一種核殼結(jié)構(gòu)超級鋁熱劑的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超級鋁熱劑，該材料可作為固體推進劑的主要組分或燃燒催化劑。
技術(shù)背景
[0002]在現(xiàn)代化的國防科技領(lǐng)域中，含能材料及其在武器裝備系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用占據(jù)著舉足輕重的地位，是武器彈藥具備高性能的重要基礎(chǔ)。追求高的能量性能是含能材料亙古不變的目標；同時在含能材料的能量釋放(動力學(xué))方面，需要探索發(fā)現(xiàn)其功效發(fā)揮/能量釋放過程的本質(zhì)特性，并了解和利用這些特性來調(diào)控含能材料的性能。
[0003]納米含能材料(Nano Energetic materials，nEMs)是指粒徑處于I?10nm的含能材料，既可以是單質(zhì)含能材料納米晶體，也可以是納米級含能復(fù)合物，一般是由金屬/金屬氧化物和(或)無機/有機含能材料組分的納米顆粒及基體組成。含能材料納米化后，除了具有普通尺寸含能材料的優(yōu)異性能外，還有許多潛在的性能優(yōu)勢，如爆炸能量的釋放更加完全、爆轟更接近于理想爆轟、很高的能量釋放速率和燃燒(能量轉(zhuǎn)化)效率、相對較好的感度、優(yōu)良的力學(xué)性能等。各國紛紛展開了對納米含能材料的研究，主要集中在材料制備過程中的技術(shù)難題和其用于火炸藥時的潛能及效用。
[0004]超級招熱劑(Super Thermite)，又稱為亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物(MIC)，是納米級招粉和氧化性較強的金屬/非金屬氧化物所組成的復(fù)合物，表現(xiàn)出鋁熱劑的高放熱性質(zhì)，與傳統(tǒng)單質(zhì)含能材料相比，最大的不同是其反應(yīng)性是基于分子間的相互作用而不是分子內(nèi)的反應(yīng)。由于其鋁熱反應(yīng)過程中極快的反應(yīng)速率和較高的放熱量，在化工、能源、軍事、環(huán)保等的應(yīng)用已成為一個非常具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。
[0005]然而，利用目前的制備方法如溶膠-凝膠法，超聲分散復(fù)合法，反應(yīng)抑制研磨法等所制備出的超級鋁熱劑往往只能夠?qū)崿F(xiàn)納米鋁粉與氧化物的均勻混合或復(fù)合，而不能滿足金屬與氧化劑之間分子尺度的有效接觸。而ALD(原子層沉積)等方法雖然能夠制備出具有完整核-殼結(jié)構(gòu)的超級鋁熱材料，但是其工藝設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)要求高，其產(chǎn)量較小，難以滿足應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提供一種利用生物分子左旋多巴(DOPA)調(diào)控的nAl@D0PA-M核殼結(jié)構(gòu)超級鋁熱劑制備方法。本發(fā)明采用溶液制備方法，工藝流程簡單，合成設(shè)備為傳統(tǒng)攪拌設(shè)備，原料為常見化學(xué)試劑，完全能夠滿足大規(guī)模制備的需要。
[0007]上述超級鋁熱劑的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I)納米鋁粉的表面包覆
[0009]稱取原料鋁粉放入燒杯中，冰浴條件下加入蒸餾水，然后加入左旋多巴(DOPA)，調(diào)節(jié)pH值在8.5?12的范圍內(nèi)分散攪拌I?2h，可實現(xiàn)左旋多巴在納米鋁粉表面的均勻包覆；
[0010](2)超級鋁熱劑nAl@D0PA-M的制備
[0011]向步驟I所制備的納米鋁粉懸濁液中加入可溶性金屬鹽的水溶液，冰浴攪拌2?4小時，離心，洗滌，放入真空干燥箱烘干得到基于生物分子的超級鋁熱劑。
[0012]所述的鋁粉平均粒徑為80?200nm。左旋多巴質(zhì)量為鋁粉的1%?50%，蒸餾水質(zhì)量為鋁粉的1?20倍。可溶性金屬鹽選自Fe，Cu，Mg，Ni，Mn等的可溶性金屬鹽。
[0013]本發(fā)明優(yōu)點:本發(fā)明合成工藝簡單，合成得到的超級鋁熱劑為完整核殼結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)金屬與氧化劑之間分子尺度的有效接觸，避免了傳統(tǒng)制備方法中氧化劑與金屬粉分布不均勻且傳質(zhì)距離過大的問題，同時生物分子能夠定向控制金屬離子輸運，大幅降低傳質(zhì)距離，提高放熱效率。
【附圖說明】
[0014]圖1是超級鋁熱劑nAl@D0PA-Cu的TEM照片；
[0015]圖2是超級鋁熱劑nAl@D0PA-Cu的SEM以及EDS譜圖；
[0016]圖3是超級鋁熱劑nAl@D0PA-Cu與普通納米鋁熱劑的熱分解特性譜圖。
【具體實施方式】
[0017]下面通過實施例對本發(fā)明做進一步解釋說明。
[0018]實施例1nAlODOPA-Cu的制備
