本发明涉及一种纳米铝热剂薄膜的制备方法，属于铝热剂
技术领域：
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背景技术：
：纳米铝热剂由于具有高反应活性和高能量密度等优点，已成为纳米含能材料研究中的一个重要方向，也越来越引起人们的兴趣。许多研究者在纳米铝热剂的制备方面进行了大量工作，拓展了纳米铝热剂的应用范围。纳米铝热剂作为一种新型纳米含能材料，其性能优点已得到初步证实，对于如何将这种性能优异的含能材料付诸于实际应用中，是许多研究者共同努力的目标。纳米铝热剂又称为超级铝热剂，通常由纳米铝粉和纳米金属氧化物或非金属氧化物经复合处理得到的纳米级金属基反应体系。它具有能量释放速率快、热值高、点火引发能量低、低毒、环保等优点。纳米铝热剂反应的另一个重要特点是能产生高温和高的热量。由于纳米铝热剂具有高能量密度和高能量释放率等特性，能满足含能材料对能量的高要求。因此，对于如何制备出性能优异的纳米铝热剂已成为含能材料领域研究的热点。目前，纳米铝热剂的制各方法主要包括：物理混合、溶胶-凝胶法、抑制反应球磨法、自主装法、物理气相沉积法、原子层沉积等。将纳米复合含能材料用于复合固体推进剂中希望一方面可以充分发挥高能量密度和高释放速率的优点，能够提高推进剂燃速和能量。另一方面，纳米铝是复合固体推进剂主要成分高氯酸铵的良好的催化剂，将其复合后不仅可以提高分散性和催化效果，并且可以发挥二者的协同催化作用，使纳米粒子优异功能特性得到更大程度的提高，充分发挥其作为固体推进剂燃烧催化剂的作用，但是纳米铝热剂颗粒极易团聚，当纳米铝热剂含量较高时，严重的团聚会影响反应性能。因此，本发明研究制备出性能优异的纳米铝热剂来获得更高的能量密度。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题：针对纳米铝热剂颗粒极易团聚，当纳米铝热剂含量较高时，严重的团聚会影响反应性能的问题，提供了一种纳米铝热剂薄膜的制备方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：（1）取纳米氧化铋加入去离子水中超声分散20～30min，再加入柠檬酸调节pH并搅拌反应2～3h，得胶体溶液；（2）将胶体溶液过滤水洗后在80～90℃下干燥至恒重，得柠檬酸修饰纳米氧化铋；（3）取聚乙烯吡咯烷酮、硝酸钾，加入去离子水中搅拌均匀，再加入纳米铝粉超声分散并减压蒸发至干，得表面包覆纳米铝粉；（4）取表面包覆纳米铝粉、柠檬酸修饰纳米氧化铋，加入丙酮中超声分散20～30min，得电泳液；（5）以2cm×2cm的铜基底为阴极，石墨片为阳极浸泡在电泳液中电泳10～15min，将电泳后的铜基底真空干燥10～12h，得纳米铝热剂薄膜。步骤（1）所述调节pH并搅拌反应过程为加入柠檬酸调节pH至5～6，并加热至70～80℃，以300～400r/min搅拌2～3h。步骤（3）所述聚乙烯吡咯烷酮、硝酸钾、纳米铝粉的重量份为0.2～0.4份聚乙烯吡咯烷酮，5～10份硝酸钾，2～4份纳米铝粉。步骤（4）所述表面包覆纳米铝粉、柠檬酸修饰纳米氧化铋的质量比为1：0.8～1：3.2。步骤（5）所述电泳参数为控制电极间距为1.0～1.5cm，调节电压为40～60V，电泳10～15min。步骤（5）所述真空干燥过程为在30～40℃，0.85～0.95MPa下干燥10～12h。本发明与其他方法相比，有益技术效果是：（1）本发明通过柠檬酸对纳米氧化铋进行表面修饰，提高其在溶剂中的稳定性，再将硝酸钾从溶液中重结晶析出并包覆在纳米铝粉的表面，聚乙烯吡咯烷酮随后相变析出并包覆在纳米铝粉和硝酸钾的表面，并采用电泳沉积法，以铜基底为阴极，石墨片为阳极，将带正电的表面包覆纳米铝粉、柠檬酸修饰纳米氧化铋分散颗粒沉积到铜基底上，制备出纳米铝热剂薄膜，铝热剂薄膜表面无明显的裂缝、凹凸出现，较为平坦密实，且两种粒子分布较为均匀，无团聚现象发生；（2）本发明采用具有熔点低、相对分子质量小，放出氧气多，分解热小等优点的硝酸钾作为氧化剂，以抗腐蚀性能好，含氧量高，具有较高的燃烧热，不产生有毒有害气体的聚乙烯吡咯烷酮为粘结剂，提高纳米铝热剂薄膜能量、残渣率和点火能力；（3）本发明制备的纳米铝热剂薄膜与粉状铝热剂相比，具有较好的机械性能，可直接应用于微型火工品器件和微推进系统，与含能器件集成，实现合成、装药一体化，可简化含能器件的制备过程，且薄膜状更加密实，能提高含能器件的能量或压力输出。