專利名稱：一種鐵包鋁型復合粉體的制備方法及其產(chǎn)品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬復合粉體制備領域，更具體地，涉及一種鐵包鋁型復合粉體的制備方法及其產(chǎn)品。
背景技術：
超細鋁粉由于其高的燃燒熱，在固體火箭推進劑、高能炸藥等含能材料領域有著廣泛的應用。然而微米量級的鋁粉燃燒動力學慢、點火延遲長、燃燒不充分，其潛在的高熱值無法充分利用。研究表明，對微米鋁粉進行包覆處理可以有效地改善其燃燒性能，提高“有效鋁”的利用率，其中金屬包覆微米鋁粉對其熱性能的改善尤為突出。這主要是因為通過金屬包覆微米鋁粉，一方面可防止鋁粉的進一步氧化，提高有效鋁的含量；另一方面所包覆的金屬或其氧化生成的金屬氧化物還可作為催化劑，對燃燒起到很好的催化和穩(wěn)定性的作用。作為最常規(guī)的金屬包覆材料之一，可以在微米鋁粉的表面包覆有一層鐵，該鐵包覆層可以進一步氧化成為三氧化二鐵。三氧化二鐵作為常用的燃燒催化劑，并構成了鋁熱劑的主要成分。與傳統(tǒng)的簡單混合或球磨混合式的鋁熱劑相比，這種核殼結構的復合粉體，三氧化二鐵的分散性更好，在燃燒過程中與鋁的有效接觸面積更大，由此能夠有效提高鋁的利用率，并使鋁的放熱過程更集中、迅速?，F(xiàn)有技術中用于制備鐵包覆微米鋁粉的復合粉體的方法主要有電鍍法、化學鍍法和化學液相沉積法。其中，電鍍法的缺陷在于加工設備比較復雜、難以控制并且制造成本較高；化學鍍法雖然工藝相對簡單，但 由于鋁屬于兩性金屬，在酸性或堿性鍍液中都不穩(wěn)定，易于造成鍍液的分解，相應在很大程度上提供了制備過程中質量控制的難度；對于化學液相沉積法而言，其雖然可以在不腐蝕原始鋁粉的情況下實現(xiàn)鐵的包覆，但是包覆的均勻性不佳，而且所制備的Fe/Al復合粉體中存在有游離態(tài)的Fe。因此，在相關領域中存在對鐵包鋁型復合粉體的制備方法作出調整或進一步改進的技術需求。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術的以上缺陷和/或技術需求，本發(fā)明的目的在于提供一種鐵包鋁型復合粉體的制備方法及其產(chǎn)品，其通過利用流化床并采取化學氣相沉積法來制備Fe/Al復合粉體，可以在無需溶劑存在的情況下制得包覆型復合粉體，省去后期的分離和干燥步驟，所制得的產(chǎn)品具備均勻、致密的包覆層，熱性能優(yōu)良且放熱集中性好，并尤其適用于含能材料和激光表面熔覆加工等方面的用途。按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種鐵包鋁型復合粉體的制備方法，其特征在于，該制備方法包括下列步驟(a)將微米量級的鋁粉添加至流化床中并從載氣氣源通入載氣，由此執(zhí)行對鋁粉的流化過程；(b)繼續(xù)通入載氣使得流化床中的空氣被排凈，并對流化床加熱使之達到250°C 350°C的溫度；(c)將羰基鐵加入到連通在載氣氣源與流化床之間的鼓泡器中并執(zhí)行加熱，使得羰基鐵發(fā)生揮發(fā)并由載氣帶入到流化床中發(fā)生氣相沉積反應，由此制得鐵包覆在微米鋁粉表面的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品。通過以上構思，由于采用流化床來作為氣相沉積反應的載體，在反應過程中氣、固接觸面積增大，質/熱轉化率高，這樣可以在無需溶劑存在的情況下實現(xiàn)對單顆粒的均勻一致包覆，并省去后期的分離和干燥工藝；通過采用羰基鐵作為鐵源，其反應條件較為溫和，熱分解后所生成的鐵包覆層純度高，且其厚度能夠通過控制羰基鐵的通入時間得以精確控制；此外，按照以上工藝所制得的Fe/Al復合粉體熱性能優(yōu)良，可有效解決鋁粉燃燒不完全等問題，并且熱量釋放更快速、集中。