一种微纳复合结构铝粉材料、制备方法及其应用与流程

1.本发明属于材料领域，涉及铝粉材料，具体涉及一种微纳复合结构铝粉材料、制备方法及其应用。


背景技术：

2.铝以其成本优势与能量优势成为金属燃料中应用最广泛的一种，但是其自身结构特点决定了其在实际应用中存在一些缺陷，例如li z y,等在《effects of particle size on two-phase flow loss in aluminized solid rocket》motors[j].acta astronaut.,2019,159:33-40一文中指出：受材料自身尺寸与结构影响，常用的微米铝粉有效铝含量较高，但点火温度通常高于2000k，在实际反应过程中，铝粉颗粒从露出推进剂燃面开始会经历熔融-堆积-团聚过程，这一过程中会形成大铝液滴，从而使得铝的点火变得困难，点火温度较高。gromov aa等在metal nanopowder:production,characterization,and energetic application[m].wiley-vch,weinheim,2014一文中指出：纳米铝粉具有较高的反应活性与反应完全率以及更低的点火温度(800k)、更短的燃烧时间，从而增加了对反应介面的热反馈，可以有效降低两相流损失，但由于纳米铝粉特殊的颗粒尺寸，使得有效铝(活性铝)含量随颗粒尺度的减小大幅度降低，通常由于有效铝含量不足90％而导致材料的绝对能量与微米铝粉相比有一定的差距。


