铝热反应

　　铝热反应是一种利用铝的还原性获得高熔点金属单质的方法。可简单认为是铝与某些金属氧化物(如三氧化二铁、三氧化二铬、二氧化锰等)在高热条件下发生的反应。铝热反应常用于冶炼高熔点的金属，是一个放热反应。

铝热反应的原理

　　铝热反应是铝单质在高温的条件下进行的一种氧化还原反应，体现出了铝的强还原性。由于氧化铝的生成焓(-1645kJ/mol)极低，故反应会放出巨大的热，甚至可以使生成的金属以熔融态出现。

　　铝热反应放出大量热使铝熔化，反应在液相中进行使反应速率极快，短时间放出极大量的热。铝热反应的剧烈程度，由金属离子氧化性所决定。据估计，500克铝热剂(成分是氧化铁和铝)会在30秒内燃烧殆尽。

　　表达式：2yAl+3M_xO_y==高温==yAl₂O₃+3xM(M为金属元素)

　　实验反应化学方程式:

　　氧化铁：2Al+Fe₂O₃==高温==2Fe+Al₂O₃

　　四氧化三铁：8Al+3Fe₃O₄==高温==9Fe+4Al₂O₃

　　二氧化锰：4Al+3MnO₂==高温==3Mn+2Al₂O₃

　　五氧化二钒：10Al+3V₂O₅==高温==6V+5Al₂O₃

　　氧化铬：2Al+Cr₂O₃==高温==2Cr+Al₂O₃

　　(铝热反应配平技巧：取反应物和生成物中氧化物中两边氧的最小公倍数，即可快速配平，如铝热法中，可取Fe₃O₄和Al₂O₃中氧的最小公倍数12，则Fe₃O₄前应为3，Al₂O₃前应为4，底下便可得到Al为8，Fe为9)

铝热剂

　　自18世纪俄国科学家别盖托夫发现铝热反应现象以来，铝热剂作为一种高质量密度、高能量密度、高安全性能的含能材料，已走过了200多年的历史。从广义上讲，铝热剂的主体是由Al粉与氧化性较强的金属或非金属氧化物所组成的混合物(如Fe₂O₃、MnO₂、CuO、WO₃、PbO、SiO₂甚至聚四氟乙烯等)，它们之间在受热或者机械力的引发后，能够发生剧烈的氧化还原反应并放出大量的热，其公式为

2xAl+3MO_x→xAl₂O₃+3M+△H

　　式中：M、MO_x——某种金属或非金属元素及其相对应的氧化物;

　　△H——反应热。

　　这是一种多组分体系，其具有许多优点：

　　①能量密度高，具有足够的热效应，绝热火焰温度通常能达到2000～2800℃;

　　②有效携氧量高，不需借助空气中的氧即能够发生剧烈的燃烧反应;

　　③组分选择范围广、配方灵活，可以通过选择不同的组分或化学配方来满足不同的应用需要;

　　④机械和热感度低，在±100℃的环境中具有足够的化学和物理安定性，并且当受到弱酸(碱)溶液的作用时，仍能够保持稳定;

　　⑤质量密度高，易成型，吸湿性弱，有利于长期储藏，对人体无害且原料丰富、价格低廉。

铝热反应的应用

　　1、铝热反应应用于冶金

　　别盖托夫在实现了Al与BaO之间的相互反应后。进一步利用Al和碱金属化合物作用来提取碱金属单质，从而为铝热冶金法奠定了基础。目前，由于铝热剂配方灵活，铝热反应会放出大量的热并生成新的金属单质，因此其被广泛应用于冶金工业中来提取较纯的金属或合金。例如，炼取质量比为90：10的Fe-Mn合金，可将90%零氧平衡化学计量比的Al-Fe₂O₃体系与10%零氧平衡化学计量比的Al-Mn₃O₄体系结合起来使用。