作為進一步優(yōu)選地，在步驟(a)中，所加入鋁粉的平均尺寸為I 200微米，并且其添加至流化床的高度與流化床自身直徑之間的比值為1. 5 3。之所以對流化處理步驟的高徑比進行以上限定，是考慮到當鋁粉加入量過多時，會使反應時間變長，流化床的分布板易發(fā)生堵塞等嚴重情況；鋁粉加入量過少，會使床層高度過低，羰基鐵在流化床中的時間過短而導致羰基鐵的利用率不高。而上述高徑比范圍經(jīng)過較多對比測試表明，其能夠保證整體制備過程的順利進行，羰基鐵的利用率高，同時還能對復合粉體產(chǎn)品獲得更好的包覆效果。作為進一步優(yōu)選地，當所加入鋁粉的平均尺寸為I 20微米時，在進行流化的同時對其執(zhí)行攪拌操作。當鋁粉顆粒過小時，鋁粉的粘性比較大，很難流化，就算流化了也是以團聚的形式流化，通過在流化處理的同時對鋁粉顆粒執(zhí)行攪拌操作，可以改善鋁粉的流化效果，并且可以打破鋁粉的團聚，有助于后續(xù)工序中鐵對單顆粒鋁的均勻一致包覆。作為進一步優(yōu) 選地，在步驟(b)中，對流化床加熱并使之達到280°C 320°C的溫度。通過對流化床溫度的以上具體限定，較多的比較測試表明，在該溫度范圍內執(zhí)行化學氣相沉積法能夠使得鐵包覆層的純度進一步提高，而當溫度過高或過低時，則可能導致鐵包覆層中的碳含量變高，并導致最終所獲得的復合粉體熱性能劣化。作為進一步優(yōu)選地，在步驟(C)中，對鼓泡器的加熱溫度設定為50°C 100°C。研究發(fā)現(xiàn)，當對鼓泡器的加熱溫度過高時，羰基鐵易分解并轉變?yōu)槠渌镔|，從而妨礙其揮發(fā)性；而通過將鼓泡器的加熱溫度設定為以上范圍，這樣可以適當增加羰基鐵的揮發(fā)速度，縮短反應時間，相應提高整體制造過程的反應效率，并適于大批量的工業(yè)化生產(chǎn)。作為進一步優(yōu)選地，在步驟(C)中，對鼓泡器的加熱溫度設定為70°C。目前的試驗結果表明，該加熱溫度下羰基鐵能夠在自身揮發(fā)速度與流化床的分解速度之間達到較好的平衡，這樣既提高了羰基鐵的利用率，又能使得復合粉體的生產(chǎn)過程具備更聞的反應效率。作為進一步優(yōu)選地，在步驟(C)之后，首先停止對流化床和鼓泡器的加熱，然后關閉流化床的載氣通道同時開啟其大氣通道，并將所制備的復合粉體保留在流化床中5小時以上后予以取出。
研究發(fā)現(xiàn)，當鋁粉顆粒較小譬如平均尺寸為I 20微米時，其活性很強，若在制備復合粉體后直接取出易導致自燃現(xiàn)象的發(fā)生，而通過以上具體操作，可以使得外部空氣從流化床的上端緩緩進入流化床中使得復合粉體鈍化，從而保證最終產(chǎn)品的順利獲得。按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品。作為進一步優(yōu)選地，對于所述復合粉體產(chǎn)品，其中鐵包覆層的熱性能參數(shù)滿足在TG-DSC測試中，1400°C條件下增重達到70%以上；并且該鐵包覆層的平均厚度為500納米左右。按照本發(fā)明的又一方面，還提供了所制備的復合粉體產(chǎn)品在譬如固體火箭推進齊U、高能炸藥等含能材料和激光表面熔覆加工等方面的用途?？傮w而言，按照本發(fā)明的鐵包鋁型復合粉體的制備方法與現(xiàn)有技術相比，主要具備以下的技術優(yōu)點1、通過采用流化床化學氣相沉積方式，可以在無需溶劑存在的情況下即制得Fe/Al復合粉體，并省去后期的分離和干燥處理步驟；此外，流化床由于氣、固接觸面積大，質/熱轉換率高，能夠實現(xiàn)單顆粒的均勻一致包覆；2、通過對制備過程中的反應條件等方面進行選擇，能夠在微米鋁粉表面形成均勻、致密的包覆鐵層，該鐵包覆層的純度高且其厚度可調，并具備優(yōu)良的熱性能且放熱集中性好；3、整體制備方法工藝簡單、成本低廉，便于質量控制，所制得的復合粉體產(chǎn)品可有效解決鋁粉燃燒不完全等問題，放熱量提升且增重速率得到明顯提高，并適于大批量的工業(yè)化生產(chǎn)。`


