CN113105298B - 一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113105298B
CN113105298B CN202110378749.XA CN202110378749A CN113105298B CN 113105298 B CN113105298 B CN 113105298B CN 202110378749 A CN202110378749 A CN 202110378749A CN 113105298 B CN113105298 B CN 113105298B
Authority
CN
China
Prior art keywords
thermite
aluminum
core
liquid metal
shell structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110378749.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113105298A (zh
Inventor
伍波
裴重华
陈安
沈金鹏
李兆乾
段晓惠
罗庆平
刘勋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest University of Science and Technology
Original Assignee
Southwest University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest University of Science and Technology filed Critical Southwest University of Science and Technology
Priority to CN202110378749.XA priority Critical patent/CN113105298B/zh
Publication of CN113105298A publication Critical patent/CN113105298A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113105298B publication Critical patent/CN113105298B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B33/00—Compositions containing particulate metal, alloy, boron, silicon, selenium or tellurium with at least one oxygen supplying material which is either a metal oxide or a salt, organic or inorganic, capable of yielding a metal oxide
    • C06B33/02—Compositions containing particulate metal, alloy, boron, silicon, selenium or tellurium with at least one oxygen supplying material which is either a metal oxide or a salt, organic or inorganic, capable of yielding a metal oxide with an organic non-explosive or an organic non-thermic component
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K23/00—Alumino-thermic welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/34—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material comprising compounds which yield metals when heated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B21/00—Apparatus or methods for working-up explosives, e.g. forming, cutting, drying
    • C06B21/0008—Compounding the ingredient
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B21/00—Apparatus or methods for working-up explosives, e.g. forming, cutting, drying
    • C06B21/0083—Treatment of solid structures, e.g. for coating or impregnating with a modifier
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B23/00—Compositions characterised by non-explosive or non-thermic constituents

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Compounds Of Iron (AREA)

Abstract

本发明提供了一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用，属于含能材料技术领域。本发明所述铝热剂具有以液态金属改性金属铝作为内核，以氧化剂作为外壳的核壳结构，其中，所述液态金属为镓铟锡三元液态金属，液态金属中镓、铟和锡的质量百分比为68.5％:21.5％:10％，所述液态金属占金属铝的质量百分比为1％～10％，所述金属铝与氧化剂的摩尔比为0.5:1～1:1。本发明还提供了上述铝热剂的制备方法和应用。本发明提供的铝热剂的放热峰温为695℃～718℃，放热量为2211J/g～2446J/g，静电感度为3380mJ～4860mJ。该铝热剂具备高能量密度和低静电感度的优点。

