多元过渡金属包覆微米铝复合燃料的制备方法

1.本发明涉及含能材料技术领域，具体涉及一种多元过渡金属包覆微米铝复合燃料的制备方法。


背景技术：

2.铝粉由于含量丰富、密度高、耗氧量低、活性大、杂质少，燃烧热值高等特点，被广泛用作金属燃料来提高含能材料的燃烧性能和能量性能，其氧化还原反应释放的大量热量可以提高弹药毁伤能力和射程。在烟火药中添加铝粉可以提高烟火药燃烧的稳定性和持久性；在炸药中添加铝粉可以提高爆热以及做功能力；在推进剂中添加铝粉可以提高其燃速和比冲，因此，铝粉在含能材料中具有十分广泛的应用。
3.然而铝粉在实际应用中由于其熔点(660℃)较低，在高温时容易出现结块，导致燃烧不充分而使得其潜在的高热值无法充分利用。此外，铝粉表面还具有一层致密的al2o3薄膜，由于其较高的熔点(2200℃)，会导致点火困难。al2o3氧化层的存在还会严重阻碍活性铝与氧化剂的接触。以上因素，会使得铝粉的氧化还原反应不完全而表现出较差的放热性能。目前，已有多种包覆材料用于改善铝粉的放热性能，如有机氟化物、碳材料、过渡金属氧化物等，但是由于有些材料不含有能量，且不是固体推进剂的组分，会导致整个系统的热量释放降低，因此，急需要找出一种能够提高铝粉的放热性能，又不会降低整个系统能量释放的方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种多元过渡金属包覆微米铝复合燃料的制备方法。
5.为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.多元过渡金属包覆微米铝的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤一、溶液的配制：将铝粉加入水溶液中，使其形成铝悬浮液；将fecl3·
6h2o、cocl2·
6h2o、nicl2·
6h2o和cucl2·
2h2o中的两种或两种以上原料溶于a ml水中，并加入b g的酒石酸，形成金属离子溶液；将c g的nh4f溶解在d ml水中，形成nh4f溶液；其中，a:b＝(200～400):(1～2)；c:d＝(30～80):(300～500)
8.步骤二、进行反应：将配制好的金属离子溶液加入铝悬浮液中，搅拌使其混合均匀，然后缓慢并持续加入nh4f溶液进行反应，得到反应产物；
9.步骤三、洗涤分离：将步骤二得到的产物进行洗涤并使用磁性分离除去产物中不含磁性的粒子，最后将得到的产物烘干即可。
10.优选的，所述步骤一中铝粉的粒径为20um，制备铝悬浮液时，加入的铝粉质量为e g，加入的水的体积为fml，e:f＝150:1000。
11.优选的，所述步骤一中，配制铝悬浮液时，将铝粉加入不断搅拌的水溶液中。
12.进一步优选的，控制搅拌速率在800到1200r/min。
13.优选的，所述步骤一中，配制金属离子溶液时，用玻璃棒搅拌以及超声振动使其加速溶解。
14.优选的，所述步骤二中反应时长为20～50分钟。
15.优选的，所述步骤三中先用水洗涤完后，然后用无水乙醇洗涤并分离两次，再用丙酮洗涤并分离两次。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.(1)采用本发明方法制备的复合燃料中，由于微米铝粉表面包覆了纳米过渡金属粒子，其反应活性明显增强，表现为dsc图谱中氧化放热峰明显提前。
18.(2)本发明制备的复合燃料中，由于表面包覆的fe、co、ni和cu为推进剂的组分，在高温下可以通过铝热反应或者合金化反应释放更多的能量，避免了使用不含能物质包覆铝粉时降低系统能量释放的缺点。
19.(3)本发明制备的复合燃料中，包覆在铝粉表面的fe、co、ni和cu金属粒子具有较好的分散性，有效解决了纳米粒子的团聚问题。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
21.图1为纯al粉的sem图；
22.图2为实施例1中的fe/cu/al复合燃料的sem图；
23.图3为实施例2中的co/cu/al复合燃料的sem图；
24.图4为实施例3中的ni/cu/al复合燃料的sem图；
25.图5为实施例4中的fe/co/ni/cu/al复合燃料的sem图；
26.图6为实施例4中fe/co/ni/cu/al复合燃料的eds图；
27.图7为原料al粉和实施例1～4所得过渡金属包覆微米铝复合燃料的dsc图谱。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
29.实施例1
30.一种多元过渡金属包覆微米铝的制备方法，包括以下步骤：
31.步骤一、称取150g的粒径为20um(微米)铝粉缓慢加入不断搅拌的1000ml水溶液中，保持搅拌速率在800～1200r/min，使其形成铝悬浮液；将21.41g的fecl3·
6h2o和7.98g的cucl2·