圖1是按照本發(fā)明用于制備鐵包鋁型復合粉體的設備結構示意圖；圖2是按照本發(fā)明用于制備鐵包鋁型復合粉體的工藝流程圖；圖3是按照本發(fā)明實施例1所制得的Fe/Al復合粉體的SEM圖譜，其中圖3a、3b分別是對所制得的Fe/Al復合粉體在不同放大倍率下的SEM圖譜，圖3c、3d是原始鋁粉在對應放大倍率下的SEM圖譜對照；圖4是按照本發(fā)明實施例2所制得的Fe/Al復合粉體的SEM圖譜，其中圖4a、4b分別是對所制得的Fe/Al復合粉體在不同放大倍率下的SEM圖譜，圖4c、4d是原始鋁粉在對應放大倍率下的SEM圖譜對照；圖5是按照本發(fā)明實施例3所制得的Fe/Al復合粉體的SEM圖譜，其中圖5a、5b分別是對所制得的Fe/Al復合粉體在不同放大倍率下的SEM圖譜，圖5c、5d是原始鋁粉在對應放大倍率下的SEM圖譜對照；圖6是按照本發(fā)明實施例1所制得的Fe/Al復合粉體執(zhí)行后續(xù)處理后的SEM圖譜，其中6a、6b分別是所制得的復合粉體經(jīng)冷鑲、磨樣拋光后在不同放大倍率下觀察截面的SEM圖譜，圖6c、6d分別為對圖6b進行ED面掃描的所獲得主要元素分布圖。圖7和8分別是按照本發(fā)明實施例1所制得的Fe/Al復合粉體的TG-溫度曲線圖和DSC-溫度曲線圖，其中測試溫度范圍為40 1400°C，測試氣氛為20%氧氣加80%氮氣，升溫速率為10K/min。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖1是按照本發(fā)明用于制備鐵包鋁型復合粉體的設備結構示意圖，圖2是按照本發(fā)明用于制備鐵包鋁型復合粉體的工藝流程圖。下面將參照圖1和圖2來具體描述按照本發(fā)明的制備過程。如圖1中所示，該制備設備主要包括氬氣瓶1、轉子流量計2、油浴鍋3、鼓泡器4、注射器5、分布板6、加熱器7、流化床8等。IS氣瓶I作為載氣氣源裝有IS氣，它依次與鼓泡器4和流化床8可關閉地相連接，并通過轉子流量計2來控制流量。流化床8譬如為內徑為22mm、高度為800mm的石英玻璃管，其內部設置有呈200目不銹鋼柵網(wǎng)形式的分布板6。該分布板焊接在一個外徑與流化床內徑一致的鋼管一端，然后將此鋼管從流化床底端插入其內，這樣就可以通過控制鋼管的插入長度來調節(jié)分布板6在流化床中的高度。當微米量級的鋁粉被裝入到流化床中并連接好反應器后，通過調節(jié)氬氣氣速，可以觀察到鋁粉在流化床中實現(xiàn)了流態(tài)化。保持氬氣的氣速不變并繼續(xù)通入氬氣使得流化床8中的空氣被排凈。接著，通過加熱器7 對流化床進行加熱使之達到250°C 350°C的設定溫度，當流化床8達到設定溫度后，將譬如為分析純的羰基鐵注入到鼓泡器4中并密封好，同時通過油浴鍋3使鼓泡器升溫至羰基鐵發(fā)生揮發(fā)，載氣將把氣態(tài)羰基鐵帶入到流化床中發(fā)生氣相沉積反應(CVD)，由此制得鐵包覆在微米鋁粉表面的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品?？紤]到環(huán)境保護的問題，在制備裝置后部還依次連接有用于存放KmnO4溶液的容器9和用于存放H2O的容器10，以便處理未分解的氣態(tài)羰基鐵以及反應過程中所產(chǎn)生的其他有害氣體。待鼓泡器4中的羰基鐵揮發(fā)完全后，斷開各加熱電源，然后關閉流化床的下端載氣通道同時開啟其上端大氣通道，并將所制備的復合粉體保留在流化床中5小時以上后予以取出。