CN109678632A - 一种二维含能材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维含能材料，其氧化剂组分与燃料组分中至少一种为类石墨烯二维材料，并且已合成为二维纳米片。所述氧化剂组分含量为10％～90％，所述燃料组分含量为10％～90％；所述氧化剂组分为WO3或MnO2；所述燃料组分为Al、Mg、B、Ti、Si或P中的一种。本发明使二维材料与纳米含能材料完美结合在一起，解决了纳米含能材料的分散性差，粒子易团聚，瞬时放热差问题，也拓展了二维纳米材料的应用。

Description

一种二维含能材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及新型复合含能材料领域，具体涉及一种二维含能材料及其制备方法。
背景技术
含能材料是指含有爆炸性基团或者由氧化剂和燃烧剂所构成、能够独立地进行化学反应燃烧或爆炸并输出能量的单质化合物或者混合物。其中，复合含能材料种类最多且威力巨大，受到广泛研究。当前复合含能材料研究者一直致力于发展含能材料的新配方，提高能量释放速率，从而提升复合含能材料的威力。在众多改善复合含能材料威力的方法中，细化组成复合含能材料的燃料组分和氧化剂组分颗粒尺寸是当前最重要的一种。细化到纳米尺度的所谓纳米复合含能材料表现出巨大的优势，如增加燃料组分和氧化剂组分的界面接触、减少扩散距离，提高传质和传热效率，进而使相应配方的反应速率、含能威力大大提升；也可以降低反应温度，从而使金属类燃料可以在较低的温度开始反应。纳米WO3(三氧化钨)/纳米铝粉构成复合体系是一类重要的纳米复合含能材料，其理论热焓密度为2.9kJ/g，比Al/CuO体系低，但由于其所得材料可以制成高密度含能材料(高密度有利于提高含能材料威力)和低的升华点(反应起始温度可以降低)，故也是通用含能铝热体系之一，因此当前有许多研究者投入新型WO3/纳米Al体系纳米复合含能材料配方及制备方法的开发。研究指出复合含能材料各组分颗粒尺度越小反应速率越高：有研究者利用纳米WO3和纳米Al物理共混(超声)制备了纳米复合体系，报道说性能较微米混合体系反应速率大为提高；但是纳米颗粒直接共混存在团聚问题，对改善效果有副作用。有研究报道使用抑制反应研磨法、溅射沉积法制备纳米含能材料，但是研磨混合容易导致温度上升而有加工危险，而沉积方法设备昂贵、加工条件要求苛刻且加工温度要严格控制，不能太高，这不利于实用化。因此，急需新的纳米Al/纳米WO3复合含能体系或者新的加工方式来克服这些不足。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种二维含能材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种二维含能材料，其氧化剂组分与燃料组分中至少一种为类石墨烯二维材料，并且已经被制成二维纳米片。所述二维材料为一类其材料凝聚态结构微观为层状结构，层与层之间为范德华力，层内原子间为化学键力的材料，可以通过外力、溶剂辅助、离子插层或水热合成等方法制备为二维纳米片。该材料具有纳米片层结构，厚度在一个或几个原子层厚度，最多不厚于10个原子层，宽度/厚度尺寸比>10倍以上，因此具有非常大的比表面积，非常有利于纳米燃料组分与纳米氧化剂组分的吸附和结合，也进一步增大纳米燃料组分与纳米氧化剂组分的接触，有利于两者直接反应，进而有利于放热和基于所述材料的爆炸威力提升；同时因为二维纳米材料来源于一些特殊层状材料，这些层状材料的层间结合是非键合力，故制备为二维纳米片后，再重叠、团聚的概率要小于传统纳米粒子。故可以避免团聚。
所述氧化剂组分包括金属氧化物，最核心包括WO3或MnO2，其含量为10％～90％，所述燃料组分的含量为10％～90％，包括金属或者非金属，最核心包括Al、Mg、B、Ti、Si、P等。
本发明还提供了上述一种二维含能材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、二维纳米片状组分的制备；
S2、二维含能材料的制备；
(1)第一种情况：氧化剂组分为二维纳米片状组分，但燃料组分非二维纳米片时，燃料组分采用纳米燃料；
A1、在真空手套箱中，称取一定量纳米燃料分散于溶剂中，然后将其与合成的二维纳米片状的氧化剂组分混合，所述手套箱中水含量小于1ppm，氧含量小于1ppm，且箱中充满氮气；
A2、将A1中混合好体系置于真空干燥箱中，流延成膜，60～80℃干燥24小时，即得到所述二维纳米含能材料；
(2)第二种情况：燃料组分为二维纳米片状组分，但氧化剂组分非二维纳米片，氧化剂组分采用纳米氧化剂；
B1、在真空手套箱中，称取一定量纳米氧化剂分散于溶剂中，然后将其与合成的二维纳米片状的燃料组分混合，所述手套箱中水含量小于1ppm，氧含量小于1ppm，且箱中充满氮气；
B2、将B1中混合好体系，置于真空干燥箱中，流延成膜，60～80℃干燥24小时，即得到所述二维纳米含能材料；
