزای اصلی مواد منفجره، انرژی متناظر بین اجزای جداگانه و اجزای ترکیبی به دست آمده و در جدول 7 نشان داده شده است. بر اساس نتایج جدول 7، انرژی جذب متناظر موم پارافین به پودر Al و RDX مختلف را می توان به دست آورد و نتایج در جدول 8 نشان داده شده است.

از انرژی جذب می توان دریافت که در سیستم انفجاری پودر RDX و Al، زمانی که اندازه ذرات پودر Al از میکرون به نانومتر کاهش می یابد، پارافین به احتمال زیاد بر روی سطح پودر Al جذب می شود که همراه با بزرگ شدن سطح ویژه. بیش از 104 بار بنابراین، در سیستم انفجاری حاوی نانو آل، موم پارافین عمدتاً روی سطح پودر نانوآل پوشیده می‌شود [33]. بنابراین، در سیستم انفجاری حاوی میکرون آل، موم پارافین عمدتاً روی سطح ماده منفجره اصلی RDX پوشانده می شود.

تست و تحلیل حساسیت ضربه و اصطکاک مواد منفجره

بر اساس اندازه گیری مورفولوژی، عناصر سطحی، انرژی سطحی مواد منفجره و محاسبه کار چسبندگی، مشاهده شد که یکنواختی اجزای ماده منفجره 1 با وجود یکسان بودن اجزای مواد منفجره 1 و 2 ضعیف است. حساسیت مکانیکی پایین نیاز اولیه برای استفاده از مواد منفجره مخلوط است. بنابراین، حساسیت مکانیکی مواد منفجره 1 و 2 بررسی شده و نتایج در جدول 9 نشان داده شده است. به عنوان مقایسه، حساسیت ضربه و اصطکاک RDX و RDX + پارافین واکس نیز ارائه شده است.

جدول 9 به وضوح نشان می دهد که حساسیت به ضربه پارافین واکس RDX+ بسیار نزدیک به RDX است، به این معنی که پارافین واکس و RDX سازگاری خوبی دارند. موم تقریباً هیچ تأثیری بر حساسیت RDX ندارد [34]. در مقایسه با موم پارافین RDX +، حساسیت به ضربه ماده منفجره 2 که از میکرون-Al تشکیل شده است در بین تمام مواد کمترین است. این را باید به میکرون آل نسبت داد که در اثر ضربه زدن به ماده منفجره 2 تغییر شکل نمی داد و تغییر شکل میکرون آل نمی توانست RDX را مشتعل کند، که در نهایت حساسیت ضربه انفجار 2 را کاهش داد.

از طرف دیگر، حساسیت ضربه ماده منفجره 1 بسیار بالاتر از ماده منفجره 2 است و RDX همراه با حساسیت اصطکاک نیز بسیار بالاتر از ماده منفجره 1 است. از آنجایی که مساحت سطح ویژه نانوآل بسیار بزرگتر از ذرات RDX است، موم پارافین بیشتری روی سطح نانوآل پوشانده شده است، به این معنی که مقدار ذرات RDX در ماده منفجره 1 با موم پارافین کمتری پوشیده شده است.

به ماده منفجره 2، با همان مقدار موم پارافین، micron-Al به طور یکنواخت تر روی سطح ذرات RDX چسبیده است. تحت ضربه چکش قطره ای، RDX توسط میکرون-Al روانکاری و بافر می شود که منجر به حساسیت ضربه متفاوت دو ماده منفجره می شود. از نظر حساسیت به اصطکاک، ماده منفجره 1 بالاتر از منفجره 2 است که باید توسط نانو Al ایجاد شود. نانو Al مساحت سطح ویژه بالاتری نسبت به میکرون-Al دارد که در اثر اصطکاک آسان‌تر مشتعل می‌شود. در مقایسه با موم پارافین RDX و RDX +، حساسیت اصطکاک ماده منفجره 1 بیشتر از موم پارافین RDX + و RDX است که باید در اثر جذب موم پارافین بین نانو Al و RDX ایجاد شود.

بیشتر بخوانید : مقایسه پودر آلومینیوم و اکسید آلومینیوم (آلومینا)

نتیجه گیری

بر اساس بررسی‌های ریزساختارها، اثر پوشش سطح-واسط و محاسبات مدل‌های مولکولی مواد مواد منفجره مبتنی بر RDX حاوی پودر آلومینیوم در اندازه‌های نانو و میکرون، مشخص شد که تجمع در نانو Al با یک سطح ویژه بزرگتر در عین حال، بایندر فرمول مواد منفجره (به ویژه بایندر مبتنی بر پارافین) را می توان به راحتی روی سطح پودر نانو آلی پوشاند که حساسیت ضربه ای ماده منفجره را کاهش می دهد.

