专利名称：导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米级金属粉体材料，具体为一种导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的
制备方法。
背景技术：
目前世界各国的导弹从用途上可以分为战略导弹和战术导弹，从导弹发射的燃料 上可以分为液体燃料和固体燃料，从导弹发射的尾部烟状上可以分为有烟导弹和无烟导 弹。 我们在各种资料上看到，我国的战略导弹往往比美国的战略导弹要长要粗(同一 打击距离)，同时俄罗斯的战略导弹也要比(同样射程)印度的战略导弹要长要粗，追求其 原因就是液体燃料和固体燃料之区别(包括火箭)。 战略导弹的固体燃料已美国为例，目前已经发展到第二代。从大略上讲，导弹和火
箭的固体推进剂就是由燃料、氧化剂和添加剂三部分组成。以美国的三叉戟潜射战略弹道 导弹为例，其燃料基本上是用橡胶聚硫橡胶(美国第一代固体火箭用)，聚氨酯(现役固
体火箭常用)。氧化剂基本上用高氯酸盐或者高氯酸铵(后者就是无烟火箭)，还可以用硝 酸铵(物美价廉，大型火箭一般不用，原因就是效费比低)。橡胶容易成型，可以做成大直径 的箭体。添加剂一般有铝粉镁粉(用来提高燃烧值)。 但是，美国战略导弹的固体燃料推进剂也同样存在着点火慢、空中飞行时间长、容 易被拦截等缺陷。 固体火箭推进剂的先进程度，决定了我国的各种导弹的射程。我们的空空导弹如 果和美国的同射程相比，那么要比人家更粗、更长，这就是固体火箭推进剂和液体火箭推进 剂的差距。 美国第一代舰载导弹也是以液体推进剂为主流。军舰上还专门改装了液体燃料 库，为充灌之用。这样加注过程最快也要两个半小时，危险性也很大。后来美国不得不转 向固体导弹，想装在潜艇上。而此时美国才发现它的固体燃料与液体燃料的研究水平差距 很大。当年美国发射〃 北极星〃 导弹，在潜艇内必须装下2000千米射程的战略导弹，只能 用固体燃料推进剂。这种燃料的制造通俗地说，无非是过氯酸氨加铝粉加端羟基聚丁二烯 ( 一种改性人造橡胶CTPB)，但实际上非常难造。洛克希德公司在上世纪50年代拿到这个 项目之后，借用了包括几十所大学、研究机构和相关企业在内的整个美国的科技力量，秘密 发展起固体燃料。经过近十年的努力美国过了这个燃料制造的门槛之后，包括地空、空空、 地地、洲际导弹等都用固体燃料，而苏联与之差距极大。D级战略核潜艇的导弹舱巨大，就是 固体燃料的差距。固体燃料如改进一些，甚至能提高50%的射程。 液体燃料在加注时液氧极易挥发，火箭待机过久非常危险。液氢液氧必须处于超 低温状态保存和注入，在热带使用成本高，所以导弹在发射台的待机时间短以至于检测等 各项工作的时间都受到限制，同时液体燃料的寿命相比固体燃料要短的多。液体火箭一般 要搞得较粗，因为液氧用一部分后，剩下的会晃动，产生很多稳定性问题。所以要短粗以降
3低重心。中国的〃 长征〃 系列火箭连助推器都是液体的，这就是和美国等国家固体燃料方 面的巨大差距。 固体推进剂的水平反映一个国家化工的最高水平，如果在固体推进剂上有所突 破，将会带动中国整个精细化工、火炸药化工、人造橡胶、纳米金属粉体材料等产业的迅速发展。
目前国际上战略导弹和火箭固体燃料推进剂主要存在的技术问题如下； 1、添加剂中使用大量的颗粒直径较大、形状为不规则多边形片状铝粉，在导弹和
火箭点火发射和途中飞行时金属铝粉难以在瞬间释放其强大的能量，所以导致导弹和火箭
点火反应慢、空中飞行时间长，飞行速度慢容易在飞行中被空中拦截。 2、因为添加了大量的颗粒直径较大、形状为不规则多边形片状铝粉，所以就要添 加部分氧化剂、抗分解剂(大型火箭的推进剂一般要求十年不变质)，安定剂、钝感剂、抗烟 剂等辅助性添加剂，这样复杂了燃料制造工艺，增加了燃料成本，同时加大了导弹或者是火 箭的整体重量，减少了发射距离。 3、特别是空空导弹和空对地导弹以及舰舰导弹、舰空导弹、空舰导弹的使用上，减 少了生存几率增加了被对方击毁概率。 专利申请号为2006100481685记载了一种金属纳米粉体零界颗粒切割生产工艺， 该专利申请记载了一种全新的零界颗粒切割金属纳米粉体材料工艺，以铁粉为例，步骤包 括，将铁粉置于-l(TC +15°C的加工温度状态下，然后对铁粉颗粒进行高速切割，每分钟 控制在5000 6000次，然后对切割后的铁粉颗粒已6000转/分钟的高频研磨，再进行物 理还原，表面包覆处理，最后分级分选即可得到产品。而且经过发明人的研究发现，在该工 艺中提高或者降低加工"切割"频率并相应地调整"加工温度"后能够生产出的各个不同级 别的纳米铁粉或者其它金属粉，而且特性有着明显的区别，经过分级分选和配比后可广泛 用于不同行业或领域。该专利申请所记载的技术方案是申请人在纳米金属粉末材料加工技 术领域首次提出了"切割"这一加工的概念，利用研磨介质之间的相对高速往复碰撞和摩擦 即可将原料金属粉加工至纳米级别，而这种研磨介质在单位时间内高速往复运动的次数可 以称为"频率"，其对原料的粉碎过程可称为"切割";并且提出了具体的加工参数，并且通过