Description

一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于含能材料技术领域，具体涉及一种具有核壳结构的铝热剂及其制备方法和应用。
背景技术
铝热剂是一类由金属(常见为铝等)与金属氧化物(常见如氧化铁、氧化铜等)组成的复合物，具有能量密度大、感度低、配方灵活和易储存等优点，从而成为一类重要的含能材料，在国防军事、冶金工业、铝热焊接和反应性爆破等领域具有巨大的应用需求。但是，普通铝热剂往往存在颗粒分散不均匀、燃烧速度慢、放热不集中以及铝热反应温度过高等缺点，不能很好地满足高性能铝热剂的现实需求，大大限制了其应用。
为了提升传统铝热剂的性能，人们提出并发展了纳米铝热剂，这种铝热剂由纳米尺寸的铝与金属氧化物组合而成。相较于传统铝热剂，纳米铝热剂反应温度低，且能量释放速率高，亦称为超级铝热剂或亚稳态分子间复合物(王军，张文超，沈瑞琪等，火炸药学报，2014，37(4):1-8)。然而，纳米铝热剂也存在一些不足，如易团聚、铝活性含量不高、静电感度高、铝热反应不充分等。因此，提出新策略进一步强化铝热剂的性能，实现高能量密度和高静电安全性的集成统一，具有重要的现实意义。
同时，铝热剂的配方组成、形貌结构亦会影响其性能输出，其也依赖于制备技术的发展。目前，铝热剂主要的制备技术包括物理混合法、溶胶-凝胶胶法、物理气相沉积法、喷雾热解法、抑制反应球磨法和自组装法等(郑保辉，王平胜，罗观等，材料导报A:综述篇，2014,28(2):7-11)。这些制备方法各有优缺点，比如物理混合法工艺简单、成本低，但对于粒径小的铝热剂其混合均匀性有待提高。而溶胶-凝胶法和自组装法可以较好地控制粒子的组成和形貌，但往往涉及的工艺条件和设备复杂，不利于工艺放大。为了更好地满足铝热剂对高性能、易于规模化生产等方面的需求，积极开发新型铝热剂及其制备技术具有重要意义。
现有铝热剂存在无法同时兼具高能量密度和低静电感度这一主要缺点，因此，开发出一种既具有高能量密度又具有低静电感度的新型铝热剂成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有铝热剂无法同时兼具高能量密度和低静电感度的问题，而提供一种具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂及其制备方法和应用。本发明提供的铝热剂的放热峰温为695℃～718℃，放热量为2211J/g～2446J/g，静电感度为3380mJ～4860mJ，很好实现了既满足高能量密度又具有低静电感度的优点，其综合性能超越了已经公开的铝热剂体系。
本发明的目的之一是提供一种核壳结构铝基铝热剂，所述铝热剂具有以液态金属改性金属铝作为内核，以氧化剂作为外壳的核壳结构，其中，所述液态金属为镓铟锡三元液态金属，液态金属中镓、铟和锡的质量百分比为68.5％:21.5％:10％，所述液态金属占金属铝的质量百分比为1％～10％，所述金属铝与氧化剂的摩尔比为0.5:1～1:1。
作为优选的，所述氧化剂包括氧化铜、氧化铁或氧化镍中任意一种。
本发明的另外一个目的在于提供制备上述具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)按照质量百分比，将镓、铟、锡三种单质金属置于反应容器中，升温搅拌使其融化；
(2)向步骤(1)所得物中滴加碱液洗涤，随后分离获得镓铟锡液态金属；
(3)将步骤(2)所得物加入到溶剂中搅拌，随后加入铝粉反应，反应结束后，加入氧化剂进行反应；
(4)反应完毕后，过滤，对固相进行洗涤、干燥得到所述具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。
进一步的是，步骤(1)中升温至70℃搅拌反应0.5h。
进一步的是，步骤(2)中，所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂水溶液中的任意一种。
进一步的是，步骤(2)中，所述碱液的浓度为1mol·L-1。
进一步的是，步骤(3)中，所述溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷、苯、甲苯或二甲苯中的任意一种。
进一步的是，步骤(3)中，所述加入铝粉反应的时间为48h。
进一步的是，步骤(3)中，所述加入氧化剂进行反应的时间为12h。
本发明的另外一个目的在于提供上述具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂在含能材料领域的应用。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供了一种具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂，所得的铝热剂的放热峰温为695℃～718℃，放热量为2211J/g～2446J/g，静电感度为3380mJ～4860mJ，其综合性能优异，实现了既具有高能量密度和低静电感度；
(2)本发明提供的铝热剂制备方法简单，便于操作、易于工业化生产。
附图说明
图l为本发明实施例3-5中对应具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂的X射线衍射图谱。
图2为本发明实施例3-5中对应具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂的热分析曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
将0.685g镓、0.215g铟和0.1g锡置于反应器中，升温至70℃搅拌反应0.5h使其完全融化，反应结束后，加入20mL 1mol·L-1的氢氧化钠水溶液，并超声5min，随后分离得到镓铟锡液态金属。
实施例2
将0.548g镓、0.172g铟和0.08g锡置于反应器中，升温至70℃搅拌反应0.5h使其完全融化，反应结束后，加入20mL 1mol·L-1的氢氧化钾水溶液，并超声5min，随后分离得到镓铟锡液态金属。
实施例3
将0.06g实施例1所得液态金属分散在25mL正己烷中，随后加入1.94g铝粉，反应48h，反应结束后，加入氧化铁(铝粉与氧化铁的摩尔比为0.5:1)，继续搅拌反应12h，经过滤、洗涤和干燥得具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。
实施例4
将0.1g实施例2所得液态金属分散在25mL环己烷中，随后加入1.94g铝粉，反应48h，反应结束后，加入氧化铁(铝粉与氧化铁的摩尔比为1:1)，继续搅拌反应12h，经过滤、洗涤和干燥得具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。
实施例5
将0.2g实施例2所得液态金属分散在25mL甲苯中，随后加入1.8g铝粉，反应48h，反应结束后，加入氧化铁(铝粉与氧化铁的摩尔比为0.8:1)，继续搅拌反应12h，经过滤、洗涤和干燥得具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。
对比例1
按照实施例1的方法，将镓、铟和锡的质量百分比调整为70％:20％:10％，然后按照实施例3的方法，将铝粉与氧化铁的摩尔比调整为2:1，制备铝热剂。
对比例2
按照实施例2的方法，将镓、铟和锡的质量百分比调整为60％:20％:20％，然后按照实施例4制备铝热剂。
实验例1
将实施例3-5所得具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂进行表征，得到其X射线衍射图谱如图1，热分析曲线如图2。
实验例2
将实施例3-5和对比例1-2所得铝热剂进行性能测试，利用DSC测试其放热峰温和，并利用静电感度仪测试静电感度。DSC测试方法：在25℃～1000℃温度范围内，8mg～10mg的样品量，以10K·min-1的升温速率，50ml·min-1的氩气流量气氛下测试放热峰温和放热量。静电感度测试方法为：采用JGY-50III型静电放电测试仪，样品量约为20mg，电极和样品架之间的间隙调整为0.5mm。采用0～25kv高压可变电源对电容进行充电，充电容为30000pF。然后将特定量的放电能量传递给放置在样品架中的样品。采用上下法进行试验(对于给定的样品，测试大约25次)，然后计算50％着火概率(定义为E50)下的静电能量。较高的E50值意味着需要更多的输入能量才能点燃样品，也表明较低的ESD敏感度在实际应用中危害较小。测试所得结果如下：
实施例3所得铝热剂的放热峰温为695℃，放热量为2211J/g，静电感度为3380mJ；实施例4所得铝热剂的放热峰温为718℃，放热量为2446J/g，静电感度为4860mJ；实施例5所得铝热剂的放热峰温为705℃，放热量为2357J/g，静电感度为4251mJ；对比例1所得铝热剂的放热峰温为548℃，放热量为1846J/g，静电感度为5679mJ；对比例2所得铝热剂的放热峰温为603，放热量为1998J/g，静电感度为5800mJ。