نتایج این مقاله روش ایمن تری برای طراحی مواد منفجره با کارایی بالا حاوی پودر نانو آل را ارائه می دهد. موم پارافین باید به راحتی روی ذرات RDX جذب شود و پوشش خوبی روی سطح RDX ایجاد کند. روش‌های آماده‌سازی جدید طراحی شده باید نحوه پوشش دادن پارافین را روی سطح ذرات مواد پرانرژی ابتدا در نظر بگیرند و سپس به طور یکنواخت آن‌ها را با نانوآل مخلوط کنند.

این دو اصطلاح معمولاً به وضعیت فیزیکی یا فرآیند پردازش آلومینیوم اشاره دارند و بسته به زمینه کاربرد، معانی متفاوتی پیدا میکنند. در زیر تفاوت ها و کاربردهای آنها توضیح داده شده است:

آلومینیوم نرم (Soft Aluminum):

آلومینیوم نرم معمولاً به آلومینیوم آنیل شده (Annealed) اشاره دارد که تحت فرآیند حرارتی آنیلینگ قرار گرفته است. این فرآیند تنشهای داخلی فلز را کاهش داده و آن را انعطاف پذیرتر و چکش خوارتر میکند. در سیستم استاندارد تمپر آلومینیوم (Temper)، این حالت با کد O (مثلاً 6061-O) نشان داده میشود.

ویژگی ها:

• استحکام مکانیکی پایین تر
• قابلیت تغییر شکل بالا (مناسب برای خم کاری، کشش عمیق یا نورد)
• سطح نرم و بدون سختی سطحی

کاربردها:

• تولید قطعاتی که نیاز به شکل پذیری بالا دارند (مانند قوطی های نوشیدنی، ورقه ای بسته بندی).
• ساخت قطعات تزئینی یا هنری.
• استفاده در صنایع الکترونیک برای اتصالات نرم.

آلومینیوم خشک (Dry Aluminum)

این نوم آلومینیوم دو مدل دارد که عبارتند از :

آلومینیوم بدون رطوبت یا روغن

آلومینیومی که کاملاً خشک شده و فاقد هرگونه رطوبت، روغن یا مواد افزودنی است. این نوع آلومینیوم در فرآیندهایی که حضور رطوبت یا روغن مشکل ساز است، استفاده میشود.

کاربردها:

• پوشش های فلزی (مانند رنگهای متالیک) که نیاز به چسبندگی مستقیم به سطح آلومینیوم دارند
• صنایع شیمیایی (واکنشهای حساس به آب یا روغن)
• تولید پودر آلومینیوم برای مواد منفجره یا سوختهای راکتی

آلومینیوم با سطح سخت یا خشک (Dry Lubricated)

آلومینیومی که سطح آن با روان کارهای خشک (مثل گرافیت، PTFE یا MoS₂) پوشانده شده تا اصطکاک را کاهش دهد، بدون اینکه حالت روغنی داشته باشد.

کاربردها:

• ساخت یاتاقان ها، قطعات متحرک یا اتصالاتی که نیاز به روانکاری دائمی دارند
• صنایع غذایی یا دارویی که تماس با روغن مجاز نیست

مقایسه کلی

ویژگی	آلومینیوم نرم (O Temper)	آلومینیوم خشک
استحکام مکانیکی	پایین	بستگی به نوع پردازش دارد (معمولاً متوسط تا بالا)
انعطاف پذیری	بسیار بالا	متوسط (اگر خشک به معنای بدون روغن باشد)
سطح	نرم و بدون پوشش	بدون رطوبت/روغن یا پوشش شده با روانکار خشک
کاربرد اصلی	خمکاری، کشش عمیق	صنایع شیمیایی، پوشش ها، روانکاری خشک
فرآیند پردازش	آنیلینگ (بازپخت)	خشک کردن شیمیایی یا پوشش دهی سطحی

نکات کلیدی

• آلومینیوم نرم بیشتر به حالت آنیل شده فلز اشاره دارد و برای کاربردهای شکل پذیر مناسب است.
• آلومینیوم خشک ممکن است به عدم وجود رطوبت/روغن یا استفاده از روانکارهای خشک روی سطح فلز مربوط باشد.