技术实现要素：

[0003]
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种微纳复合结构铝粉材料，以解决现有技术中心微米铝粉反应活性差而纳米铝粉绝对能量较低的技术问题。
[0004]
为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
[0005]
一种微纳复合结构铝粉材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]
步骤1、将铝丝固定在电爆炸腔室内的上下电极上；
[0007]
步骤2、将配方量的微米铝粉送入电爆炸腔室，然后将电爆炸腔室抽至真空后充入氩气，并将气压调至0.1mpa～0.2mpa，使微米铝粉颗粒在电爆炸腔室内循环流动；
[0008]
步骤3、启动电爆炸装置，使电爆炸反应产生的纳米铝粉颗粒沉积于电爆炸腔内循环流动的微米铝粉颗粒上得到微纳复合结构铝粉材料；
[0009]
其中，所述微纳复合结构铝粉材料中，微米铝粉与纳米铝粉的质量比为(8～10):1。
[0010]
本发明还具有以下技术特征：
[0011]
可选的，所述微纳复合结构铝粉材料的形状为球形、近球形或类球形。
[0012]
更进一步的，所述微纳复合结构铝粉材料中，纳米铝粉颗粒的粒度分布为100～200nm，微米铝粉的粒度分布为8～12μm。
[0013]
更进一步的，步骤1中，所述铝丝的直径为0.1～0.35mm。
[0014]
更进一步的，所述步骤3中，循环流动的微米铝粉的传输速率为4g/min～10g/min；
电爆炸反应的放电电压为20～30kv，电容器容量为3.0～4.0μf，放电频率0.5～1.5hz，电爆炸长度为70～120mm。
[0015]
更进一步的，步骤3中，纳米铝粉颗粒沉积于微米铝粉颗粒上的时间为30～60min。
[0016]
更进一步的，所述制备方法包括以下步骤：
[0017]
步骤1、将直径为0.2mm的铝丝固定在电爆炸腔室内的上下电极上；
[0018]
步骤2、将300g平均粒度为10μm的微米铝粉送入电爆炸腔室，然后将电爆炸腔室抽至真空后充入氩气，并将气压调至0.1mpa，使微米铝粉颗粒在电爆炸腔室内循环流动；
[0019]
步骤3、启动电爆炸装置，使电爆炸反应产生的纳米铝粉颗粒沉积于电爆炸腔内循环流动的微米铝粉颗粒上得到微纳复合结构铝粉材料；
[0020]
其中，所述微纳复合结构铝粉材料中，微米铝粉与纳米铝粉的质量比为10:1；纳米铝粉的粒度分布为100～200nm；
[0021]
所述步骤3中，循环流动的微米铝粉的传输速率为5g/min；电爆炸反应的放电电压为25kv，电容器容量3.6μf，放电频率0.5hz，电爆炸长度为100mm；纳米铝粉沉积在微米铝粉上的时间为30min。
[0022]
本发明还保护一种微纳复合结构铝粉材料，所述复合材料采用上述微纳复合结构铝粉材料的制备方法制得。
[0023]
优选的，所述微纳复合结构铝粉材料中，微米铝粉与纳米铝粉的质量比为10:1；
[0024]
纳米铝粉颗粒的粒度分布为100～200nm，微米铝粉的粒度分布为8～12μm。
[0025]
本发明还保护上述微纳复合结构铝粉材料的制备方法制得的微纳复合结构铝粉材料用于制备固体火箭推进剂或高能炸药的应用；或上述微纳复合结构铝粉材料用于制备固体火箭推进剂或高能炸药应用。
[0026]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0027]
(1)采用本发明的制备方法制得的微纳复合结构铝粉材料具有宏观微米尺度，微观纳米结构的多尺度结构，形貌为球形，粒度为100～200nm的纳米铝粉颗粒在粒度为8～12μm的铝粉表面生长；与微米铝粉相比，微纳复合结构铝粉材料的起始反应温度为550℃，一次氧化增重达到38.4％，反应温度和起始反应温度大幅降低、反应活性大幅提升、释能过程更加集中；微纳复合结构铝粉材料的实测燃烧热为26.3kj/g，而电爆炸制备的纳米铝粉的实测燃烧仅为24.5kj/g，与纳米铝粉相比，本发明提供的微纳复合结构铝粉材料具有更高的能量优势。
[0028]
(2)采用本发明的制备方法制得的微纳复合结构铝粉材料结构稳定，可以用于制备固体火箭推进剂或高能炸药。
附图说明
[0029]
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。
[0030]
在附图中：
[0031]
图1为实施例1制得的微纳复合结构铝粉材料的扫描电镜图；
[0032]
图2为实施例1制得的微纳复合结构铝粉材料的粒度分布图；
[0033]
图3为实施例1制得的微纳复合结构铝粉材料的xrd图；
[0034]
图4为实施例1制得的微纳复合结构铝粉材料的dsc-tg图。
[0035]
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细说明。
具体实施方式
[0036]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，任何本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
需要说明的是，本发明中的所有原材料、实验设备和检测设备，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的原材料和设备。
[0038]
本技术的技术构思为：提供一种全新的粉体处理技术，即使用可以实现同轴送丝送粉的电爆炸装置，使电爆炸过程中产生的铝蒸汽在微米铝粉的表面完成沉积包裹，使得粒度为100～200nm的纳米铝粉颗粒在粒度为8～12μm的铝粉表面生长，最终得到具有宏观微米尺度，微观纳米结构的多尺度结构的微纳复合结构铝粉材料，实现对材料性能的提升。
[0039]
本发明提供一种微纳复合结构铝粉材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0040]
步骤1、将铝丝固定在电爆炸腔室内的上下电极上；
[0041]
步骤2、将配方量的微米铝粉送入电爆炸腔室，然后将电爆炸腔室抽至真空后充入氩气，并将气压调至0.1mpa～0.2mpa；
[0042]
