鋁熱劑

鋁熱劑是把鋁粉和高熔點金屬氧化物（如三氧化二鐵粉末）按比例配成的混合物， 使用時加入氧化劑點燃，反應激烈進行，得到氧化鋁和單質並放出大量的熱，温度可到約2500℃，能使生成的單質熔化。這個反應叫做鋁熱反應。鋁熱反應原理可以應用在生產上，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。當鋁粉跟這些金屬氧化物反應時，產生足夠的熱量，使被還原的金屬在較高温度下呈熔融狀態，跟形成的熔渣分離開來，從而獲得較純的金屬。在工業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放熱。有些金屬氧化物，不能與鋁反應，或放出的熱不多，均不能做鋁熱劑使用。

德國化學家漢斯·歌德史密斯於1893年發明鋁熱法並於兩年後申請專利。 ^[1]  因此該反應也被稱為“歌德史密斯法”或“歌德史密斯過程”。研究最初的目的是在不用碳熔鍊的條件下製備高純度金屬，但歌德史密斯敏鋭的發現鋁熱法可以用於焊接。 ^[2]  1899年在德國埃森，鋁熱法首次商業應用於焊接鐵軌。

鋁熱反應需要高温來引發，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；過氧化鋇也可以，但煙有毒）。高錳酸鉀和甘油的混合物緩慢放熱，也可以做引發劑（高錳酸鉀和葡萄糖的混合物亦可，點燃後劇烈反應並引發鋁熱反應）。丙烷槍也可以提高引發反應所需的高温。反應開始後會劇烈放熱，火花四濺，温度極高，所以點火時要注意安全。

鋁熱劑中最常用的氧化鐵/鋁， ^[3-5]  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，但僅用於專門目的。 所有這些實施例使用鋁作為反應性金屬。含氟聚合物可用於特殊配方中，特氟隆與鎂或鋁是相對常見的實例。 ^[6] 

乾冰和還原劑如鎂，鋁和硼的組合遵循與傳統鋁熱劑混合物相同的化學反應，產生金屬氧化物和碳。 儘管乾冰鋁膏混合物的非常冷的温度，但是這種系統能夠用火焰點燃。當細分狀乾冰鋁熱劑被傳統炸藥一樣限制在管中點燃時，將會爆炸，並且反應中釋放的一部分碳以金剛石的形式出現。

原則上，可以使用任何活性金屬代替鋁。但是鋁的性質對於該反應幾乎是理想的：

它是迄今為止最便宜的高反應性金屬。

它形成鈍化層，使其比許多其他活性金屬更安全。 ^[7] 

其相對低的熔點 （660℃）意味着易於熔融金屬，使得反應主要在液相中發生，因此相當快地進行。

其高沸點 （2519℃）使得反應達到非常高的温度，因為幾個過程傾向於將最高温度限制到剛好低於沸點。 這種高沸點在過渡金屬中是常見的，但是在高反應性金屬中並不常見。

此外，由於反應形成的氧化鋁的低密度趨於使其漂浮在所得純金屬上。 這對於減少焊縫中的污染是特別重要的。

儘管反應物在室温下是穩定的，但當它們被加熱至着火温度時，它們以極強烈的放熱反應燃燒。 由於達到高温（高達2500°C，使用氧化鐵(III)），產品表現為液體-雖然達到的實際温度取決於熱量能夠快速逃逸到周圍環境。 鋁熱劑有自己的氧氣供應，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，其不能被窒息並且可以在任何環境中點燃。 它會在濕潤時燃燒良好，不能用水輕易熄滅，雖然足夠的水會除去熱量並可能停止反應。 少量的水在達到反應前會沸騰。 即使如此，鋁熱劑也用於水下焊接。 ^[8] 

該鋁合金的特徵在於在燃燒期間幾乎完全沒有氣體產生，反應温度高。 燃料應具有高的燃燒熱併產生具有低熔點和高沸點的氧化物。 氧化劑應當包含至少25%的氧，具有高密度，低形成熱，並且產生具有低熔點和高沸點的金屬（因此釋放的能量不會在反應產物的蒸發中消耗）。 可以向組合物中加入有機粘合劑以改善其機械性能，然而它們傾向於產生吸熱分解產物，導致反應熱的一些損失和氣體的產生。 ^[9] 