实践证明了通过设定相应的"切割"频率和控制相应的加工温度就可以加工出优质纳米铁 粉这一技术方案。 专利申请号为2006101620469公开了一种金属微、纳米颗粒包覆工艺，该申请的 技术方案能在金属粉体材料的表面形成一层厚度为lnm-3nm的高质量防氧化保护层，以下 称为"DQ包覆法"。想较传统的纳米金属粉末的包覆工艺，该技术方案包覆率更高，抗氧化 时间更长。
发明内容
本发明为了解决固体燃料推进剂中添加的金属助燃纳米粉体颗粒直径较大、形状 不规则而导致的助燃效果不理想的问题而提供了一种导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制 备方法。 本发明是由以下技术方案实现的，一种导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制备方 法，在-l(TC--5t:的情况下，高频切割次数设定在每分钟5500次——6000次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为球体形状的专用纳米铝粉和纳米镁粉，再分别分选出D3 = 22. 21nm D25 = 26nm D50 = 50nm D75 = 67. 2nmD97 = 93. 3nm的颗粒分布比较集中的粉体 材料，而后再用"DQ包覆法"对铁粉颗粒继续厚度为lnm-2nm的防氧化包覆，将包覆后的粉 体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面处理。最后按照纳米铝粉52% ，纳米镁粉48%比例混合抽真空密封包装即可作为"导弹
和火箭固体燃料推进剂"的专用有色金属粉体材料添加剂。
本发明技术优势 1、本发明的技术优势一是因为是球形不光滑表面的形状粉体颗粒，又是纳米铝 粉和纳米镁粉的混合粉体材料，特别是在加工中的"DQ包覆法"的防氧化作用，所以在使用 中可以不添加氧化剂和其它辅助添加剂，这样可以大幅度降低成本，减少固体燃料推进剂 的复杂程度。 2、本发明的技术优势二是因为其添加剂中的纳米铝粉和纳米镁粉具有的特殊形 状，所以在导弹和火箭点火时因为可以瞬间释放大量的能量，使其点火反应迅速，加快发射 速度。 3、本发明的技术优势三是因为添加剂的形状不同，球形不光滑表面形状的纳米 铝粉和纳米镁粉粉体颗粒，在瞬间释放的能量比不规则多边形片状的瞬间释放的能量要大 的多，所以导弹和火箭的飞行速度比原来加快22% -—26% 。 4、本发明的技术优势四是因为球形不光滑表面形状的纳米铝粉和纳米镁粉粉体 颗粒，在瞬间释放的能量比不规则多边形片状的瞬间释放的能量要大的多而且时间长，所 以导弹和火箭的飞行距离比原来的多出18% -—22%。 5、本发明的技术优势五是因为在加工中纳米铝粉和纳米镁粉的防氧化包覆工艺 所致，所以纳米铝粉和纳米镁粉在导弹和火箭的固体燃料推进剂中的保存时间比原来增加 了 32%，这样就导致了固体燃料的使用、保管寿命由原来的十年提高到13年一15年。
6、本发明的技术优势六是因为固体燃料的使用寿命加长，所以其保管和使用费 用大幅度降低。
图1为切割机的结构示意图 图2为研磨机结构示意图 图3、4、5为加工得到的金属颗粒的电镜照片 图中l-惰性气体入口、2-进料口、3-冷却水入口、4-机体、5-切割器、6-连杆、 7_支架、8-出料口 、 9-调频振动电机、10-切割机底座、11 -振动气囊、12-冷却水入口 、 13-连杆、14-切割器、15-振动弹簧、16-硬质橡胶垫、17-出料口 、 18-空心转轴、19-研磨机 体、20-被研磨颗粒、21进料气口 、22-变频电机、23-机座、24-机架、25_球形研磨体
具体实施例方式
