一种纳米氟铝高释能燃料及其制备方法技术

一种纳米氟铝高释能燃料及其制备方法，本发明专利技术涉及一种高释能燃料及其制备方法。本发明专利技术要解决现有氟铝复合物的制备方法更多的适用于微米铝粉，微米铝粉表面含氟壳层厚度在100nm左右，对于纳米铝粉来说，100nm的含氟壳层过于厚重，影响其性能的问题。纳米氟铝高释能燃料由去除氧化膜的纳米铝芯和壳层组成；方法：一、将HF溶液与溶剂混合，得到混合溶液；二、向混合溶液中加入纳米铝粉，常温搅拌，得到含铝粉的混合溶液；三、向含铝粉的混合溶液中加入全氟羧酸溶液，常温搅拌，得到粗产物；四、将粗产物采用无水乙醇洗涤并减压过滤，得到纳米氟铝高释能燃料。本发明专利技术用于纳米氟铝高释能燃料的制备。

A nano-aluminium fluoride fuel with high energy release and its preparation method

The invention relates to a nano-fluoroaluminium high-energy-release fuel and a preparation method thereof, and relates to a high-energy-release fuel and a preparation method thereof. The invention aims to solve the problem that the existing preparation method of fluorine-aluminium composite is more suitable for micron aluminium powder, and the thickness of fluorine-containing shell on the surface of micron aluminium powder is about 100 nm. For nano-aluminium powder, the fluorine-containing shell at 100 nm is too thick to affect its performance. Nano-fluorine-aluminium high-release fuel consists of nano-aluminium core and shell which removes oxide film. Methods: First, HF solution is mixed with solvent to obtain mixed solution; Second, nano-aluminium powder is added to mixed solution and stirred at room temperature to obtain mixed solution containing aluminium powder; Third, perfluorocarboxylic acid solution is added to mixed solution containing aluminium powder and stirred at room temperature to obtain crude product; Fourth, crude product will be produced. The nano-fluoroaluminium fuel with high energy release was obtained by washing with anhydrous ethanol and vacuum filtration. The invention is applied to the preparation of nano-fluoroaluminium high-release energy fuel.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米氟铝高释能燃料及其制备方法
本专利技术涉及一种高释能燃料及其制备方法。
技术介绍
固体推进剂是一种特定性能的含能复合材料，是导弹、卫星等各类固体发动机的动力源，随着时代的发展，空间战略目标的提升，对固体推进剂的性能提出了更高的要求。纳米铝粉做为一种新型的固体推进剂添加剂，极大的提高了其燃速、比冲，且在燃烧过程中无明显凝聚现象，因此，纳米铝粉逐渐成为当前研究热点。纳米铝粉表面活性高，比表面积大，因此其储存及制备都存在一定难度，现阶段常用的制备纳米铝粉的方法为电爆法，即通过高压电弧轰击铝箔表面，同时体系中注入微量氧气，使其表面具有一层致密的氧化膜，但这一层氧化膜对推进剂并无帮助，同时由于比表面积大，质量占比较高，导致了其在实际应用中受到了一定限制。由于氟与铝的高焓能(Al-F为664±6kJ/mol、Al-O为512±4kJ/mol)，制备新型纳米氟铝复合材料在近些年被广泛的研究。Osborne等人报道了聚四氟乙烯/铝粉复合物，提出含氟表面与铝粉在300℃左右会出现一个“预燃烧”过程，生成氟化铝同时释放热量。现阶段氟铝复合物的制备方法通常有两种：(1)通过机械球磨或物理混合在金属铝粉中引入含氟物质；(2)通过一定化学键合，在铝粉氧化膜外包覆一层掺氟高聚物。此两种方法都不能很好解决表面氧化铝存在对铝粉性能的影响，同时此二种方法更多的适用于微米铝粉，微米铝粉表面含氟壳层厚度在100nm左右，对于纳米铝粉来说，100nm的含氟壳层过于厚重，反而影响其性能。因此通过一种简单的方法构建一层均匀的核壳结构的氟铝复合物，并且能极大提升纳米铝粉的能量释放能力是当前研究热点。
