一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂及其制备方法和应用

一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂及其制备方法和应用

本发明属于含能材料技术领域，公开了一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂及其制备方法和应用。该方法通过组分调控和结构设计开发新型铝热剂，通过引入液态金属镓抑制铝燃料表面完整且均一的Al₂O₃钝化层的产生，同时结合不同的三维多孔氧化剂的限域作用，保护纳米铝的活性，增强铝热组分接触程度和缩短传质扩散长度，从而获得高性能铝镓基纳米复合铝热剂。

背景技术

铝热剂是由燃料和氧化剂组成，能在一定激发条件下发生剧烈氧化还原反应大量放热的一类复合含能材料。铝、镁、硅等单质均可作为燃料，其中铝粉因其价格低廉和热值高而成为首选；而氧化剂主要是氧化铁(Fe₂O₃)、氧化铜(CuO)、氧化钼(MoO₃)等金属氧化物。大量研究表明将微米级的铝热剂的组分降低到纳米尺寸，可以显著提高放热量和降低点火能量。然而，纳米铝一方面存在加工困难及纳米铝粉难以大量供应的问题，另一方面纳米铝相比微米级的铝更容易在制备铝热剂和后续储存过程中颗粒表面被氧化形成致密的钝化氧化铝壳，从而阻碍内部铝核与氧化剂之间的反应，导致实际应用中铝热剂性能不能充分发挥。

技术实现思路

为了克服上述现有技术中存在的不能完全满足对纳米钠容易氧化、铝热组分均匀性和分散性精准调控的要求的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供了一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的制备方法；该方法通过组分调控和结构设计开发新型铝热剂，通过引入液态金属镓抑制铝燃料表面完整且均一的Al₂O₃钝化层的产生，同时结合不同的三维多孔氧化剂的限域作用，保护纳米铝的活性，增强铝热组分接触程度和缩短传质扩散长度，从而获得高性能铝镓基纳米复合铝热剂。

本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂。

本发明的另一目的在于提供上述由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的应用。

技术方案

一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的制备方法，包括以下操作步骤：

1. 将液态金属镓置于密闭容器中，在惰性气氛保护下将经过打磨去除表面氧化膜的金属铝箔加入上述液态金属镓中,然后加热反应制备得到低熔点镓铝合金；所述低熔点镓铝合金中镓和铝成分的质量比范围为1：2～2：1；

2. 胶体晶体模板法制备三维有序大孔氧化物：将单分散聚合物胶体微球分散液通过真空抽滤自组装成三维有序大孔胶体晶体骨架，然后通过溶液浸渍法将金属盐浸入填充到三维有序大孔胶体晶体骨架的孔隙中，在空气气氛中以300-500℃煅烧5-10h后，胶体模板分解和金属盐热解氧化，从而得到相应的三维有序大孔氧化物；所述金属盐为铜盐、锌盐或钴盐；

3. 去合金化法制备三维多孔氧化物箔：以铜合金箔或钼合金箔作为模板，所述铜合金箔为活泼组分Zn、Mn和Mg中的至少一种与铜的合金，所述钼合金箔为活泼组分Zn、Mn和Mg中的至少一种与钼的合金；将铜合金箔或钼合金箔浸入到稀酸溶液中处理12-24h溶解去除其中的活泼组分，得到孔隙类型和尺寸可调的三维连续多孔铜或钼骨架，然后通过在空气气氛中以300-500℃热处理1-5h使三维连续多孔铜或钼骨架表面氧化形成一层氧化铜或三氧化钼形成三维多孔氧化物箔；

4. 将步骤(1)所得低熔点镓铝合金和步骤(2)所得三维有序大孔氧化物在氩气气氛中混合加热，经过200-300℃热处理使低熔点镓铝合金熔化成液态，并灌注填充到步骤(2)所得三维有序大孔氧化物中，从而实现镓铝合金燃料和三维有序大孔氧化物的复合，得到由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂；

