CN114591125B - 一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米Al粉与CuNCN加入到有机溶剂中，超声分散得到悬浮液，控制超声分散的时间为10‑20min；(2)将步骤(1)中的混合悬浮液在室温条件下挥发后，放入真空干燥箱干燥，干燥后冷却至室温得到含能粉末；(3)步骤(2)中得到的含能粉末于不同氛围开启点火反应，记录Al/CuNCN含能材料燃烧过程，搜集反应产物，对反应产物进行检测。发明将以CuNCN为代表的过渡金属碳化二亚胺有机物首次与纳米Al组装为铝热剂，开发了一类新型含能材料。

Description

一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于铝热剂制备技术领域，尤其涉及发明名称一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法及其应用。
背景技术
铝热剂是一种由固体金属燃料和氧化剂颗粒组成的复合含能材料，经外部触发且在无氧条件下也可发生剧烈的化学反应，温度可达2500℃，具有能量密度高、燃烧性能好、安全性高等特点，可广泛应用于固体火箭推进剂、金属焊接、复合材料制造、国防等领域中。传统研究种类主要涉及铝热剂和镁热剂，如Al(或Mg)/Fe2O3、Al(或Mg)/CuO、Al(或Mg)/Cr2O3、Al(或Mg)/MnO2等。且关于上述铝热剂的形貌结构调控、元素掺杂、表面修饰工艺等都有较为详细的探究。
中国专利申请号为：CN202111068184.1，公开一种空心碳纳米球/Al/Fe2O3基纳米铝热剂的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将空心碳纳米球和Al/Fe2O3纳米铝热剂加入有机溶剂中，搅拌，超声，得到均匀的悬浊液，将悬浊液真空干燥，得到干粉混合物；步骤二、将干粉混合物与硝基纤维素溶液混合，研磨，得到浆料；步骤三、将浆料通过油墨直写打印后真空烘干，得到尺寸、形状可控的铝热剂结构。在本发明中，采用油墨直写的方式使空心碳纳米球与Al/Fe2O3纳米铝热固体颗粒安全可控的混合在一起；采取不同直径的油墨喷口实现了尺寸、形状可控的新型铝热剂结构的制备。
近年来，一种新型过渡金属碳化二亚胺盐(TMNCN)被开发出来的。碳二亚胺是具有(N≡C-N)2-或(N＝C＝N)2-基团桥接过渡金属离子的金属有机化合物。大多数已知的过渡金属碳二亚胺是基于2+氧化态的过渡金属，如Mn,Fe,Co,Ni,Cu和Zn，少数3+的氧化状态金属如Cr2(NCN)3和Bi2(NCN)3。而且，过渡金属碳化二亚胺与同源氧化物结构非常相似，因此两类化合物有着相似的化学性质。
发明内容
本发明所研究的问题在于将过渡金属碳化二亚胺CuNCN应用于铝热剂体系，制备一种新型Al/CuNCN铝热剂，为新型含能材料的开发与应用提供新技术与新思路。
本发明通过以下技术手段实现解决上述研究问题：
一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米Al粉与CuNCN加入到有机溶剂中，超声分散得到悬浮液，控制超声分散的时间为10-20min；
(2)将步骤(1)中的混合悬浮液在室温条件下挥发后，放入真空干燥箱干燥，干燥后冷却至室温得到含能粉末；
(3)步骤(2)中得到的含能粉末于不同氛围开启点火反应，记录Al/CuNCN含能材料燃烧过程，搜集反应产物，对反应产物进行检测。
优选地，所述步骤(1)中Al粉与CuNCN的摩尔之比为1:1-5。
优选地，所述步骤(1)中的有机溶剂为异丙醇。
优选地，所述步骤(1)中超声分散的温度为25℃；
所述步骤(1)中超声分散的时间为10-15min。
优选地，所述步骤(1)中超声分散的频率为40HZ。
优选地，所述步骤(2)中混合悬浮液放置在通风橱中风干1-2h。
优选地，所述步骤(2)中真空干燥箱干燥的温度为40-60℃。
优选地，所述步骤(3)中采用高速相机记录的燃烧过程。
上述技术方案的优点在于：