技术实现思路
本专利技术要解决现有氟铝复合物的制备方法更多的适用于微米铝粉，微米铝粉表面含氟壳层厚度在100nm左右，对于纳米铝粉来说，100nm的含氟壳层过于厚重，影响其性能的问题，因而提供一种纳米氟铝高释能燃料及其制备方法。纳米氟铝高释能燃料由去除氧化膜的纳米铝芯和壳层组成；HF溶液处理纳米铝芯得到去除氧化膜的纳米铝芯，同时生成Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O铝源，再以Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O铝源和全氟羧酸反应形成的全氟羧酸铝交联网络作为壳层。一种纳米氟铝高释能燃料的制备方法是按以下步骤进行：一、将质量百分数为1％～10％的HF溶液与溶剂混合，得到混合溶液；所述的质量百分数为1％～10％的HF溶液与溶剂的体积比为1:(0.5～2)；二、向混合溶液中加入纳米铝粉，常温搅拌3min～10min，得到含铝粉的混合溶液；步骤一中所述的质量百分数为1％～10％的HF溶液的体积与步骤二中所述的纳米铝粉的质量比为10mL:(1～3)g；三、向含铝粉的混合溶液中加入浓度为5g/L～20g/L的全氟羧酸溶液，常温搅拌2h～8h，得到粗产物；所述的浓度为5g/L～20g/L的全氟羧酸溶液中溶剂与步骤一中所述溶剂相同；步骤二中所述的纳米铝粉的质量与步骤三中所述的浓度为5g/L～20g/L的全氟羧酸溶液的体积比为1g:(10～20)mL；四、将粗产物采用无水乙醇洗涤并减压过滤，得到纳米氟铝高释能燃料。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术为一种全氟羧酸铝交联网络建立类高聚物包覆层与活性铝芯直接接触形成纳米氟铝复合结构，具体反应机理如下：(1)HF溶液刻蚀铝粉表面的氧化层，同时反应生成中间体Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O；(2)中间体Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O与全氟羧酸所形成的胶团进行反应生成全氟辛酸铝团；(3)同时全氟辛酸铝由于其疏水疏油的特性自发产生交联，形成最终复合结构。该方法去除纳米铝粉表面氧化膜的同时，构建了一层与其厚度类似的含氟壳层，表面包覆层厚度在5nm左右，与原氧化膜相比基本一致。其中，当全氟羧酸适量时能够构建5nm左右的全氟羧酸涂层，且此时涂层可清晰看出为单层，胶团在铝芯表面均匀排列生成。包覆层过厚，会导致铝粉表面有机涂层过多，活性铝含量下降，降低其总焓值。2、本专利技术制备的纳米氟铝高释能燃料在第一放热台阶时最大DSC上显示放热为154W/g，而对应纯铝粉在第一放热台阶放热最大值为15.5W/g，出现了近十倍的提升。在这里全氟羧酸包覆层起到了极其关键的作用，有机涂层在低温下分解(150℃-400℃)使得铝粉表面出现一层极薄的AlF3壳。在逐渐升温后，该壳层瞬间破碎，整个铝粉内部完成氧化，同时放出大量热。3、本专利技术制备的纳米氟铝高释能燃料，反应条件温和，适用于较大规模生产。本专利技术用于一种纳米氟铝高释能燃料及其制备方法。附图说明图1为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料的TEM图；图2为DSC图，1为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料，2为纳米铝粉；图3为图2中A区的放大图，1为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料，2为纳米铝粉；图4为TG图，1为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料，2为纳米铝粉；图5为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料点燃0s时的红外热成像图；图6为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料点燃0.8s时的红外热成像图；图7为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料点燃1.44s时的红外热成像图；图8为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