بیشتر بخوانید : آلومینیوم خشک

انتخاب بین این دو به نیاز پروژه (انعطاف پذیری، اصطکاک، یا شرایط محیطی) بستگی دارد. اگر به دنبال آلومینیوم برای خمکاری یا کشش هستید، نوع نرم (O Temper) گزینه بهتری است. اما اگر نیاز به سطوح بدون روغن یا روانکاری خشک دارید، آلومینیوم خشک مناسب خواهد بود!

بزرگترین تولیدکنندگان پودر آلومینیوم در جهان

پودر آلومینیوم به عنوان یک ماده کلیدی در صنایعی مانند هوافضا، خودروسازی، مواد منفجره، رنگ ها و افزودنی های شیمیایی استفاده میشود. بزرگترین تولیدکنندگان این محصول در جهان معمولاً شرکت هایی هستند که در زنجیره ارزش آلومینیوم فعالیت گسترده ای دارند یا به طور تخصصی در تولید پودرهای فلزی سرمایه گذاری کرده اند.

معرفی شرکت های تولید پودر آلومینیوم در جهان

این شرکت ها علاوه بر تولید آلومینیوم اولیه و محصولات نیمه ساخته، در تولید پودر آلومینیوم نیز فعال هستند:

• برخی از مهمترین تولیدکنندگان پودر آلومینیوم در جهان عبارتند از:
• ریو تینتو (Rio Tinto)

  (کانادا، استرالیا، آمریکا)

  یکی از بزرگترین تولیدکنندگان آلومینیوم جهان با تأکید بر فناوریهای پیشرفته در تولید پودرهای فلزی.

• الکوا (Alcoa)

  (آمریکا)

  پیشگام در تولید آلومینیوم و پودرهای تخصصی برای صنایع دفاعی و هوافضا.

• روسیل (UC Rusal)

  (روسیه)

  بزرگترین تولیدکننده آلومینیوم در روسیه که پودر آلومینیوم را برای بازارهای اروپا و آسیا تولید میکند.

• نورسک هیدرو (Norsk Hydro)

  (نروژ)

  تمرکز بر پودرهای با خلوص بالا برای صنایع الکترونیک و انرژی سبز.

• شرکتهای تخصصی تولید پودرهای فلزی

• اکا گرانولز (ECKA Granules)

  (آلمان)

  یکی از پیشتازان جهانی در تولید پودرهای آلومینیوم، مس و روی با کاربرد در خودروسازی و الکترونیک.

• کیمرا اینترنشنال (Kymera International)

  (آمریکا)

  تخصص در تولید پودرهای غیرآهنی از جمله آلومینیوم اتمیزه برای صنایع نظامی و شیمیایی.

• هوگاناس (Höganäs AB)

  (سوئد)

  اگرچه بیشتر به خاطر پودرهای آهنی شناخته میشود، اما در تولید پودر آلومینیوم برای کامپوزیتها نیز فعال است.

• تولیدکنندگان چین

چین به عنوان بزرگترین تولیدکننده آلومینیوم جهان، سهم قابل توجهی در بازار پودر آلومینیوم دارد:

• چالکو (Chalco – Aluminum Corporation of China)

  تولیدکننده عمده پودر آلومینیوم برای مصارف صنعتی و ساختمانی.

• گروه شینفا (Xinfa Group)

  فعال در تولید پودرهای آلومینیوم با دانه بندی متنوع.

• هونگکیائو گروپ (Hongqiao Group

  یکی از بزرگترین شرکتهای آلومینیومی جهان با ظرفیت بالا در تولید پودر.

• سایر تولیدکنندگان مهم پودر آلومینیوم
• هندالکو (Hindalco)

  (هند)

  زیرمجموعه گروه ادانیا، تولیدکننده پودر آلومینیوم برای بازارهای آسیایی.

• AMG Advanced Metallurgical Group

  (هلند)

  تخصص در پودرهای آلومینیوم با کاربرد در صنایع پیشرفته مانند باتریهای لیتیومی.

• تویو آلومینیوم (Toyo Aluminium)

  (ژاپن)

  تولیدکننده پودرهای آلومینیوم برای صنایع الکترونیک و رنگسازی.

چالش های بازار پودر آلومینیوم

– رقابت چین: قیمتهای رقابتی چین به دلیل دسترسی به انرژی ارزان و تولید انبوه.