采用简捷的混合超声法将沉淀法制备获得的过渡金属碳化二亚胺CuNCN与纳米铝构建为一种新型含能材料，并研究其铝热反应过程，且制备过程中，有机溶剂在真空干燥中挥发去除，没有引入其他物质。
在Al/CuNCN铝热剂体系中，根据搜集得到的产物，反应过程为：
Al+CuNCN→AlN+CN+N2+Cu
该体系中，纳米铝作为还原剂，将过渡金属碳化二亚胺CuNCN还原，同时得到了传热性能好、金刚石型氮化物AlN，而获取氮化铝的传统方法是需要将原料加热至1600-1700℃的高温，该反应过程提供了一种高效快速制备AlN的新方法。同时，该反应体系在反应过程中产生了大量的N2，为Al/CuNCN在推进剂、安全气囊气体发生剂等领域的应用开辟新路径。
本发明同时公开上述Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法制备得到的铝热剂在高能材料中的应用。
优选地，所述高能材料为AlN、推进剂或者安全气囊气体发生剂。
本发明具有以下有益效果：
发明将以CuNCN为代表的过渡金属碳化二亚胺有机物首次与纳米Al组装为铝热剂，开发了一类新型含能材料。并且，该类型反应是制备AlN材料和产气的体系。本发明采用有机金属材料CuNCN制备铝热剂与传统采用无极金属材料制备相比较而言，本发明公开的制备方法更加简单，且对材料的要求不高。为铝热剂生产提供了一种更加简单、绿色、环保、经济的铝热剂制备方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其它的附图。
图1为本发明实施例1中制备的过渡金属碳化二亚胺CuNCN的XRD图；
图2为本发明实施例1中Al/CuNCN新型铝热剂氩气氛围反应产物的XRD图；
图3为本发明实施例1中Al与CuNCN以2:2摩尔比混合的SEM图；
图4为本发明实施例1中Al与CuNCN以2:2摩尔比燃烧过程产生大量浓烟。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法
(1)将纳米铝粉和制备得到的CuNCN以1:1的摩尔比加入10ml异丙醇中，40Hz常温25℃超声10min，制备得到均匀的悬浮液；纳米铝粉和制备得到的CuNCN以2:2的摩尔比混合后，采用电镜观察混合物，观察结果如图3所示；
(2)将悬浮液在通风橱中自然挥发1.5h，直至大部分异丙醇溶剂挥发，然后置于真空干燥箱中40℃干燥12h；
(3)冷却至室温后，取出干燥后的混合物粉末；
(4)取等量的从步骤(3)获取的Al/CuNCN粉末于氩气氛围中点燃，搜集并检测其反应产物。
根据高速相机记录的燃烧过程，拍照采集结果如图4所示，Al/CuNCN以摩尔比为2:2进行反应时，燃烧非常剧烈，能够进行快速自蔓延，并伴随产生“蘑菇云”式浓烟，放热量为2379J/g，经检测有N2产生，且有AlN生成。
由实施例1可知，当纳米铝粉和制备得到的CuNCN以2:2的摩尔比反应制备时，能够成功得到AlN铝热剂。
对比实施例1
一种Al/CuNCN新型纳米铝热剂的制备，包括以下步骤：
(1)将纳米铝粉和制备得到的CuNCN以2:1的摩尔比加入10ml异丙醇中，40Hz常温25℃超声10～15min，制备得到均匀的悬浮液；对CuNCN进行检测，检测结果如图1所示；
(2)将悬浮液在通风橱中自然挥发1-2h，直至大部分异丙醇溶剂挥发，然后置于真空干燥箱中40℃干燥12h；
(3)冷却至室温后，取出干燥后的混合物粉末；
(4)取等量的从步骤(3)获取的Al/CuNCN粉末于氩气氛围中点燃，搜集并检测其反应产物，检测结果如图2所示。
根据高速相机记录的燃烧过程，Al/CuNCN以摩尔比为2:1进行反应时，燃烧较为剧烈，能够顺利进行自蔓延，放热量为1682J/g。检测产物无AlN。
对比实施例2
一种Al/CuNCN新型纳米铝热剂的制备，包括以下步骤：
(1)将纳米铝粉和制备得到的CuNCN以2:3的摩尔比加入10ml异丙醇中，40Hz常温25℃超声10～15min，制备得到均匀的悬浮液；