Claims (10)

1.一种核壳结构铝基铝热剂，其特征在于，所述铝热剂具有以液态金属改性金属铝作为内核，以氧化剂作为外壳的核壳结构，其中，所述液态金属为镓铟锡三元液态金属，液态金属中镓、铟和锡的质量百分比为68.5％:21.5％:10％，所述液态金属占金属铝的质量百分比为1％～10％，所述金属铝与氧化剂的摩尔比为0.5:1～1:1。
2.根据权利要求1所述的核壳结构铝基铝热剂，其特征在于，所述氧化剂包括氧化铜、氧化铁或氧化镍中任意一种。
3.一种如权利要求1或2所述的核壳结构铝基铝热剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比，将镓、铟、锡三种单质金属置于反应容器中，升温搅拌使其融化；
(2)向步骤(1)所得物中滴加碱液洗涤，随后分离获得镓铟锡液态金属；
(3)将步骤(2)所得物加入到溶剂中搅拌，随后加入铝粉反应，反应结束后，加入氧化剂进行反应；
(4)反应完毕后，过滤，对固相进行洗涤、干燥得到所述具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中升温至70℃搅拌反应0.5h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂水溶液中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述碱液的浓度为1mol·L-1。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷、苯、甲苯或二甲苯中的任意一种。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加入铝粉反应的时间为48h。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加入氧化剂进行反应的时间为12h。
10.权利要求1或2所述的核壳结构铝基铝热剂或由权利要求3-9任一项所述方法制备得到的核壳结构铝基铝热剂在含能材料领域的应用。
CN202110378749.XA 2021-04-08 2021-04-08 一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用 Active CN113105298B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110378749.XA CN113105298B (zh) 2021-04-08 2021-04-08 一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110378749.XA CN113105298B (zh) 2021-04-08 2021-04-08 一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113105298A CN113105298A (zh) 2021-07-13
CN113105298B true CN113105298B (zh) 2021-12-10