實施例1向流化床中添加平均尺寸為29微米的鋁粉15g并通入氬氣作為載氣，調節(jié)氬氣的氣速至O. 7L/min,由此執(zhí)行對鋁粉的流化過程，在此過程中，鋁粉添加至流化床的高度與流化床自身直徑之間的比值也即高徑比控制為3 ;接著，繼續(xù)通入氬氣使得流化床中的空氣被排凈，然后封閉流化床與外界空氣的連通，并對流化床加熱使之達到300°C的溫度；當流化床達到300°C后，將15ml的羰基鐵加入到鼓泡器中并加熱至100°C，使得羰基鐵發(fā)生揮發(fā)并由氬氣帶入到流化床中發(fā)生氣相沉積反應，由此制得鐵包覆在微米鋁粉表面的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品。實施例2向流化床中添加平均尺寸為7微米的鋁粉IOg并通入氬氣作為載氣，調節(jié)氬氣的氣速至O. 5L/min同時對鋁粉執(zhí)行攪拌操作，由此執(zhí)行對鋁粉的流化過程，在此過程中，鋁粉添加至流化床的高度與流化床自身直徑之間的比值也即高徑比控制為2. O ;接著，繼續(xù)通入氬氣使得流化床中的空氣被排凈，然后封閉流化床與外界空氣的連通，并對流化床加熱使之達到320°C的溫度；當流化床達到320°C后，將22ml的羰基鐵加入到鼓泡器中并加熱至50°C，使得羰基鐵發(fā)生揮發(fā)并由氬氣帶入到流化床中發(fā)生氣相沉積反應，由此制得鐵包覆在微米鋁粉表面的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品。實施例3向流化床中添加平均尺寸為2微米的鋁粉Sg并通入氬氣作為載氣，調節(jié)氬氣的氣速至O. 4L/min同時對鋁粉執(zhí)行攪拌操作，由此執(zhí)行對鋁粉的流化過程，在此過程中，鋁粉添加至流化床的高度與流化床自身直徑之間的比值也即高徑比控制為1. 5 ;接著，繼續(xù)通入氬氣使得流化床中的空氣被排凈，然后封閉流化床與外界空氣的連通，并對流化床加熱使之達到280°C的溫度；當流化床達到280°C后，將15ml的羰基鐵加入到鼓泡器中并加熱至70°C，使得羰基鐵發(fā)生揮發(fā)并由氬氣帶入到流化床中發(fā)生氣相沉積反應，由此制得鐵包覆在微米鋁粉表面的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品?？紤]到鋁粉顆粒較小時活性極強易發(fā)生自燃現(xiàn)象，在本實施例中待鼓泡4中的羰基鐵揮發(fā)完全后，斷開各加熱電源，然后關閉流化床的下端載氣通道同時開啟其上端大氣通道，并將所制備的復合粉體保留在流化床中5小時以上后予以取出。圖3-5中a、b分別為按照本發(fā)明實施例1、實施例2、實施例3所制得的Fe/Al復合粉體在不同放大倍率下的SEM圖譜。與原始鋁粉的SEM圖譜(圖3-5中的c、d)對比可以看出，所制備的復合粉體表面均勻、一致的被一層納米級的小顆粒包覆著。圖6a、6b分別是按照本發(fā)明實施例1所制得的Fe/Al復合粉體經(jīng)冷鑲、磨樣拋光后觀察截面的SEM圖譜，圖6c，6d為圖6b截面的EDX面掃描所獲得的主要元素分布圖。由圖6可知所制備的復合粉體為鐵包覆微米鋁的核殼結構復合粉體。圖7、圖8分別是按照本發(fā)明實施例1所制得的Fe/Al復合粉體的TG-溫度曲線圖和DSC-溫度曲線圖。從圖中可以看出，所制得的Fe/Al復合粉體在高溫階段的氧化反應活性與原始鋁粉相比明顯更高，在相同溫度范圍內，F(xiàn)eAl-O2的放熱量比原始鋁粉的Al-O2的放熱量就有大幅度的提聞；包覆后的Al粉與O2反應速率大大提聞，熱量釋放更快速、集中；此外，F(xiàn)eAl-O2的反應增重明顯大大高于包覆前，增重更加劇烈，增重率明顯提高。