(3)第三种情况：氧化剂组分和燃料组分均为二维纳米片状组分，
C1、在真空手套箱中，将合成的二维纳米片状的氧化剂组分和燃料组分混合，所述手套箱中水含量小于1ppm，氧含量小于1ppm，且箱中充满氮气；
C2、将C1中混合好体系，置于真空干燥箱中，流延成膜，60～80℃干燥24小时，即得到所述二维纳米含能材料。
优选地，所述步骤S1采用化学气相沉积法，具体的，将该氧化剂组分或燃料组分的气相前体通入反应炉中，高温下分解或反应获得其二维纳米片层。
优选地，所述步骤S1采用液相化学合成，具体的，将氧化剂组分或燃料组分的前体分散于溶剂中稳定合成二维纳米片层材料。
本发明具有以下有益效果：
该制备方法使二维材料与纳米含能材料完美结合在一起，解决了纳米含能材料的分散性差，粒子易团聚，瞬时放热差问题，也拓展了二维纳米材料的应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
准确称取二水钨酸钠500mg、柠檬酸300mg溶解于30ml的去离子水中，室温轻缓搅拌直至获得透明溶液。然后逐滴加入6M HCl调整上述体系的pH值，直至1停止加HCl，上述体系将产生沉淀；搅拌30分钟。然后将上述体系转移至50ml、带四氟衬里的反应釜中，加热至120℃，保持该温度12h。到时间后开釜收集沉淀物，使用无水乙醇和去离子水反复清洗，直至最后清洗下来的水pH为7。然后在60℃下干燥12h。最后将干燥后的沉淀在管式炉中于500℃下烧2h。所得即为三氧化钨二维纳米片。重复上述过程，直至所得三氧化钨二维材料达到231mg。然后再分散所得的三氧化钨二维材料于异丙醇中，得三氧化钨二维材料/异丙醇分散体系；
在真空手套箱中称取54mg纳米铝粉分散于异丙醇中，将其与三氧化钨二维材料/异丙醇分散体系混合，所述手套箱中水含量小于1ppm，氧含量小于1ppm，且箱中充满氮气，然后将混合好的体系，置于真空干燥箱中，流延成膜，60～80℃干燥24小时，即得到二维纳米复合含能材料B。
将所得二维纳米复合含能材料A于20℃/min下进行热分析，获得其相应热焓值远高于微米级别WO3/微米Al混合体系，也优异于Wang报道的纳米铝(薄层铜壳包覆纳米Al)与WO3粉末混合体系的反应热。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种二维含能材料，其特征在于，其氧化剂组分与燃料组分中至少一种为类石墨烯二维材料，并且已合成为二维纳米片。
2.如权利要求1所述的一种二维含能材料，其特征在于，所述氧化剂组分含量为10％～90％，所述燃料组分含量为10％～90％；所述氧化剂组分为WO3；所述燃料组分为Al、Mg、B、Ti、Si或P中的一种。
3.如权利要求1所述的一种二维含能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、二维纳米片状组分的制备；
S2、二维含能材料的制备；
(1)第一种情况：氧化剂组分为二维纳米片状组分，但燃料组分非二维纳米片时，燃料组分采用纳米燃料；
A1、在真空手套箱中，称取一定量纳米燃料分散于溶剂中，然后将其与合成的二维纳米片状的氧化剂组分混合，所述手套箱中水含量小于1ppm，氧含量小于1ppm，且箱中充满氮气；
A2、将A1中混合好体系置于真空干燥箱中，流延成膜，60～80℃干燥24小时，即得到所述二维纳米含能材料；
(2)第二种情况：燃料组分为二维纳米片状组分，但氧化剂组分非二维纳米片时，氧化剂组分采用纳米氧化剂；
B1、在真空手套箱中，称取一定量纳米氧化剂分散于溶剂中，然后将其与合成的二维纳米片状的燃料组分混合，所述手套箱中水含量小于1ppm，氧含量小于1ppm，且箱中充满氮气；
B2、将B1中混合好体系，置于真空干燥箱中，流延成膜，60～80℃干燥24小时，即得到所述二维纳米含能材料；
(3)第三种情况：氧化剂组分和燃料组分均为二维纳米片状组分，
C1、在真空手套箱中，将合成的二维纳米片状的氧化剂组分和燃料组分混合，所述手套箱中水含量小于1ppm，氧含量小于1ppm，且箱中充满氮气；
C2、将C1中混合好体系，置于真空干燥箱中，流延成膜，60～80℃干燥24小时，即得到所述二维纳米含能材料。
4.如权利要求3所述的一种二维含能材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1采用化学气相沉积法，具体的，将该氧化剂组分或燃料组分的气相前体通入反应炉中，高温下分解或反应获得其二维纳米片层。
5.如权利要求3所述的一种二维含能材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1采用液相化学合成，具体的，将氧化剂组分或燃料组分的前体分散于溶剂中稳定合成二维纳米片层材料。
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