一种核壳结构超级铝热剂的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超级铝热剂，该材料可作为固体推进剂的主要组分或燃烧催化剂。
技术背景
[0002]在现代化的国防科技领域中，含能材料及其在武器装备系统中的开发与应用占据着举足轻重的地位，是武器弹药具备高性能的重要基础。追求高的能量性能是含能材料亘古不变的目标；同时在含能材料的能量释放(动力学)方面，需要探索发现其功效发挥/能量释放过程的本质特性，并了解和利用这些特性来调控含能材料的性能。
[0003]纳米含能材料(Nano Energetic materials，nEMs)是指粒径处于I?10nm的含能材料，既可以是单质含能材料纳米晶体，也可以是纳米级含能复合物，一般是由金属/金属氧化物和(或)无机/有机含能材料组分的纳米颗粒及基体组成。含能材料纳米化后，除了具有普通尺寸含能材料的优异性能外，还有许多潜在的性能优势，如爆炸能量的释放更加完全、爆轰更接近于理想爆轰、很高的能量释放速率和燃烧(能量转化)效率、相对较好的感度、优良的力学性能等。各国纷纷展开了对纳米含能材料的研究，主要集中在材料制备过程中的技术难题和其用于火炸药时的潜能及效用。
[0004]超级招热剂(Super Thermite)，又称为亚稳态分子间复合物(MIC)，是纳米级招粉和氧化性较强的金属/非金属氧化物所组成的复合物，表现出铝热剂的高放热性质，与传统单质含能材料相比，最大的不同是其反应性是基于分子间的相互作用而不是分子内的反应。由于其铝热反应过程中极快的反应速率和较高的放热量，在化工、能源、军事、环保等的应用已成为一个非常具有挑战性的研究领域。
[0005]然而，利用目前的制备方法如溶胶-凝胶法，超声分散复合法，反应抑制研磨法等所制备出的超级铝热剂往往只能够实现纳米铝粉与氧化物的均匀混合或复合，而不能满足金属与氧化剂之间分子尺度的有效接触。而ALD(原子层沉积)等方法虽然能够制备出具有完整核-壳结构的超级铝热材料，但是其工艺设备复杂，技术要求高，其产量较小，难以满足应用要求。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种利用生物分子左旋多巴(DOPA)调控的nAl@D0PA-M核壳结构超级铝热剂制备方法。本发明采用溶液制备方法，工艺流程简单，合成设备为传统搅拌设备，原料为常见化学试剂，完全能够满足大规模制备的需要。
[0007]上述超级铝热剂的制备方法，包括以下步骤:
[0008](I)纳米铝粉的表面包覆
[0009]称取原料铝粉放入烧杯中，冰浴条件下加入蒸馏水，然后加入左旋多巴(DOPA)，调节pH值在8.5?12的范围内分散搅拌I?2h，可实现左旋多巴在纳米铝粉表面的均匀包覆；
[0010](2)超级铝热剂nAl@D0PA-M的制备
[0011]向步骤I所制备的纳米铝粉悬浊液中加入可溶性金属盐的水溶液，冰浴搅拌2?4小时，离心，洗涤，放入真空干燥箱烘干得到基于生物分子的超级铝热剂。
[0012]所述的铝粉平均粒径为80?200nm。左旋多巴质量为铝粉的1%?50%，蒸馏水质量为铝粉的1?20倍。可溶性金属盐选自Fe，Cu，Mg，Ni，Mn等的可溶性金属盐。
[0013]本发明优点:本发明合成工艺简单，合成得到的超级铝热剂为完整核壳结构，实现金属与氧化剂之间分子尺度的有效接触，避免了传统制备方法中氧化剂与金属粉分布不均匀且传质距离过大的问题，同时生物分子能够定向控制金属离子输运，大幅降低传质距离，提高放热效率。
【附图说明】
[0014]图1是超级铝热剂nAl@D0PA-Cu的TEM照片；
[0015]图2是超级铝热剂nAl@D0PA-Cu的SEM以及EDS谱图；
[0016]图3是超级铝热剂nAl@D0PA-Cu与普通纳米铝热剂的热分解特性谱图。
【具体实施方式】
[0017]下面通过实施例对本发明做进一步解释说明。
[0018]实施例1nAlODOPA-Cu的制备
[0019](I)将5g纳米铝粉冰浴条件下分散于10mL蒸馏水中，加入2g左旋多巴(DOPA)JJf节pH值在8.5?12的范围内搅拌I?2h;称取4.84g(0.02moI)硝酸铜溶于上述悬池液中，搅拌混合均匀；
