[发明专利]一种纳米级核壳结构超级铝热剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米级核壳结构超级铝热剂的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

超级铝热剂(SuperThermites)，又称亚稳态分子间复合物(Metastableintermolecular composite,MIC)通常指的是一类由纳米级金属粉(如纳米铝粉)和氧化性较强的金属氧化物 在纳米尺度上混合得到的复合物。此类物质在强热量或机械冲击作用下可以引发剧烈的固态 氧化-还原化学反应(thermitereaction铝热反应)，释放出以热能为主的巨大能量。根据理论 计算结果，MIC具有极高的单位体积能量密度，拥有三倍以上的TNT当量。超级铝热剂因其 具有能够提供优异的点火和反应性能、提高能量释放速率和燃烧效率、降低材料敏感性等优 点而成为一类非常有潜力应用于军工、冶炼、烟火等领域的含能无机材料。目前制备超级铝 热剂的方法主要有机械物理混合法、球磨法、喷雾热分解法、自组装法、溶胶-凝胶法、超声 分散复合等。虽然上述传统的制备方法在制备超级铝热剂时各有优点，但是这些制备方法普 遍存在着复合均匀性差、分散性差、缺乏对复合过程的精确控制、后处理麻烦、安全性差、 不利于大规模工业生产和成本较高等缺点。

CN104551005A公开了一种采用液相还原-氧化法制备纳米级核壳结构超级铝热剂的方 法。该方法首先将纳米铝粉超声分散于溶有金属盐的还原性溶剂(高密度的单元醇或多元醇) 中，然后加入还原性的试剂(水合肼或NaBH₄)进行还原，还原得到的金属原子或原子簇吸 附和沉积在铝核表面，形成M⁰Al的中间体，M⁰被溶解于反应体系中的O₂氧化，在纳米铝 粉表面形成M(OH)_X包覆层，之后通过晶化实现外层M(OH)_X向相应的金属氧化物MO_x/2相 的转变，最终形成纳米级核壳结构的铝热剂MO_x/2Al。虽然该方法制备的MO_x/2Al超级 铝热剂具有单位质量热值较高、点火温度低等特点，但是该方法在液相中完成，工艺复杂， 后处理麻烦，缺乏对实验过程的精确控制，难以实现金属氧化物包覆层厚度的精确调节，并 且包覆层的完整性、均匀性和致密性较差，核壳结构也存在一定缺陷。核壳结构的完整性和 金属氧化物包覆层的质量会对超级铝热剂的反应速率和各项热性能产生直接的影响。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种采用原子层沉积(AtomicLayer Deposition,简称ALD)技术气相制备纳米级核壳结构超级铝热剂的方法。该方法能够按照铝 热反应化学计量比在纳米铝粉表面形成均匀、致密的纳米尺度金属氧化物包覆壳层。所提供 的方法具有自动化程度高、安全性能好、经济环保等优点，制备的纳米级核壳结构超级铝热 剂具有点火速度快、释能效率高、反应完全等性能特点。

本发明所提供的纳米级核壳结构超级铝热剂，化学通式为AlMO_x/2，其中M为Fe、Co、 Ni、Sn、Ti、Cu、Zn、V、Mn、Zr、Bi中的一种，X为M的价态，X＝2-5，Al核的粒径为 10-500nm。相比于物理混合法制备的超级铝热剂，在最佳铝热反应化学计量比条件下，采用 原子层沉积技术制备的核壳结构的超级铝热剂反应速度提高了1～8倍，反应完全性达到90％ 和95％以上。

一种纳米级核壳结构超级铝热剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，将纳米铝粉颗粒置于气相原子层沉积系统反应腔内，密封反应腔，向气相原子 层沉积系统内通入惰性载气并抽真空，腔内压力133Pa～1000Pa，温度80℃～400℃；

步骤二，对纳米铝粉颗粒进行原子层沉积形成包覆膜，原子层沉积生长的一个周期包括 以下四个环节：(1)向反应腔内注入第一种反应前躯体，使之与铝粉发生饱和反应；(2)通 入惰性载气清洗未反应的第一种反应前躯体和副产物；(3)向反应腔内注入第二种反应前躯 体，与吸附在铝粉表面的第一种反应前驱体发生反应；(4)通入惰性载气清洗未反应的第二 种反应前躯体和副产物；按照上述步骤顺序，反应前驱体脉冲顺序以t1-t2-t3-t4表示，其中： t1、t3分别为第一种、第二种反应前驱体的注入时间，t2和t4均为惰性载气的清洗时间；