反應期間達到的温度決定結果。 在理想情況下，反應產生充分分離的金屬和爐渣的熔體。 為此，温度必須足夠高以熔化反應產物，所得金屬和燃料氧化物。 太低的温度將導致燒結金屬和爐渣的混合物，太高的温度 - 高於任何反應物或產物的沸點 - 將導致氣體的快速產生，分散燃燒的反應混合物，有時甚至爆炸。可以通過添加合適的氧化劑來提高太低的反應温度（例如當從砂生產硅時），通過使用合適的冷卻劑和/或熔渣流量可以降低太高的温度。通常在使用的助熔劑是氟化鈣，因為其僅最低限度地反應，具有相對低的熔點，在高温下的低熔體粘度（因此增加爐渣的流動性）並與氧化鋁形成共晶體。 然而，過多的助熔劑將反應物稀釋至不能維持燃燒的程度。金屬氧化物的類型也對產生的能量的量具有顯着的影響；氧化價越高，產生的能量越高。一個好的實例是氧化錳(IV)和氧化錳(II)之間的差異，其中前者產生太高的温度，後者幾乎不能維持燃燒；為了獲得良好的結果，應該使用具有適當比例的兩種氧化物的混合物。

反應速率也可以用粒徑調節；較粗的顆粒比較細的顆粒燃燒得慢。該效果對於需要加熱至較高温度以開始反應的顆粒更顯顯著。

在絕熱條件下 ，當沒有熱量損失到環境中時，在反應中實現的温度可以使用赫斯定律來估計-通過計算由反應本身產生的能量（從產物的焓中減去反應物的焓）並減去加熱產品所消耗的能量（根據它們的比熱，當材料僅改變它們的温度時，以及它們的熔化焓和當材料熔化或沸騰時的最終蒸發焓）。 在實際條件下，反應對環境失去熱量，因此實現的温度略低。傳熱速率是有限的，因此反應越快，越接近其運行的絕熱條件，並且實現的温度越高。 ^[10] 

最常見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。前者產生更多的熱量。後者更容易點燃，可能是由於氧化物的晶體結構。 添加銅或錳氧化物可以更容易點燃。 ^[9] 

銅鋁熱劑可以使用氧化亞銅或氧化銅來製備。燃燒速率非常快，並且銅的熔點相對低，因此反應在非常短的時間內產生大量的熔融銅。銅(II)鋁熱反應可能如此之快，以致於銅鋁熱劑可以被認為是一種閃光粉末。可能發生爆炸，併發送銅滴噴霧到相當遠的距離。

銅(I)鋁熱劑具有工業用途，例如焊接厚銅導體，這種焊接也被用於電纜拼接。

鋁熱燃燒劑是鹽基氧化劑（通常是硝酸鹽，例如硝酸鋇或過氧化物）的鋁熱劑。 與常規鋁熱劑相比，鋁熱燃燒劑燃燒時有火焰和氣體的放出。 氧化劑的存在使得混合物更容易點燃並改善燃燒物對靶的滲透，因為放出的氣體噴射熔融爐渣並提供機械攪拌。這種機制使得鋁熱燃燒劑用於燃燒目的和用於敏感設備（例如密碼設備）的緊急破壞的熱固性材料更適合，因為鋁熱劑的效應更局部化。

鋁熱反應過程中放出的熱可以使高熔點金屬熔化並流出，故鋁熱法廣泛運用於焊接搶險工程，例如將鐵軌連接成一段長軌即使用此法。另外，鋁熱法也是冶煉釩、鉻、錳等高熔點金屬的重要手段。

鋁熱劑除了焊軌、冶煉難熔金屬以外，在軍事上也有廣泛的應用，例如在炮彈頭—咀裝進鋁熱劑成分，因為反應温度極高，用於製作燃燒彈，可熔穿裝甲，極大地提高殺傷力。在前蘇聯科學家編寫的《火箭炮》一書中，談到火箭炮彈頭裝藥就有鋁熱劑的成分。

在中國人民革命軍事博物館裏，展品中就有美軍的鋼盔、卡賓槍被燒熔在一起，除了火箭彈以外，其他炸彈沒有如此大的能量。

除此之外，其他的單質與金屬氧化物混合之後點燃，也會發生強烈的氧化還原反應，效果類似於鋁熱反應。其中的單質可以是鋁、鎂、鈣、鈦、硅、硼——並不僅限於金屬，而金屬氧化物可以是三氧化二硼、二氧化硅、三氧化二鉻、二氧化錳、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅和四氧化三鉛等。有時這些反應也根據反應中的還原劑而稱為“鎂熱法”“硅熱法”“鈣熱法”“碳熱法”等等。