　　2、铝热反应应用于焊接、切割器、加热器、点火器、热电池等

　　除冶金外，铝热反应还广泛应用于焊接、切割器、加热器、点火器、热电池等。例如，铝热剂可包装成焊接药包或者加工成焊接用的元件，用来对焊、修复铸件，对接、修理铁轨，以及焊接电话线、钢丝线等。尤其是紫铜高热剂，被广泛地应用于焊接和对接铁轨。

　　铝热切割器是铝热效应的一项新应用，可供打捞队在海中切割电缆和切断钢制结构。根据1970年的报告，由铝热剂构成的切割器可在海深609.6m处0.25s内割断101.6mm厚度的不锈钢板。若使用CuO和Fe₂O₃的混合物作为氧化剂，则能提高切割器的热量。

　　由铝热剂制造的热电池也是借助铝热燃烧所产生的热量使固体电解质熔化产生电流。其特点是在铝热剂未作用前电池总是处于非工作状态，可以无限期地储存。虽然这种热电池只能一次性使用，但它的可靠性好，适宜于远距离启动。

　　3、铝热反应应用于铝热-离心技术

　　铝热-离心技术是利用自蔓延高温合成反应(简称SHS)的剧烈放热，使密度不同的熔融反应产物在离心力场的作用下因所受离心力不同而相互分离的一种新技术。

　　目前，研制的SHS离心机与离心铸机有很多相似之处，而将铝热-离心技术与离心铸造技术结合起来更是一个有益的尝试。若在已离心浇注成型且尚处较高温度的铸铁管内加入铝热剂，重新开启离心机并引燃，使其发生铝热反应，则可制备大尺寸的陶瓷内衬铸铁管。

　　这一复合技术的突出优点是可利用铸造余热提高铝热反应温度，免除了预热这一难度较大的工序，而且刚形成的铸铁管内圆偏心小，有利于获取均厚的陶瓷涂层。另外，使用新的铝热体系(如AI-CuO)以及开发多元铝热剂，也是铝热一离心技术取得实质性发展的关键。

　　4、铝热反应应用于军事领域

　　铝热反应在军事上的应用已有近一个世纪的历史。其具有较高的能量密度和绝热火焰温度，被广泛地应用于燃烧剂、点火药、高能炸药、固体火箭推进剂的能量添加剂等。

　　铝热燃烧剂是利用铝热反应输出的热能对易燃目标起纵火作用的含能药剂，用于装填各种燃烧弹及燃烧器材，如燃烧手榴弹、枪弹、炮弹、火箭弹、航弹等。与炸弹的瞬间爆轰作用不同，燃烧弹主要起引燃作用，造成易燃目标的二次燃烧。使用铝热剂作为燃烧剂除符合含能材料的一般要求外，还具有以下特点：

　　(1)温度高、火焰长、熔渣多。燃烧剂的燃烧温度、火焰长度及灼热熔渣的量是决定燃烧器材燃烧性能优劣的主要因素。

　　(2)具有一定的燃烧速度。燃烧速度的大小直接决定燃烧器材的作用持续时间。燃烧速度的确定一方面取决于燃烧制品的燃烧能力，另一方面取决于被点燃物质的可燃性。铝热剂燃烧时间的可调性很大，因此其用途要比一般的油类燃烧剂和金属类燃烧剂更加广泛。

　　(3)易于点燃而难以熄灭。燃烧药剂的点火性能及点燃后是否容易熄灭决定燃烧器材的可靠性。铝热剂由于含有凝聚态的氧化剂，因此比借助于空气中的氧气来燃烧的药剂更加难熄灭，一般的灭火器材很难起作用。

　　(4)热流量尽可能高。热流量是军用燃烧药剂的一项主要威力参数，它可以定义为单位时间、单位面积放出的热量(J·cm^-2·s^-1)，也可以定义为单位质量药剂于单位时间内放出的热量(J·cm^-2·s^-1)。提高药剂燃烧时产生的热流量可以缩短杀伤、烧毁目标所需要的时间。