[发明专利]纳米铝热剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合含能材料的技术领域，特别是几种纳米铝热剂及其制备方法。

背景技术

MEMS(MicroElectro-mechanicalSystem)火工品是指基于MEMS工艺或与MEMS工艺兼容的火工品技术，其不仅具备传统火工品的控制、作功、点火等功能，还具有小型化、集成化、数字化、智能化等优点，更能满足未来火工系统在航天、弹药、医疗方面的应用。但随着MEMS芯片尺寸的不断减小，火工品的输出能量越来越难以满足某些器件的点火要求，从而使得点火可靠性问题日趋突出。纳米复合含能材料由于具有能量密度高、能量释放速率快、三维尺度小等优点，因此，科学家们考虑将纳米复合含能材料集成到MEMS中。纳米铝热剂作为一种典型的纳米复合含能材料，因其毒性低、放热量高、制备简单，所以成为MEMS用纳米复合含能材料领域的研究热点。

纳米铝热剂，又称亚稳态分子间复合物，与传统铝热剂相比，由于氧化剂和燃料在纳米尺度下紧密结合，降低了物质间质量传递的距离，因而拥有更高的能量输出、更快的能量释放速率等优势。目前，国内外制备纳米铝热剂的方法主要是超声物理混合、溶胶-凝胶、物理气相沉积以及分子自组装法。比如：

文献1(Bockmon,B.S,Pantoya,M.L,et.al.Combustionvelocitiesandpropagationmechanismsofmetastableinterstitialcomposites[J].JournalofAppliedPhysics,2005,98(6):064903)将三种不同粒径纳米Al粉和纳米MoO₃超声物理混合。测试结果表明纳米铝热剂燃烧速度随着纳米Al粒子尺寸的减小而缓慢增大；但当纳米Al粒子直径超过某一数值时，燃烧速度与纳米Al粉的粒径无关。

文献2(TillotsonT.M,GashA.E,et.al.Nanostructuredenergeticmaterialsusingsol-gelmethodologies[J].JournalofNon-CrystallineSolids,2001,285(1-3):338-345)采用溶胶凝胶法制备了纳米Al/Fe₂O₃铝热剂，热分析结果显示其放热量高达1.5kJ/g，这在一定程度增加上纳米Al/Fe₂O₃铝热剂的点火能力。此外，由于感度测试表明纳米Al/Fe₂O₃铝热剂对撞击、静电、摩擦比较钝感，因而产品的安全性比较高。

文献3(ZhangK.L,CaroleR,et.al.Developmentofanano-Al/CuObasedenergeticmaterialonsiliconsubstrate[J].AppliedPhysicsLetters,2007,91(11):113117)通过物理气相沉积法将多层纳米Al/CuO铝热薄膜沉积到硅基底上。该方法的特点是组分之间接触紧密、产品尺寸均匀可调、并能有效的减少杂质和纳米Al的氧化。另外，利用物理气相沉积可以将纳米铝热剂引入到硅基底中，这为纳米复合含能材料集成到以硅为基础的MEMS器件中提供了一种新的方法，从而形成一类新的功能性纳米点火装置。

文献4(SeveracF,AlphonseP,etal.High-EnergyAl/CuONanocompositesObtainedbyDNA-DirectedAssembly[J].AdvancedFunctionalMaterials,2012,22(2):323-329)利用DNA自组装制备了纳米Al/CuO铝热剂，通过测试发现该纳米铝热剂的点火温度低至410℃且放热量高达1.8kJg^-1，并能通过改变纳米铝粒子的尺寸从而调整其点火温度和反应放热量。

由上述可知，为了进一步完善纳米铝热剂的制备工艺，现存的制备方法存在以下缺陷：

文献1：超声物理混合法与MEMS制备工艺难以兼容，并且由于纳米粒子具有很高的表面能，因此在超声混合的过程中粒子极易发生团聚。此外，纳米铝粉和纳米氧化物通过超声难以充分接触，这会严重影响纳米铝热剂的反应活性。

文献2：在制备纳米铝热剂的过程中要使用大量有机溶剂，因而不可避免的引入有机杂质，从而导致产品的能量密度降低。另外，溶胶凝胶过程所需时间较长，不利于大规模工业化生产。

文献3：物理气相沉积工艺耗时耗力，成本高，适用范围窄。