实施例1 :一种导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制备方法，在-l(TC的情况下，高 频切割次数设定在每分钟6000次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为球体形状的专用纳 米铝粉和纳米镁粉，再分别分选出(500nm为例)D3 = 22. 21nmD25 = 26nm D50 = 50nm D75=67. 2nm D97 = 93. 3nm的颗粒分布比较集中的粉体材料，而后再用"DQ包覆法"对铁粉颗 粒继续厚度为lnm-2nm的防氧化包覆，使其防氧化时间达到90小时以上。再根据使用技 术要求的特点，将包覆后的粉体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面处理，使其 达到粉体颗粒材料表面粗糙、凹凸不平。 所用切割机如图1所示意，切割机结构包括带有冷却系统的机体，机体上设有进 料口 2、惰性气体入口 l，在进料口 2的下端设有若干切割刀组，每个切割刀组包括两个工作 面相对的切割器5、 14，切割器5、 14的工作面为锯齿状或锉刀状，两个切割器5、 14分别通过 各自的连杆6、 13和调频振动电机9输出转动部分结合。切割机设计为双重振动系统，外振 动设计为气囊式振动装置，内部振动系统设计为弹簧振动装置。调频振动电动机，采用调频 的方式进行振动频率的控制，通过调整电机的转速1500传/分——6000传/分，可以使振 动频率控制在1500次/分——6000次/分，达到设计要求的无限切割~"零界颗粒切割 法"。切割机在工作时，内部设计加入惰性气体来保持加工温度的恒定，同时在夹层中加入 冷却水进行设定的温度加工。其工作原理是通过调频电机带动每个切割刀组的两个切割器 做相对运动，使两个切割器的工作面相对运动，然后其表面的锯齿状或锉刀状突起部位相 互运动，将进料口加入的80目-100目左右的大直径原料金属颗粒不断地摩擦、碰撞、挤压， 最后达到的效果是使大颗粒的金属颗粒分割为小直径颗粒物体。切割器的表面就像锉刀表 面的结构一样，其间隙是可以调整的，以便适应原材料颗粒的大小。切割机工作开始后，金 属颗粒粉不规则颗粒在两个切割器之间由上向下运动过程中被进行了 N次切割的，当然调 频电机转速越高，单位时间内金属颗粒被切割的几率也越大，其加工出来的小直径颗粒的 金属颗粒的分布概率也越大，分选起来也更容易。 一般要经过六次循环切割才能达到80% 以上的纳米金属粉体颗粒。 防氧化包覆过程，金属粉体材料在温度(IO(TC -310°C )和有保护气体(N)的环境 下进行生产、加工的同时要加入10%——15% (体积比)的纯氧气，在金属粉体颗粒表面形 成厚度为lnm——2nm的氧化层，然后在高温隧道炉中，将温度调整到350°C _5l(TC之间，金 属粉体颗粒材料在此温度情况下，表面氧化层结构开始软化，在密封的状况下，按4 : 6比 例注入露点《6的惰性气体N和He，注入时间控制在30分钟——45分钟，让惰性气体充分 渗透到金属粉体材料表面的氧化层中。 如图2所示意的研磨机，包括机架24，变频电机22，机架24上通过空心转轴18设 有空心的研磨机体19，研磨机体19上设有进料进惰性气口 21，出料口 17，研磨机体19内设 有若干研磨球25。如图中八面研磨机的工作原理是，利用变频电动机来控制研磨机的转速 (1000转/分——6000转/分)，利用八角机体的角度，来达到金属类球体颗粒的270度不 停的反转，从而达到经过研磨后的粉体颗粒表面光滑球体颗粒。因为从切割机加工出来的 金属颗粒， 一般是不规则的类球体，经过八角研磨机内部的球形研磨体的研磨，不规则的类 球体就会成为表面光滑的球体颗粒。工作时候将切割好的金属微粒和惰性气体加入研磨机 体内，然后开动电机带动研磨机体翻转，研磨球之间的相互碰撞即可将金属微粒研磨成球 状微粒，其表面形状可以随时间的加长而逐渐变的光滑。在本工艺中只需要将其研磨为表 面不光滑的略球状即可。研磨机在进料的同时设计输入惰性气体，来保持加工过程中的温 度稳定。 如图3、4所示意的照片中显示，金属颗粒的直径范围从数十到数百纳米不等，这
6就需要采用气流分选技术分选出颗粒分布相对集中的产品。利用金属微粒的受力表面积和 金属微粒在受抛射力情况下的抛物曲线以及铁粉颗粒在容器中的自重下落速度、时间。利 用人工风力和速度在密闭容器中对直径不同的铁粉颗粒进行有效的分级。具体的分选工 艺是首先开动负压电机在分级设备的容器中形成负压状态，而后分别开启分级器电机在 密闭容器中形成轴流旋风。负压将需要分级的铁粉限量吸入第一密闭容器，在轴流旋风中 分选出颗粒直径最大的金属颗粒，剩余金属颗粒进入第二密闭容器，在大于第一轴流旋风 中分级出所需铁粉颗粒，顺序二、三、四级进行逐级分级，这样可以同时得到颗粒分布区间