(2)将悬浮液在通风橱中自然挥发1-2h，直至大部分异丙醇溶剂挥发，然后置于真空干燥箱中40℃干燥12h；
(3)冷却至室温后，取出干燥后的混合物粉末；
(4)取等量的从步骤(3)获取的Al/CuNCN粉末于氩气氛围中点燃，搜集并检测其反应产物。
根据高速相机记录的燃烧过程，Al/CuNCN以摩尔比为2:3进行反应时，燃烧剧烈程度一般，能够进行自蔓延，放热量为1297.9J/g。检测产物无AlN。
对比实施例3
一种Al/CuNCN新型纳米铝热剂的制备，包括以下步骤：
(1)将纳米铝粉和制备得到的CuNCN以2:4的摩尔比加入10ml异丙醇中，40Hz常温25℃超声10～15min，制备得到均匀的悬浮液；
(2)将悬浮液在通风橱中自然挥发1-2h，直至大部分异丙醇溶剂挥发，然后置于真空干燥箱中40℃干燥12h；
(3)冷却至室温后，取出干燥后的混合物粉末；
(4)取等量的从步骤(3)获取的Al/CuNCN粉末于氩气氛围中点燃，搜集并检测其反应产物。
根据高速相机记录的燃烧过程，Al/CuNCN以摩尔比为2:4进行反应时，燃烧剧烈程度一般，自蔓延不能够持续，放热量为1635J/g。检测产物无AlN。
对比实施例4
一种Al/CuNCN新型纳米铝热剂的制备，包括以下步骤：
(1)将纳米铝粉和制备得到的CuNCN以2:5的摩尔比加入10ml异丙醇中，40Hz常温25℃超声10～15min，制备得到均匀的悬浮液；
(2)将悬浮液在通风橱中自然挥发1-2h，直至大部分异丙醇溶剂挥发，然后置于真空干燥箱中40℃干燥12h；
(3)冷却至室温后，取出干燥后的混合物粉末；
(4)取等量的从步骤(3)获取的Al/CuNCN粉末于氩气氛围中点燃，搜集并检测其反应产物。
根据高速相机记录的燃烧过程，Al/CuNCN以摩尔比为2:5进行反应时，反应原料几乎不反应，且不能够自蔓延，1318.6J/g。检测产物无AlN。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纳米Al粉与CuNCN加入到有机溶剂中，超声分散得到悬浮液，控制超声分散的时间为10-20min；
(2)将步骤(1)中的混合悬浮液在室温条件下挥发后，放入真空干燥箱干燥，干燥后冷却至室温得到含能粉末；
(3)步骤(2)中得到的含能粉末于不同氛围开启点火反应，记录Al/CuNCN含能材料燃烧过程，搜集反应产物，对反应产物进行检测；
所述步骤(1)中Al粉与CuNCN的摩尔之比为1:1。
2.根据权利要求1所述的Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的有机溶剂为异丙醇。
3.根据权利要求1所述的Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中超声分散的温度为25℃；
所述步骤(1)中超声分散的时间为10-15min。
4.根据权利要求3所述的Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中超声分散的频率为40HZ。
5.根据权利要求1所述的Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中混合悬浮液放置在通风橱中风干1-2h。
6.根据权利要求1所述的Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中真空干燥箱干燥的温度为40-60℃。
7.根据权利要求1所述的Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用高速相机记录的燃烧过程。
8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法制备得到的铝热剂在高能材料中的应用。
9.根据权利 要求8所述的铝热剂在高能材料中的应用，其特征在于，所述高能材料为AlN、推进剂或者安全气囊气体发生剂。
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