– مقررات زیست محیطی: محدودیت های انتشار کربن در اروپا و آمریکا بر هزینه های تولید تأثیر گذاشته است.

– فناوریهای نوین: رشد تقاضا برای پودرهای آلومینیوم نانوساختار در صنایع پیشرفته.

پیش بینی آینده بازار پودر آلومینیوم در بازار جهانی

این شرکت ها با استفاده از روش هایی مانند اتمیزه کردن گاز، آسیاب مکانیکی و الکترولیز، پودر آلومینیوم را در اندازه های ذره و خلوص مختلف تولید میکنند. به دلیل تقاضای فزاینده در بخش انرژی های تجدید پذیر و حمل و نقل سبز، بازار جهانی پودر آلومینیوم تا سال ۲۰۳۰ پیش بینی می شود با رشد سالانه ۴-۵٪ همراه باشد.

پودر آلومینیوم اتمایز (Atomized Aluminum Powder) نوعی پودر آلومینیوم است که از طریق فرآیند اتمیزه‌ سازی تولید می‌شود. در این روش، آلومینیوم مذاب به ذرات ریز تقسیم شده و سپس به سرعت سرد می‌شود تا ساختار پودری به‌ دست آید. برخلاف پودر دندریتی که ساختار شاخه‌ای و پیچیده‌ای دارد، ذرات پودر آلومینیوم اتمایز معمولاً شکل نامنظم و سطح صاف‌تری دارند که ویژگی‌های خاصی را برای آن ایجاد می‌کند. در ادامه از مرکز فروش پودر آلومینیوم، به بررسی روش تولید، ویژگی‌ها، کاربردها و مقایسه پودر آلومینیوم اتمایز با پودر دندریتی می‌پردازیم.

روش‌های تولید پودر آلومینیوم اتمایز

پودر آلومینیوم اتمایز از طریق دو روش اصلی تولید می‌شود: اتمیزه‌سازی گازی و اتمیزه‌سازی آبی.

1. اتمیزه‌سازی گازی (Gas Atomization):

   • در این روش، آلومینیوم مذاب از طریق نازل به جریان گاز پرفشار، مانند نیتروژن یا آرگون، تزریق می‌شود.
   • نیروی گاز مذاب را به ذرات ریز تقسیم کرده و سپس به سرعت سرد می‌کند تا ذرات به‌ طور نامنظم شکل بگیرند.
   • پودر تولید شده در این روش دارای خلوص بالای 99.5% تا 99.9% است و ذرات آن یکنواخت و با سطح صاف‌تری دارند.

2. اتمیزه‌سازی آبی (Water Atomization):

   • در این روش، به جای گاز، از آب پرفشار برای خرد کردن آلومینیوم مذاب استفاده می‌شود.
   • این فرآیند معمولاً باعث تولید ذرات زبرتر و نامنظم‌تر می‌شود و احتمال اکسیداسیون سطحی بیشتر وجود دارد.
   • هزینه تولید در این روش پایین‌تر است، اما خلوص پودر تولیدی معمولاً بین 95% تا 99% قرار دارد.

ویژگی‌های پودر آلومینیوم اتمایز

پودر آلومینیوم اتمایز دارای ویژگی‌های منحصر به فردی است که آن را برای استفاده در صنایع مختلف مناسب می‌سازد:

1. شکل ذرات: برخلاف پودر دندریتی که ذرات آن شاخه‌دار هستند، ذرات پودر آلومینیوم اتمایز معمولاً نامنظم و با سطح صاف‌تری دارند.
2. چگالی بالا: به دلیل شکل نامنظم ذرات، تراکم‌پذیری و جریان‌پذیری پودر آلومینیوم اتمایز بهتر از پودر دندریتی است.
3. سطح صاف: سطح صاف ذرات پودر آلومینیوم اتمایز باعث کاهش واکنش‌پذیری نسبت به پودر دندریتی می‌شود.
4. اندازه ذرات کنترل‌شده: اندازه ذرات می‌تواند از چند میکرون تا چند صد میکرون متغیر باشد.

