CN110483219A - 立方结构复合含能材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

立方结构复合含能材料及其制备方法，该方法包括：采用溶液法制备立方结构的CuO粉末，然后通过电泳沉积法将纳米铝粉和立方CuO组装，最终得到立方结构的Al/CuO复合含能材料。本发明制得的Al/CuO复合含能材料的放热量高达3049J/g。此外，本发明提供的制备方法简单易行，制备的立方结构复合含能材料具有点火温度低、燃烧性能好、放热量高等性能特点。

Description

立方结构复合含能材料及其制备方法
技术领域
本发明属于含能复合材料制备技术领域，具体涉及一种立方结构复合含能材料及其制备方法。
背景技术
复合含能材料(Energetic materials)是一类同时含有燃料和氧化剂的物质，在一定触发条件下可发生快速化学反应，并释放出大量热量，在军事和民用领域均有着重要的作用。其组成成分包括金属与金属氧化物、金属与金属、金属与非金属等，这类含能材料具有较高的能量密度，但由于传质速率受到反应物粒径和接触程度的影响，其能量释放速率较慢。目前，制备复合含能材料的方法主要有物理混合法、气相沉积法、溶胶凝胶法、自组装法等，这些制备方法存在产物均匀性差、成本高或制备工艺复杂等问题。Al/CuO体系因具有较高的理论放热量受到了广泛的研究。一般来说，提高铝热剂性能的途径主要分为两类，即增加铝热剂的燃料和氧化剂的界面接触和降低其尺寸大小。目前，关于Al/CuO铝热剂的研究采用的CuO大多为球状、棒状等。Yu等(YU C P,ZHANG W C,HU B,et al.Core/shellCuO/Al nanorods thermite film based on electrochemical anodization[J].Nanotechnology,2018,29(36LT02):1-5)通过电化学阳极氧化法制备了棒状的CuO，然后通过磁控溅射制备了核壳结构的Al/CuO纳米棒，其平均放热量为2520J·g-1，与理论放热量4075J/g相差较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种立方结构复合含能材料及其制备方法，其能够解决上述现有技术中的某个或某些缺陷。
根据本发明的立方结构复合含能材料的制备方法包括：
将乙酸铜溶于去离子水中，加热至约65℃，并进行连续搅拌，然后依次加入氢氧化钠和葡萄糖形成反应溶液，其中乙酸铜浓度约为12.5g/L，氢氧化钠浓度为11.25～21.25g/L，葡萄糖浓度约为15g/L；
在反应溶液常温反应30min后，抽滤得到立方状的Cu2O；
将所得Cu2O在真空干燥箱中干燥约2h后，在马弗炉中煅烧，其中煅烧温度约为600℃，升温速率约为5℃/min；
将上述煅烧得到的CuO粉末和纳米铝粉以0.75～3.75的当量比形成混合粉末；
在异丙醇溶剂中加入上述混合粉末和聚乙烯亚胺(PEI)–乙醇混合溶液，超声得到混合粉末浓度约为1g/L的悬浮液，其中所加入的聚乙烯亚胺–乙醇混合溶液中聚乙烯亚胺的质量浓度约为25g/L，所得悬浮液中聚乙烯亚胺的质量含量约为悬浮液中混合粉末质量的10％；
将两个相同的金属片作为阴阳极垂直插入上述悬浮液中执行电泳，从而在阴极金属上得到Al/CuO复合含能材料，其中电泳在约150V外加电压下进行，沉积时间约为15min，电极间距约为1cm。
根据本发明的制备方法，金属片优选为Ti材。
根据本发明的制备方法，还包括将作为阴极的金属片剥离所得复合含能材料。
本发明与现有技术相比，其特点是：(1)本发明方法制备立方结构复合含能材料主要在溶液中进行，操作简便工艺简单。(2)本发明制备的复合含能材料结构新颖，颗粒分布均匀。(3)本发明不受金属基底控制，可在复杂的结构上成膜。(4)本发明制备的立方结构复合含能材料放热性能优良，放热量可高达3049J/g。
附图说明
图1是实施例1中制备的Al/CuO复合含能材料的XRD图；
图2是实施例1中制备的立方状CuO的SEM图；
图3是实施例1中制备的Al/CuO复合含能材料的SEM图和EDS图；
图4是实施例1中制备的Al/CuO复合含能材料的DSC图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例1
称取5.00g乙酸铜，溶于400mL去离子水中，加热至65℃并进行连续搅拌，然后依次快速地加入6.50g氢氧化钠和6.00g葡萄糖，反应30min，待冷却后抽滤得到立方状的Cu2O，80℃真空干燥2h后置于马弗炉中煅烧12小时，煅烧温度为600℃，升温速率5℃/min，将得到的CuO粉末研磨备用。配制聚乙烯亚胺(PEI)–乙醇溶液，其中PEI的质量浓度为25g/L。准确称取0.0403g纳米铝粉和0.0597g CuO粉末，加入100mL的异丙醇和0.40mL的聚乙烯亚胺(PEI)–乙醇溶液，超声10–20min得到颗粒浓度为1g/L的悬浮液。将钛片作为阴阳极垂直插入悬浮液中，在150V外加电场下进行电泳，电泳时间为15min，即可得到立方结构Al/CuO复合含能材料。
对得到的Al/CuO立方结构复合含能材料进行表征，结果见图1-4。图1为实施例1中Al/CuO立方结构复合含能材料的XRD，从图中可以看出，出现了Al和CuO的特征衍射峰。图2为实施例1中立方结构CuO的SEM图片，从图中可以看出，CuO呈立方状，表面光滑且粒径分布较为均匀。图3为实施例1中Al/CuO立方结构复合含能材料的SEM和EDS图片，纳米Al粉均匀地包裹在立方结构的CuO表面，且元素分布均匀。图4是实施例1中制备的Al/CuO复合含能材料的DSC曲线，从图中可以看出，Al/CuO复合含能材料的放热量可高达3049J/g。

Claims (4)

1.一种立方结构复合含能材料的制备方法，包括：
将乙酸铜溶于去离子水中，加热至约65℃，并进行连续搅拌，然后依次加入氢氧化钠和葡萄糖形成反应溶液，其中乙酸铜浓度约为12.5g/L，氢氧化钠浓度为11.25～21.25g/L，葡萄糖浓度约为15g/L；
在反应溶液常温反应约30min后，抽滤得到立方状的Cu2O；
将所得Cu2O在真空干燥箱中干燥约2h后，在马弗炉中煅烧，其中煅烧温度约为600℃，升温速率约为5℃/min；
将上述煅烧得到的CuO粉末和纳米铝粉以0.75～3.75的当量比形成混合粉末；
在异丙醇溶剂中加入上述混合粉末和聚乙烯亚胺(PEI)–乙醇混合溶液，超声得到混合粉末浓度约为1g/L的悬浮液，其中所加入的聚乙烯亚胺–乙醇混合溶液中聚乙烯亚胺的质量浓度约为25g/L，所得悬浮液中聚乙烯亚胺的质量约为悬浮液中混合粉末质量的10％；
将两个相同的金属片作为阴阳极垂直插入上述悬浮液中执行电泳，从而在阴极金属上得到Al/CuO复合含能材料，其中电泳在约150V外加电压下进行，沉积时间约为15min，电极间距约为1cm。
2.根据权利要求1所述的方法，其中金属片是Ti。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括将作为阴极的金属片剥离所得复合含能材料。
4.一种复合含能材料，根据权利要求1-3之一的方法所制备。
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