具体实施方式取20～30g纳米氧化铋，加入100～200mL去离子水中，以300W超声分散20～30min，再加入柠檬酸调节pH至5～6，并加热至70～80℃，以300～400r/min搅拌2～3h，得胶体溶液，将胶体溶液过滤得滤渣，用去离子水洗涤滤渣2～3次，再将滤渣置于干燥箱中，在80～90℃下干燥至恒重，得柠檬酸修饰纳米氧化铋，取0.2～0.4g聚乙烯吡咯烷酮，5～10g硝酸钾，加入400～800mL去离子水中，以300～400r/min搅拌20～30min，再加入2～4g纳米铝粉，以300W超声分散20～30min并减压蒸发至干，得表面包覆纳米铝粉，取5～10g表面包覆纳米铝粉，8～16g柠檬酸修饰纳米氧化铋，加入400～800mL丙酮中，以300W超声分散20～30min，得电泳液，以2cm×2cm的铜基底为阴极，石墨片为阳极浸泡在电泳液中，控制电极间距为1.0～1.5cm，调节电压为40～60V，电泳10～15min，将电泳后的铜基底放入真空烘箱中，在30～40℃，0.85～0.95MPa下干燥10～12h，得纳米铝热剂薄膜。实例1取20g纳米氧化铋，加入100mL去离子水中，以300W超声分散20min，再加入柠檬酸调节pH至5，并加热至70℃，以300r/min搅拌2h，得胶体溶液，将胶体溶液过滤得滤渣，用去离子水洗涤滤渣2次，再将滤渣置于干燥箱中，在80℃下干燥至恒重，得柠檬酸修饰纳米氧化铋，取0.2g聚乙烯吡咯烷酮，5g硝酸钾，加入400mL去离子水中，以300r/min搅拌20min，再加入2g纳米铝粉，以300W超声分散20min并减压蒸发至干，得表面包覆纳米铝粉，取5g表面包覆纳米铝粉，8g柠檬酸修饰纳米氧化铋，加入400mL丙酮中，以300W超声分散20min，得电泳液，以2cm×2cm的铜基底为阴极，石墨片为阳极浸泡在电泳液中，控制电极间距为1.0cm，调节电压为40V，电泳10min，将电泳后的铜基底放入真空烘箱中，在30℃，0.85MPa下干燥10h，得纳米铝热剂薄膜。实例2取25g纳米氧化铋，加入150mL去离子水中，以300W超声分散25min，再加入柠檬酸调节pH至5，并加热至75℃，以350r/min搅拌2h，得胶体溶液，将胶体溶液过滤得滤渣，用去离子水洗涤滤渣2次，再将滤渣置于干燥箱中，在85℃下干燥至恒重，得柠檬酸修饰纳米氧化铋，取0.3g聚乙烯吡咯烷酮，8g硝酸钾，加入600mL去离子水中，以350r/min搅拌25min，再加入3g纳米铝粉，以300W超声分散25min并减压蒸发至干，得表面包覆纳米铝粉，取8g表面包覆纳米铝粉，12g柠檬酸修饰纳米氧化铋，加入600mL丙酮中，以300W超声分散25min，得电泳液，以2cm×2cm的铜基底为阴极，石墨片为阳极浸泡在电泳液中，控制电极间距为1.5cm，调节电压为60V，电泳15min，将电泳后的铜基底放入真空烘箱中，在40℃，0.95MPa下干燥12h，得纳米铝热剂薄膜。实例3取30g纳米氧化铋，加入200mL去离子水中，以300W超声分散30min，再加入柠檬酸调节pH至6，并加热至80℃，以400r/min搅拌3h，得胶体溶液，将胶体溶液过滤得滤渣，用去离子水洗涤滤渣3次，再将滤渣置于干燥箱中，在90℃下干燥至恒重，得柠檬酸修饰纳米氧化铋，取0.4g聚乙烯吡咯烷酮，10g硝酸钾，加入800mL去离子水中，以400r/min搅拌30min，再加入4g纳米铝粉，以300W超声分散30min并减压蒸发至干，得表面包覆纳米铝粉，取10g表面包覆纳米铝粉，16g柠檬酸修饰纳米氧化铋，加入800mL丙酮中，以300W超声分散30min，得电泳液，以2cm×2cm的铜基底为阴极，石墨片为阳极浸泡在电泳液中，控制电极间距为1.5cm，调节电压为60V，电泳15min，将电泳后的铜基底放入真空烘箱中，在40℃，0.95MPa下干燥12h，得纳米铝热剂薄膜。对照例：湖北某模具材料有限公司生产的纳米铝热剂薄膜。将实例及对照例的纳米铝热剂薄膜进行检测，具体检测如下：机械性能测试：自制的微拉伸测量仪测试薄膜的静态微观力学拉伸性能。样品被裁剪为长2.5cm，宽0.55cm的窄条样品，并通过游标卡尺测量每个样品的平均宽度。从而可计算出每个样品的平均横截面积。样品用环氧树脂固定在样品台的一轴上，当环氧树脂完全固化后，向空气轴承内通入压缩空气，保持压缩空气压强为40psi。然后打开控制软件，开动马达，记录数据。燃烧性能测试：薄膜的燃烧性能在常压氩气环境下进行测试。具体检测结果如表1。表1性能表征对比表检测项目实例1实例2实例3对照例抗拉强度/MPa12.3212.0812.207.50燃速/cmS-19.69.59.46.6由表1可知，本发明制备的纳米铝热剂薄膜具有优异的机械强度和燃烧性能。当前第1页1 2 3