2h2o溶解在200～400ml的水中形成溶液，并在溶液中加入1～2g的酒石酸，然后用玻璃棒搅拌并进行超声振动使其溶解完全，得到金属离子溶液；称取30～80g的nh4f溶解在300～500ml水中，形成nh4f溶液；
32.步骤二、将配制好的金属离子溶液加入铝悬浮液中，持续搅拌使其混合均匀，然后缓慢并持续加入nh4f溶液，待反应持续20～50分钟时，停止反应；
33.步骤三、将得到的产物用水洗涤并使用磁性分离除去产物中不含磁性的粒子，此过程重复5次，然后用无水乙醇洗涤并分离两次，再用丙酮洗涤并分离两次，最后将得到的产物烘干即可。
34.实施例2
35.一种多元过渡金属包覆微米铝的制备方法，包括以下步骤：
36.步骤一、称取150g的粒径为20um(微米)铝粉缓慢加入不断搅拌的1000ml水溶液中，保持搅拌速率在800～1200r/min，使其形成铝悬浮液；将17.92g的cocl2·
6h2o和7.98g的cucl2·
2h2o溶解在200～400ml的水中形成溶液，并在溶液中加入1～2g的酒石酸，然后用玻璃棒搅拌并进行超声振动使其溶解完全，得到金属离子溶液；称取30～80g的nh4f溶解在300～500ml水中，形成nh4f溶液；
37.步骤二、将配制好的金属离子溶液加入铝悬浮液中，持续搅拌使其混合均匀，然后缓慢并持续加入nh4f溶液，待反应持续20～50分钟时，停止反应；
38.步骤三、将得到的产物用水洗涤并使用磁性分离除去产物中不含磁性的粒子，此过程重复5次，然后用无水乙醇洗涤并分离两次，再用丙酮洗涤并分离两次，最后将得到的产物烘干即可。
39.实施例3
40.一种多元过渡金属包覆微米铝的制备方法，包括以下步骤：
41.步骤一、称取150g粒径为20um(微米)铝粉缓慢加入不断搅拌的1000ml水溶液中，保持搅拌速率在800～1200r/min，使其形成铝悬浮液；将17.98g的nicl2·
6h2o和7.98g的cucl2·
2h2o溶解在200～400ml的水中形成溶液，并在溶液中加入1～2g的酒石酸，然后用玻璃棒搅拌并进行超声振动使其溶解完全，得到金属离子溶液；称取30～80g的nh4f溶解在300～500ml水中，形成nh4f溶液；
42.步骤二、将配制好的金属离子溶液加入铝悬浮液中，持续搅拌使其混合均匀，然后缓慢并持续加入nh4f溶液，待反应持续20～50分钟时，停止反应；
43.步骤三、将得到的产物用水洗涤并使用磁性分离除去产物中不含磁性的粒子，此过程重复5次，然后用无水乙醇洗涤并分离两次，再用丙酮洗涤并分离两次，最后将得到的产物烘干即可。
44.实施例4
45.一种多元过渡金属包覆微米铝的制备方法，包括以下步骤：
46.步骤一、称取150g的粒径为20um(微米)铝粉缓慢加入不断搅拌的1000ml水溶液中，保持搅拌速率在800～1200r/min，使其形成铝悬浮液；将7.21g的fecl3·
6h2o、6.03g的cocl2·
6h2o、6.05g的nicl2·
6h2o和7.98g的cucl2·
2h2o溶解在200～400ml的水中形成溶液，并在溶液中加入1～2g的酒石酸，然后用玻璃棒搅拌并进行超声振动使其溶解完全，得到金属离子溶液；称取30～80g的nh4f溶解在300～500ml水中，形成nh4f溶液；
47.步骤二、将配制好的金属离子溶液加入铝悬浮液中，持续搅拌使其混合均匀，然后缓慢并持续加入nh4f溶液，待反应持续20～50分钟时，停止反应；
48.步骤三、将得到的产物用水洗涤并使用磁性分离除去产物中不含磁性的粒子，此过程重复5次，然后用无水乙醇洗涤并分离两次，再用丙酮洗涤并分离两次，最后将得到的产物烘干即可。
49.对纯铝粉和实施例1～4中的复合燃料进行了sem测试，并对实施例4进行了eds测试，测试结果如图1～6所示，图1为纯铝粉的sem图，图2～5为复合燃料的sem图，图6为实施例4中fe/co/ni/cu/al复合燃料的eds图。将复合燃料的sem与纯铝粉的sem进行对比可知，纯铝粉的表面比较光滑，而金属包覆后的复合粒子表面明显有包覆层。通过fe/co/ni/cu/al复合燃料的eds图谱可知，样品中含有fe、co、ni、cu和al几种金属元素，由此说明fe、co、ni、cu几种过渡金属均能够很好的包覆在纯铝粉的表面。
50.图7为原料al粉和实施例1～4所得过渡金属包覆微米铝复合燃料的dsc图谱，实施例1～4以及纯铝粉的放热峰数据见表1所示。
51.表1不同样品的放热峰温度
52.样品放热峰温度/℃al1045实施例1(fe/cu/al)1015.7实施例2(co/cu/al)887.8实施例3(ni/cu/al)876.6实施例4(fe/co/ni/cu/al)883.7
53.表1中为纯铝粉与实施例1～4中不同过渡金属/铝复合燃料的放热峰的峰值温度，由以上数据可知，实施例1～4中多元过渡金属/铝复合燃料的放热峰明显提前于纯铝粉的放热峰，说明过渡金属包覆铝粉形成复合燃料可以显著增强铝粉的反应活性。
54.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。