کاربردهای اصلی پودر آلومینیوم اتمایز

پودر آلومینیوم اتمایز به دلیل خواص فیزیکی خاص خود در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد. برخی از مهم‌ترین کاربردهای این پودر عبارتند از:

1. صنایع متالورژی پودر (PM):

   • پودر آلومینیوم اتمایز در صنایع متالورژی پودر برای ساخت قطعات فلزی به‌ وسیله روش‌های پرس و سینتر (فشرده‌ سازی و پخت) استفاده می‌شود. این قطعات معمولاً سبک، مقاوم و پیچیده هستند و در ساخت قطعات خودرو به‌کار می‌روند.

2. پوشش‌های حرارتی و رنگ‌ها:

   • به عنوان رنگدانه در رنگ‌های متالیک یا پوشش‌های ضدخوردگی به دلیل خاصیت بازتاب نور و حرارت استفاده می‌شود. این کاربرد در صنعت هوافضا و خودروسازی بسیار رایج است.

3. مواد منفجره و آتش‌بازی:

   • پودر آلومینیوم اتمایز به عنوان سوخت در مواد آتش‌بازی، نارنجک‌های دودزا و فشفشه‌ها استفاده می‌شود. واکنش‌پذیری کنترل‌ شده این پودر، آن را برای کاربردهای پرانرژی مناسب می‌سازد.

4. کامپوزیت‌های فلزی:

   • پودر آلومینیوم اتمایز می‌تواند با فلزات دیگر مانند تیتانیوم یا منیزیم ترکیب شود تا خواص مکانیکی یا رسانایی بهبود یابد.

5. صنایع شیمیایی:

   • پودر آلومینیوم اتمایز در صنایع شیمیایی به عنوان کاتالیست یا عامل کاهنده در واکنش‌های شیمیایی کاربرد دارد. به‌ ویژه در تولید گاز هیدروژن از واکنش با آب یا اسیدها استفاده می‌شود.

6. چاپ سه‌بعدی (3D Printing):

   • در فناوری‌های چاپ سه‌بعدی مانند SLS (Selective Laser Sintering) برای ساخت قطعات سبک و مقاوم به‌ کار می‌رود.

7. سوخت جامد راکت‌ها:

   • پودر آلومینیوم اتمایز به همراه اکسیدکننده‌ها (مانند آمونیوم پرکلرات) برای تولید انرژی بالا در پیشرانه‌های موشکی به‌کار می‌رود.

8. الکترونیک:

   • این پودر در ساخت پاست‌های رسانا یا جوهرهای چاپ مدارهای الکترونیکی نیز استفاده می‌شود.

مقایسه پودر آلومینیوم اتمایز و پودر دندریتی

پودر دندریتی و پودر آلومینیوم اتمایز از نظر ساختار و ویژگی‌های فیزیکی تفاوت‌های عمده‌ای دارند:

• پودر دندریتی: ذرات این پودر دارای سطح تماس بالا و ساختار شاخه‌ای هستند که باعث افزایش واکنش‌ پذیری آن می‌شود. این ویژگی‌ها پودر دندریتی را برای کاربردهای پرانرژی مانند مواد منفجره مناسب می‌سازد.
• پودر آلومینیوم اتمایز: ذرات این پودر به دلیل شکل نامنظم و سطح صاف‌تر، جریان‌ پذیری و تراکم‌ پذیری بهتری دارند. به همین دلیل، پودر آلومینیوم اتمایز برای کاربردهایی مانند متالورژی پودر و تولید قطعات مناسب‌تر است.

ملاحظات ایمنی

پودر آلومینیوم اتمایز، همانند سایر پودرهای فلزی، در صورت تماس با هوا یا رطوبت ممکن است اکسید شده و یا تحت شرایط خاص مشتعل شود. برای جلوگیری از خطرات احتمالی، توصیه می‌شود پودر آلومینیوم اتمایز در محیط‌های خشک و خنک ذخیره‌ سازی شود و از گازهای خنثی مانند نیتروژن برای نگهداری آن استفاده گردد.

نتیجه‌گیری

پودر آلومینیوم اتمایز به دلیل تطبیق‌ پذیری بالا و خواص فیزیکی مطلوب، در صنایع پیشرفته‌ای مانند هوا فضا، خودرو سازی و تولید مواد پیشرفته کاربردهای گسترده‌ای دارد. از آنجایی که این پودر به‌ طور گسترده در تولید قطعات فلزی، پوشش‌ها، مواد منفجره و حتی فناوری‌های نوین مانند چاپ سه‌ بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اهمیت آن در صنایع مختلف به‌ وضوح مشهود است. برای خرید و قیمت پودر آلومینیوم می‌توانید از طریق همین سایت اقدام کنید.