电爆炸腔室抽真空操作时，由于真空口开口处设置有过滤网，所以可以避免输入的微米铝粉随空气被抽出电爆炸腔室。
[0043]
步骤3、启动电爆炸装置，使电爆炸反应产生的纳米铝粉颗粒沉积于电爆炸腔内循环流动的微米铝粉颗粒上得到微纳复合结构铝粉材料；
[0044]
即，使电爆炸反应产生的金属蒸汽与电爆炸腔内流动的微米铝粉接触，金属蒸汽冷却后生成纳米铝粉颗粒，然后纳米铝粉颗粒沉积在微米铝粉颗粒上得到微纳复合结构铝粉材料；
[0045]
其中，所述微纳复合结构铝粉材料中，微米铝粉与纳米铝粉的质量比为(8～10):1。
[0046]
所述微纳复合结构铝粉材料的形状为球形、近球形或类球形。
[0047]
所述微纳复合结构铝粉材料中，纳米铝粉颗粒的粒度分布为100～200nm，微米铝粉的粒度分布为8～12μm。
[0048]
步骤1中，所述铝丝的直径为0.1～0.35mm。
[0049]
所述步骤3中，循环流动的微米铝粉的传输速率为4g/min～10g/min；电爆炸反应的放电电压为20～30kv，电容器容量为3.0～4.0μf，放电频率0.5～1.5hz，电爆炸长度为70～120mm。
[0050]
与微米铝粉材料相比，微纳复合结构铝粉材料的起始反应温度为550℃，一次氧化增重达到38.4％反应温度，起始反应温度大幅降低、反应活性大幅提升、释能过程更加集中。
[0051]
本发明下述实验中所涉及到的性能测试仪器及型号，见表1：
[0052]
表1
[0053]
仪器名称型号
扫描电镜(sem)fei quanta 400esem-fegx射线衍射谱(xrd)日本理学公司d/max-2400型激光粒度仪英国马尔文公司master saizer 2000型差热扫描量热-热重分析仪(dsc-tg)德国netzsch公司204hp氧弹式量热仪长沙方特rf-c7000(tjz)型
[0054]
dsc-tg：取0.05g样品，测试的升温速率为20℃/min，气氛为空气。
[0055]
xrd测试：取0.05g样品，以cu kα为射线源，石墨单色器，在管压为40kv，管流为100ma，扫描速率为1.5
°
/min的条件下测试。
[0056]
sem测试：于载物盘上粘上碳导电双面交，取少量的待测样品在胶带上，用吹气橡胶球朝载物盘径向朝外方向轻吹，以使样品均匀分布在胶带上，然后放入电镜腔中，在20kv的工作电压下进行测量。
[0057]
激光粒度测试：称取0.05样品，分散于测试装置中，调节激光透光率为20％，在搅拌与超声的作用下完成测试。
[0058]
氧弹测试：在铜坩埚中称取0.5g样品，放入氧弹中，连接点火丝后，充氧气至3.0mpa，将氧弹放入测试水桶中点火后完成燃烧热测定。
[0059]
实施例1
[0060]
步骤1、将直径为0.2mm的铝丝固定在电爆炸腔室内的上下电极上；
[0061]
步骤2、将300g平均粒度为10微米的铝粉装入电爆炸腔室，将系统抽真空后充入氩气，并将气压调至0.1mpa，启动气体循环装置，使微米铝粉颗粒在电爆炸反应器的电爆炸腔室内循环流动；
[0062]
步骤3、启动电爆炸装置，控制循环流动的微米铝粉的传输速率为5g/min，在放电电压为25kv，电容器容量3.6μf，放电频率0.5hz，电爆炸长度为100mm，沉积时间为30min的条件下完成反应，使电爆炸反应产生的纳米铝粉颗粒沉积于电爆炸腔内循环流动的微米铝粉颗粒上得到微纳复合结构铝粉材料，在反应过程中，铝丝的消耗质量为37.5g。
[0063]
制备得到的样品经收集后即为微纳复合结构铝粉材料。
[0064]
本发明的微纳复合结构铝粉材料性能表征：
[0065]
经sem观察，经电爆炸沉积反应制备得到的微纳复合结构铝粉为球形，粒度均匀，并且有粒度为100～200nm的纳米颗粒包裹在微米铝粉的表面，最终形成微纳复合结构。
[0066]
激光粒度测试结果表明：制备得到的微纳复合结构铝粉材料的粒度分布呈双峰分布，100～200nm的粒度峰对应为纳米颗粒，8～12微米的粒度峰对应为微米颗粒。
[0067]
微纳复合结构铝粉材料的xrd测试表明，微纳复合结构铝粉主要由单质铝组成，未观察到其他物相的衍射峰。
[0068]
微纳复合结构铝粉材料空气气氛下dsc-tg测试表明，微纳复合结构铝粉的起始氧化温度为550℃，氧化峰温为600℃，只存在一个氧化峰，对应氧化增重达到38.4％wt，与对比文献中的微米铝粉相比，微纳复合结构铝粉的氧化峰温降低了400℃，氧化增重提升了9％，后续试验过程中无放热现象，放热过程集中，改变了微米铝粉的放热历程，表明微纳复合结构铝粉的化学能全部在反应前段释放。
[0069]
燃烧热测试表明，微纳复合结构铝粉材料的实测燃烧热为26.3kj/g，而电爆炸制备的纳米铝粉的实测燃烧仅为24.5kj/g，所以，与纳米铝粉相比，采用本发明方法制备得到
的微纳复合结构铝粉材料具有更高的能量优势。
[0070]
实施例2
[0071]
步骤1、将直径为0.3mm的铝丝固定在电爆炸腔室内的上下电极上；
[0072]
步骤2、将400g平均粒度为10微米的铝粉装入电爆炸腔室，将系统抽真空后充入氩气，并将气压调至0.15mpa，启动气体循环装置，使微米铝粉颗粒在电爆炸反应器的电爆炸腔室内循环流动；
[0073]
步骤3、启动电爆炸装置，控制循环流动的微米铝粉的传输速率为8g/min，在放电电压为25kv，电容器容量3.6μf，放电频率0.5hz，电爆炸长度为100mm，沉积时间为50min的条件下完成反应，使电爆炸反应产生的纳米铝粉颗粒沉积于电爆炸腔内循环流动的微米铝粉颗粒上得到微纳复合结构铝粉材料，在反应过程中，铝丝的消耗质量为40g。
[0074]
制备得到的样品经收集后即为微纳复合结构铝粉材料。
[0075]
本发明微纳复合结构铝粉材料用途：
[0076]
本发明的微纳复合结构铝粉材料作为高能组分，可用于固体火箭推进剂或高能炸药的制备。
[0077]
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0078]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0079]
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。