5. 在平板加热器上依次叠放步骤(3)所得三维多孔氧化物箔和步骤(1)所得低熔点镓铝合金，经过200-300℃的加热后使低熔点镓铝合金熔化成液态，并灌注填充到上述三维多孔氧化物箔中，从而实现镓铝合金燃料和三维多孔氧化物箔的复合，得到由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂。

步骤(1)中所述惰性气体为氩气；所述加热反应的温度范围为200-300℃，时间范围为3-5h。

步骤(1)中所述低熔点镓铝合金的熔点≤300℃。

步骤(2)中所述单分散聚合物胶体微球为单分散聚苯乙烯(PS)胶体微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球(PMMA)；所述单分散聚合物胶体微球分散液的固含量为10wt％；所述单分散聚合物胶体微球分散液的体积范围为10-60ml；所述单分散聚合物胶体微球的尺寸为50-500nm。

步骤(2)中所述溶液浸渍法是将金属盐配制成浓度0.05-0.2mol/l的金属盐溶液进行浸渍。

步骤(3)中所述稀酸溶液为0.5-1mol/l的盐酸。

一种由上述的制备方法制备得到的由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂。

上述的由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂在国防军工、微电机系统中的应用。

优点

1. 镓铝基合金用于铝热组分具有改变铝的微观形貌和将部分Al-Al界面转化为Al-Ga界面从而抑制表面完整且均一的Al₂O₃钝化层的产生的效果，可以避免在处理和储存过程中铝燃料被氧化，又可以加速铝参与反应，从而提高铝的反应活性。另一方面，室温液态金属镓(熔点仅为29.76℃)与金属铝形成的低熔点合金可在较低温度的加热过程中熔化成液态，在熔融灌注过程中三维多孔氧化剂的空间限域作用下能有效抑制铝燃料的尺寸，且能阻止纳米铝在后续过程中发生团聚。

2. 与真空物理气相沉积技术相比，熔融灌注法有利于更高纳米铝燃料装载量的实现，增强反应物之间的接触程度；同时避免了生产高反应活性的纳米铝通常需要复杂的仪器设备或苛刻的反应条件，非常适合大规模生产。

3. 基于镓铝合金和三维多孔氧化剂的优点，本发明有望实现燃烧爆炸反应迅速彻底、能长期储存，制备工艺简单和成本较低的纳米复合铝热剂。

技术特征

1. 一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：

2. 根据权利要求1所述的一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述惰性气体为氩气；所述加热反应的温度范围为200-300℃，时间范围为3-5h。

3. 根据权利要求1所述的一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述低熔点镓铝合金的熔点≤300℃。

4. 根据权利要求1所述的一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述单分散聚合物胶体微球为单分散聚苯乙烯胶体微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球；所述单分散聚合物胶体微球分散液的固含量为10wt％；所述单分散聚合物胶体微球分散液的体积范围为10-60ml；所述单分散聚合物胶体微球的尺寸为50-500nm。

5. 根据权利要求1所述的一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述溶液浸渍法是将金属盐配制成浓度0.05-0.2mol/l的金属盐溶液进行浸渍。

6. 根据权利要求1所述的一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述稀酸溶液为0.5-1mol/l的盐酸。

7. 一种由权利要求1～6任一项所述的制备方法制备得到的由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂。

8. 根据权利要求7所述的由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂在国防军工、微电机系统中的应用。

技术创新点

本发明属于含能材料技术领域，公开了一种由镓铝合金和三维多孔氧化物构成的纳米复合铝热剂及其制备方法和应用。该方法通过组分调控和结构设计开发新型铝热剂，通过引入液态金属镓抑制铝燃料表面完整且均一的Al₂O₃钝化层的产生，同时结合不同的三维多孔氧化剂的限域作用，保护纳米铝的活性，增强铝热组分接触程度和缩短传质扩散长度，从而获得高性能铝镓基纳米复合铝热剂。

技术研发信息

技术研发人：蔡俊杰,张蕾,尹林蔚
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/12