(100 iim——10nm)相对集中的金属微粒产品。结合本发明技术方案来说，通过调整风流大 小和分级容器的数量就可以得到相应的产品，当然实际操作中还要不断地先初步分选，然 后检测，然后反馈调整机械参数，使加工机械能够稳定地分选出产品。分选的目的之一就是 将符合要求的产品分选出来，比要求小的可以直接进入下一个程序，比要求大的产品将返 回上一道工序再一次进行切割，其二是选择出要求的产品，达不到要求的产品将通过分选 设备返回到上一工序，再次切割。 实施例2:—种导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制备方法，在-5t:的情况下，高 频切割次数设定在每分钟5500次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为球体形状的专用纳 米铝粉和纳米镁粉，再分别分选出(500nm为例)D3 = 22. 21nmD25 = 26nm D50 = 50nm D75 =67. 2nm D97 = 93. 3nm的颗粒分布比较集中的粉体材料，而后再用"DQ包覆法"对铁粉颗 粒继续厚度为lnm-2nm的防氧化包覆，使其防氧化时间达到90小时以上。再根据使用技 术要求的特点，将包覆后的粉体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面处理，使其 达到粉体颗粒材料表面粗糙、凹凸不平。 实施例3:—种导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制备方法，在-8t:的情况下，高 频切割次数设定在每分钟5700次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为球体形状的专用纳 米铝粉和纳米镁粉，再分别分选出(500nm为例)D3 = 22. 21nmD25 = 26nm D50 = 50nm D75 =67. 2nm D97 = 93. 3nm的颗粒分布比较集中的粉体材料，而后再用"DQ包覆法"对铁粉颗 粒继续厚度为lnm-2nm的防氧化包覆，使其防氧化时间达到90小时以上。再根据使用技 术要求的特点，将包覆后的粉体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面处理，使其 达到粉体颗粒材料表面粗糙、凹凸不平。
权利要求
一种导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制备方法，其特征是在-10℃——-5℃的情况下，高频切割次数设定在每分钟5500次——6000次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为球体形状的专用纳米铝粉和纳米镁粉，再分别分选出D3＝22.21nm D25＝26nm D50＝50nm D75＝67.2nm D97＝93.3nm的颗粒分布比较集中的粉体材料，而后再用“DQ包覆法”对铁粉颗粒继续厚度为1nm-2nm的防氧化包覆，将包覆后的粉体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面处理。
2. 根据权利要求1所述的导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制备方法，其特征是 在-『C的情况下，高频切割次数设定在每分钟5750次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为 球体形状的专用纳米铝粉和纳米镁粉。
3. —种加工如权利要求1、2所述纳米金属颗粒的切割机，其特征在于结构包括带有 冷却系统的机体(4)，机体(4)上设有进料口 (2)、惰性气体入口 (l)，在机体(4)内设有若 干切割刀组，每个切割刀组包括两个工作面相对的切割器(5、14)，切割器(5、14)的工作面 为锯齿状或锉刀状，两个切割器(5、 14)分别通过各自的连杆(6、 13)和调频振动电机(9) 输出转动部分结合。
全文摘要
本发明涉及纳米级金属粉体材料，具体为一种导弹固体燃料专用纳米铝、镁粉的制备方法。解决了固体燃料推进剂中添加的金属助燃纳米粉体颗粒直径较大、形状不规则而导致的助燃效果不理想的问题。在-10℃-5℃的情况下，高频切割次数设定在每分钟5500次-6000次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为球体形状的专用纳米铝粉和纳米镁粉，再分别分选出D3＝22.21nmD25＝26nm D50＝50nm D75＝67.2nm D97＝93.3nm的颗粒分布比较集中的粉体材料，而后防氧化包覆、表面处理。使导弹和火箭的飞行距离比原来的多出18％-22％，飞行速度比原来加快22％-26％。
文档编号B22F9/02GK101758224SQ200910179098
公开日2010年6月30日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者王惠民 申请人:王惠民