[0020](2)冰浴搅拌反应4h，然后静置；
[0021](3)将沉淀用去离子水多次洗涤、干燥可制得黑灰色产物。
[0022]实施例2nAl@D0PA_Fe的制备
[0023](I)称取5g的纳米铝粉，冰浴条件下分散于10mL蒸馏水中，加入2g左旋多巴(D0PA)，调节pH值在8.5?12的范围内分散搅拌1?211;称取8.(^(0.0211101)硝酸铁溶于上述悬池液中，搅拌混合均勾;
[0024](2)冰浴搅拌反应3h，然后静置；
[0025](3)将沉淀用去离子水多次洗涤、干燥可制得黑灰色产物。
[0026]实施例3nAl@D0PA-Mg的制备
[0027](I)称取5g的纳米铝粉，冰浴条件下分散于10mL蒸馏水中，加入2g左旋多巴(D0PA)，调节pH值在8.5?12的范围内分散搅拌1?211;称取5.128(0.0211101)硝酸镁溶于上述悬池液中，搅拌混合均勾;
[0028](2)冰浴搅拌反应4h，然后静置；
[0029](3)将沉淀用去离子水多次洗涤、干燥可制得黑灰色产物。
[0030]nAl@D0PA-M超级铝热剂的表征及性能测试
[0031]1.结构表征
[0032]以nAlODOPA-Cu样品为例，图1是样品的透射电子显微镜照片。从图中可以清楚看至IJ，所制备样品为完整的核壳结构。颗粒尺寸约为lOOnm，壳层厚度在1nm左右，由于样品制备过程中未添加其他化合物，可知表面壳层应该为DOPA分子形成的包覆层。图1右是样品的HRTEM照片，从图中可以测量出样品的晶格条纹间距约为0.23nm，符合铝的(111)面的间距，证明了核-壳结构的核心是纳米铝颗粒。
[0033]图2分别是nAlODOPA以及nAl@D0PA-Cu样品的SEM照片以及相应的选区EDS能谱。从图中可以看到，左边样品的EDS能谱中仅含有Al以及C、N、0元素，由于样品制备过程中未添加其他化合物，说明Al的表面均匀包覆了 DOPA分子。而右边样品中除了 Al、C、N、O外还有Cu元素的出现，说明在样品中添加可溶性铜盐后，在纳米铝粉表面形成了 DOPA-Cu化合物的包覆层。结合图1以及图2可知，所制备的样品为核壳结构的超级铝热剂，而表面包覆层为DOPA-Cu化合物。
[0034]2.性能测试
[0035]图3为nAl@D0PA-Cu与普通纳米铝热剂nAl/CuO的热分解谱图，从图中可以看到，与普通纳米铝热剂相比，nAl@D0PA-Cu样品的分解峰温提前，放热量增大，说明nA1DOPA-Cu比普通纳米铝热剂放热效率更高，释能更加完全。
【主权项】
1.一种核壳结构超级铝热剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)冰浴条件下将铝粉与蒸馏水、左旋多巴反应，调节PH值在8.5?12的范围内，搅拌I?2h得纳米招粉悬池液； (2)向纳米铝粉悬浊液中加入可溶性金属盐冰浴搅拌2?4小时，离心，洗涤，真空干燥得到超级招热剂。2.根据权利要求1所述的超级铝热剂的制备方法，其特征在于所述铝粉平均粒径为80?200nm。3.根据权利要求1所述的超级铝热剂的制备方法，其特征在于左旋多巴质量为铝粉的1%?50%，蒸馏水质量为铝粉的10?20倍。4.根据权利要求1所述的超级铝热剂的制备方法，其特征在于可溶性金属盐选自Fe、Cu、Mg、Ni或Mn。
【专利摘要】本发明公开一种核壳结构超级铝热剂的制备方法，包括以下步骤：(1)纳米铝粉的表面包覆；(2)超级铝热剂nAlDOPA-M的制备。与传统方法相比，采用本发明方法制备得到的超级铝热剂避免了氧化剂与铝粉分布不均的问题，生物分子氧化剂在纳米铝表面形成完整的壳层，能够显著降低反应热传导距离，提升传质效率，大幅提高材料的能量释放效率。并且，该方法反应条件温和，工艺简单，便于批量制备，有利于推广应用。
【IPC分类】B22F9/30, B22F1/02
【公开号】CN105598471
【申请号】CN201610164482
【发明人】曲文刚, 赵凤起, 高红旭, 罗阳, 郝海霞, 姜菡雨
【申请人】西安近代化学研究所
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年3月22日