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的 精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種鐵包鋁型復合粉體的制備方法，其特征在于，該制備方法包括下列步驟 Ca)將微米量級的鋁粉添加至流化床中并從載氣氣源通入載氣，由此執(zhí)行對鋁粉的流化過程； (b)繼續(xù)通入載氣使得流化床中的空氣被排凈，并對流化床加熱使之達到250°C 350°C的溫度； (c)將羰基鐵加入到連通在載氣氣源與流化床之間的鼓泡器中并執(zhí)行加熱，使得羰基鐵發(fā)生揮發(fā)并由載氣帶入到流化床中發(fā)生氣相沉積反應，由此制得鐵包覆在微米鋁粉表面的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟(a)中，所加入鋁粉的平均尺寸為1 200微米，并且其添加至流化床的高度與流化床自身直徑之間的比值為1. 5 3。
3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，當所加入鋁粉的平均尺寸為1 20微米時，在進行流化的同時對其執(zhí)行攪拌操作。
4.如權利要求1-3任意一項所述的制備方法，其特征在于，在步驟(b)中，對流化床加熱并使之達到280°C 320°C的溫度。
5.如權利要求1-4任意一項所述的制備方法，其特征在于，在步驟(c)中，對鼓泡器的加熱溫度設定為50°C 100°C。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟(c)中，對鼓泡器的加熱溫度設定為70。。。
7.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，在步驟(c)之后，首先停止對流化床和鼓泡器的加熱，然后關閉流化床的載氣通道同時開啟其大氣通道，并將所制備的復合粉體保留在流化床中5小時以上后予以取出。
8.—種如權利要求1-7任意一項所述的方法所制得的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品。
9.如權利要求8所述的鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品，其中鐵包覆層的熱性能參數(shù)滿足在TG-DSC測試中，1400°C條件下增重達到70%以上；并且該鐵包覆層的平均厚度為500納米左右。
10.如權利要求8或9所述的復合粉體產(chǎn)品在譬如固體火箭推進劑、高能炸藥等含能材料和激光表面熔覆加工等方面的用途。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵包鋁型復合粉體的制備方法，包括(a)將微米鋁粉添加至流化床中并通入載氣，由此執(zhí)行對鋁粉的流化過程；(b)繼續(xù)通入載氣使得流化床中的空氣排凈，并對流化床加熱使之達到預定溫度；(c)將羰基鐵加入到鼓泡器中并執(zhí)行加熱，使得羰基鐵揮發(fā)并由載氣帶入到流化床中發(fā)生氣相沉積反應，由此制得鐵包鋁型復合粉體產(chǎn)品。本發(fā)明還公開了相應的復合粉體產(chǎn)品及其用途。通過本發(fā)明，可以在無需溶劑存在的情況下制得包覆型復合粉體，省去后期的分離和干燥步驟，所制得的產(chǎn)品具備均勻、致密的包覆層，熱性能優(yōu)良且放熱集中性好，并尤其適用于含能材料和激光表面熔覆加工等方面的用途。
文檔編號C23C16/16GK103060770SQ201210513429
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權日2012年12月4日
發(fā)明者胡木林, 陳志安, 王振業(yè), 謝長生, 戚娜娜 申請人:華中科技大學