料点燃1.8s时的红外热成像图；图9为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料点燃2.4s时的红外热成像图；图10为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料点燃3s时的红外热成像图；图11为纳米铝粉点燃0s时的红外热成像图；图12为纳米铝粉点燃0.4s时的红外热成像图；图13为纳米铝粉点燃0.52s时的红外热成像图；图14为纳米铝粉点燃0.92s时的红外热成像图；图15为纳米铝粉点燃1.32s时的红外热成像图；图16为纳米铝粉点燃1.72s时的红外热成像图；图17为实施例二制备的纳米氟铝高释能燃料的XRD图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的纳米氟铝高释能燃料由去除氧化膜的纳米铝芯和壳层组成；HF溶液处理纳米铝芯得到去除氧化膜的纳米铝芯，同时生成Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O铝源，再以Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O铝源和全氟羧酸反应形成的全氟羧酸铝交联网络作为壳层。本具体实施方式的有益效果是：1、本具体实施方式为一种全氟羧酸铝交联网络建立类高聚物包覆层与活性铝芯直接接触形成纳米氟铝复合结构，具体反应机理如下：(1)HF溶液刻蚀铝粉表面的氧化层，同时反应生成中间体Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O；(2)中间体Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O与全氟羧酸所形成的胶团进行反应生成全氟辛酸铝团；(3)同时全氟辛酸铝由于其疏水疏油的特性自发产生交联，形成最终复合结构。该方法去除纳米铝粉表面氧化膜的同时，构建了一层与其厚度类似的含氟壳层，表面包覆层厚度在5nm左右，与原氧化膜相比基本一致。其中，当全氟羧酸适量时能够构建5nm左右的全氟羧酸涂层，且此时涂层可清晰看出为单层，胶团在铝芯表面均匀排列生成。包覆层过厚，会导致铝粉表面有机涂层过多，活性铝含量下降，降低其总焓值。2、本具体实施方式制备的纳米氟铝高释能燃料在第一放热台阶时最大DSC上显示放热为154W/g，而对应纯铝粉在第一放热台阶放热最大值为15.5W/g，出现了近十倍的提升。在这里本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米氟铝高释能燃料，其特征在于纳米氟铝高释能燃料由去除氧化膜的纳米铝芯和壳层组成；HF溶液处理纳米铝芯得到去除氧化膜的纳米铝芯，同时生成Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O铝源，再以Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O铝源和全氟羧酸反应形成的全氟羧酸铝交联网络作为壳层。

【技术特征摘要】
1.一种纳米氟铝高释能燃料，其特征在于纳米氟铝高释能燃料由去除氧化膜的纳米铝芯和壳层组成；HF溶液处理纳米铝芯得到去除氧化膜的纳米铝芯，同时生成Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O铝源，再以Al2F1.5(OH)1.5·0.375H2O铝源和全氟羧酸反应形成的全氟羧酸铝交联网络作为壳层。2.如权利要求1所述的一种纳米氟铝高释能燃料的制备方法，其特征在于一种纳米氟铝高释能燃料的制备方法是按以下步骤进行：一、将质量百分数为1％～10％的HF溶液与溶剂混合，得到混合溶液；所述的质量百分数为1％～10％的HF溶液与溶剂的体积比为1:(0.5～2)；二、向混合溶液中加入纳米铝粉，常温搅拌3min～10min，得到含铝粉的混合溶液；步骤一中所述的质量百分数为1％～10％的HF溶液的体积与步骤二中所述的纳米铝粉的质量比为10mL:(1～3)g；三、向含铝粉的混合溶液中加入浓度为5g/L～20g/L的全氟羧酸溶液，常温搅拌2h～8h，得到粗产物；所述的浓度为5g/L～20g/L的全氟羧酸溶液中溶剂与步骤一中所述溶剂相同；步骤二中所述的纳米铝粉的质量与步骤三中所述的浓度为5g/L～20g/L的全氟羧酸溶液的体积比为1g:(10～20)mL；四、将粗产物采用无水乙醇洗涤并减压过滤，得到纳米氟铝高释能燃料。3.根据权利要求2所述的一种纳米氟铝高释能燃料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的溶剂为N,N...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉林，郝冬宇，林凯峰，夏德斌，范瑞清，扈颖慧，姜艾锋，王平，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23