[0019](I)將5g納米鋁粉冰浴條件下分散于10mL蒸餾水中，加入2g左旋多巴(DOPA)JJf節(jié)pH值在8.5?12的范圍內(nèi)攪拌I?2h;稱取4.84g(0.02moI)硝酸銅溶于上述懸池液中，攪拌混合均勻；
[0020](2)冰浴攪拌反應(yīng)4h，然后靜置；
[0021](3)將沉淀用去離子水多次洗滌、干燥可制得黑灰色產(chǎn)物。
[0022]實施例2nAl@D0PA_Fe的制備
[0023](I)稱取5g的納米鋁粉，冰浴條件下分散于10mL蒸餾水中，加入2g左旋多巴(D0PA)，調(diào)節(jié)pH值在8.5?12的范圍內(nèi)分散攪拌1?211;稱取8.(^(0.0211101)硝酸鐵溶于上述懸池液中，攪拌混合均勾;
[0024](2)冰浴攪拌反應(yīng)3h，然后靜置；
[0025](3)將沉淀用去離子水多次洗滌、干燥可制得黑灰色產(chǎn)物。
[0026]實施例3nAl@D0PA-Mg的制備
[0027](I)稱取5g的納米鋁粉，冰浴條件下分散于10mL蒸餾水中，加入2g左旋多巴(D0PA)，調(diào)節(jié)pH值在8.5?12的范圍內(nèi)分散攪拌1?211;稱取5.128(0.0211101)硝酸鎂溶于上述懸池液中，攪拌混合均勾;
[0028](2)冰浴攪拌反應(yīng)4h，然后靜置；
[0029](3)將沉淀用去離子水多次洗滌、干燥可制得黑灰色產(chǎn)物。
[0030]nAl@D0PA-M超級鋁熱劑的表征及性能測試
[0031]1.結(jié)構(gòu)表征
[0032]以nAlODOPA-Cu樣品為例，圖1是樣品的透射電子顯微鏡照片。從圖中可以清楚看至IJ，所制備樣品為完整的核殼結(jié)構(gòu)。顆粒尺寸約為lOOnm，殼層厚度在1nm左右，由于樣品制備過程中未添加其他化合物，可知表面殼層應(yīng)該為DOPA分子形成的包覆層。圖1右是樣品的HRTEM照片，從圖中可以測量出樣品的晶格條紋間距約為0.23nm，符合鋁的(111)面的間距，證明了核-殼結(jié)構(gòu)的核心是納米鋁顆粒。
[0033]圖2分別是nAlODOPA以及nAl@D0PA-Cu樣品的SEM照片以及相應(yīng)的選區(qū)EDS能譜。從圖中可以看到，左邊樣品的EDS能譜中僅含有Al以及C、N、0元素，由于樣品制備過程中未添加其他化合物，說明Al的表面均勻包覆了 DOPA分子。而右邊樣品中除了 Al、C、N、O外還有Cu元素的出現(xiàn)，說明在樣品中添加可溶性銅鹽后，在納米鋁粉表面形成了 DOPA-Cu化合物的包覆層。結(jié)合圖1以及圖2可知，所制備的樣品為核殼結(jié)構(gòu)的超級鋁熱劑，而表面包覆層為DOPA-Cu化合物。
[0034]2.性能測試
[0035]圖3為nAl@D0PA-Cu與普通納米鋁熱劑nAl/CuO的熱分解譜圖，從圖中可以看到，與普通納米鋁熱劑相比，nAl@D0PA-Cu樣品的分解峰溫提前，放熱量增大，說明nA1DOPA-Cu比普通納米鋁熱劑放熱效率更高，釋能更加完全。
【主權(quán)項】
1.一種核殼結(jié)構(gòu)超級鋁熱劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)冰浴條件下將鋁粉與蒸餾水、左旋多巴反應(yīng)，調(diào)節(jié)PH值在8.5?12的范圍內(nèi)，攪拌I?2h得納米招粉懸池液； (2)向納米鋁粉懸濁液中加入可溶性金屬鹽冰浴攪拌2?4小時，離心，洗滌，真空干燥得到超級招熱劑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級鋁熱劑的制備方法，其特征在于所述鋁粉平均粒徑為80?200nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級鋁熱劑的制備方法，其特征在于左旋多巴質(zhì)量為鋁粉的1%?50%，蒸餾水質(zhì)量為鋁粉的10?20倍。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級鋁熱劑的制備方法，其特征在于可溶性金屬鹽選自Fe、Cu、Mg、Ni或Mn。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種核殼結(jié)構(gòu)超級鋁熱劑的制備方法，包括以下步驟：(1)納米鋁粉的表面包覆；(2)超級鋁熱劑nAlDOPA-M的制備。與傳統(tǒng)方法相比，采用本發(fā)明方法制備得到的超級鋁熱劑避免了氧化劑與鋁粉分布不均的問題，生物分子氧化劑在納米鋁表面形成完整的殼層，能夠顯著降低反應(yīng)熱傳導(dǎo)距離，提升傳質(zhì)效率，大幅提高材料的能量釋放效率。并且，該方法反應(yīng)條件溫和，工藝簡單，便于批量制備，有利于推廣應(yīng)用。
【IPC分類】B22F9/30, B22F1/02
【公開號】CN105598471
【申請?zhí)枴緾N201610164482
【發(fā)明人】曲文剛, 趙鳳起, 高紅旭, 羅陽, 郝海霞, 姜菡雨
【申請人】西安近代化學(xué)研究所
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年3月22日