Family

ID=76714596

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110378749.XA Active CN113105298B (zh) 2021-04-08 2021-04-08 一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113105298B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5451277A (en) * 1991-05-09 1995-09-19 Aerojet-General Corporation Preparing solid energetic compositions from coated particles and liquid oxidizers
RO125659A0 (ro) * 2010-01-18 2010-08-30 Cermax 2000 Patents Material şi procedeu pentru sudura metalotermică
US8257519B1 (en) * 2010-07-13 2012-09-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Host-guest complexes of liquid energetic materials and metal-organic frameworks
WO2012120412A1 (en) * 2011-03-06 2012-09-13 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Thermite ignition and rusty iron regeneration by localized microwaves
CN106086959A (zh) * 2016-08-03 2016-11-09 南京理工大学 一种电化学还原沉积铝制备铝热剂的方法
CN108794283A (zh) * 2018-09-21 2018-11-13 中国人民解放军陆军工程大学 一种销毁未爆弹用复合铝热剂及其制备方法
CN112028724A (zh) * 2020-09-10 2020-12-04 哈尔滨工业大学 一种包含双金属氧化物燃速剂的固体推进剂及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5451277A (en) * 1991-05-09 1995-09-19 Aerojet-General Corporation Preparing solid energetic compositions from coated particles and liquid oxidizers
RO125659A0 (ro) * 2010-01-18 2010-08-30 Cermax 2000 Patents Material şi procedeu pentru sudura metalotermică
US8257519B1 (en) * 2010-07-13 2012-09-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Host-guest complexes of liquid energetic materials and metal-organic frameworks
WO2012120412A1 (en) * 2011-03-06 2012-09-13 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Thermite ignition and rusty iron regeneration by localized microwaves
CN106086959A (zh) * 2016-08-03 2016-11-09 南京理工大学 一种电化学还原沉积铝制备铝热剂的方法
CN108794283A (zh) * 2018-09-21 2018-11-13 中国人民解放军陆军工程大学 一种销毁未爆弹用复合铝热剂及其制备方法
CN112028724A (zh) * 2020-09-10 2020-12-04 哈尔滨工业大学 一种包含双金属氧化物燃速剂的固体推进剂及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Activating the Growth of High Surface Area Alumina Using a Liquid Galinstan Alloy;Zoellner B;《ACS omega》;20181203;第3卷(第12期);第16409-16415页 *
Pushing the Limits of Energy Performance in Micron-Sized Thermite: Core–Shell Assembled Liquid Metal-Modified Al@ Fe2O3 Thermites;Chen A;《ACS Applied Energy Materials》;20211008(第4期);第11777-11786页 *
纳米金属粉在火炸药中应用进展;胥会祥;《含能材料》;20110425;第19卷(第2期);第232-239页 *
自蔓延熔铸制备CuCr合金的基础研究;杨欢;《中国有色金属学报》;20010630(第3期);第390-393页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113105298A (zh) 2021-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017121069A1 (zh) 一种锂离子动力电池用硬碳负极材料的制备及其改性方法
CN105489854B (zh) 一种高容量负极材料的制备方法
JP6016904B2 (ja) 炭素ドープされた硫化リチウム粉末の製造方法、及び硫化リチウム／炭素複合材
US20210351395A1 (en) Cathode additive and preparation method therefor, cathode electrode and preparation method therefor, and lithium ion battery
JP6124906B2 (ja) 炭素含有硫化リチウムからなるシェルを有するリチウム金属生成物、その製造方法およびその使用
Ma et al. Energetic composites based on nano-Al and energetic coordination polymers (ECPs): The “father-son” effect of ECPs
JP2019534839A (ja) グラファイト及び第ｉｖａ族複合粒子、並びに作製方法
CN112341300A (zh) 一种微米级核壳型铝热剂及其制备方法
CN112250530B (zh) 一种双层核壳结构铝热剂及其制备方法
CN108666544B (zh) 一种以MOF衍生制备碳包覆CoTiO3纳米微晶材料的合成方法
Wang et al. Thermal stability between sulfide solid electrolytes and oxide cathode
CN103638628B (zh) 复合型d类干粉灭火剂在金属锂及其衍生物火灾中的应用
TWI511359B (zh) 鋰離子電池電極活性物質及其製備方法
CN109478640B (zh) 钝化的预锂化微米和次微米的iva族粒子及其制法
CN105576221B (zh) 一种锂离子电池负极活性材料前驱体和锂离子电池负极活性材料及其制备方法
CN101771146A (zh) 锂离子电池负极材料及其制备方法
CN109103435B (zh) 一种自修复微胶囊锂离子电池电极材料及其制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池
CN103467662B (zh) 一种高残炭高分子乳液微球及其制造方法
CN113105298B (zh) 一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用
CN111484384B (zh) 一种金属/碳包覆硼基复合燃料及其制备方法
CN114956193B (zh) 一种正极活性材料的制备方法及其应用
CN116314830A (zh) 一种正极补钠剂及其制备方法和正极极片、钠离子电池
Fu et al. The role of microstructure refinement in improving the thermal behavior of gas atomized Al-Eu alloy powder
CN111499481A (zh) 一种铝热剂及其制备方法
CN111477898A (zh) 一种热电池用加热材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant