CN114804984B - 一种沉积氧化铋的硼燃料及制备方法 - Google Patents

一种沉积氧化铋的硼燃料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种沉积氧化铋的硼燃料及制备方法，该方法采用沉淀沉积法在硼粉表面沉积氧化铋，形成沉积氧化铋的硼燃料；所述的沉淀沉积法是以BiCl3为铋源，以NaOH为沉淀剂，在硼粉表面进行沉淀，得到沉淀中间产物，将沉淀中间产物进行煅烧沉积，最终得到沉积氧化铋的硼燃料；所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为0.1wt.％～10wt.％。本发明采用的沉淀沉积法操作流程简单，制备效率高，活性催化组分氧化铋可以均匀负载到硼粉表面，形成高度分散的活性界面，仅需负载少量的氧化铋就可使硼粉的点火性能获得大幅提升。

Description

一种沉积氧化铋的硼燃料及制备方法
技术领域
本发明属于高能固体推进剂技术领域，涉及硼燃料，具体涉及一种沉积氧化铋的硼燃料及制备方法。
背景技术
硼粉是在推进剂和炸药体系中非常有吸引力的一种高能燃料。作为一种高能燃料，硼粉具有很高的质量热值(58.3kJ/kg)，是镁粉的2.3倍，铝粉的1.9倍。硼粉的体积热值也很高(136.38kJ/cm3)，是镁粉的3.09倍，铝粉的1.66倍。添加硼粉的高能推进剂理论比冲可达8000-12000NS/kg，因此以硼粉为代表的高能固体燃料已成为当前火炸药领域的研究热点。
尽管在理论上硼粉具有突出的能量特性，但是在实际应用中还存在一系列的问题。一是单质硼的熔点、沸点高，点火性能差；并且硼粉表面的氧化硼的熔点低，沸点高，熔融的氧化硼粘滞在硼颗粒表面，抑制了硼颗粒的进一步氧化，只有当温度超过2000℃，达到氧化硼的沸点时，随着表层氧化硼的蒸发，硼颗粒才能够进一步燃烧；二是硼粉燃烧时耗氧量大，燃烧残渣多，燃烧效率低，无法发挥出硼粉的高热值；三是硼粉的表面存在氧化硼(B2O3)、硼酸(H3BO3)等杂质，易与空气中的水汽发生作用生成氢氧化物，造成体系黏度增加，混合工艺性能下降，严重影响到炸药或推进剂配方制作过程，使得硼粉与推进剂体系相容性较差。因此改善硼粉的点火性能，提升硼粉的燃烧效率是加快硼粉在推进剂和炸药领域应用的首要前提，也是目前硼粉改性研究领域追求的目标。
在硼粉表面负载可改善其点火和燃烧性能的活性物种是目前常用的技术方案。目前国内外现有可行的硼粉表面活性物种负载方法，根据材料改性过程中所处物理环境的不同，主要分为固相、液相和气相包覆法。
现有技术中公开了一种纳米氧化铋包覆改性硼燃料及其制备方法，采用“液相包覆-高温退火”的方案在硼粉表面沉积了大量的氧化铋材料，实现了硼粉和氧化铋的共混，改善了硼粉的点火性能和燃烧性能。但是该方法制备的改性硼燃料中含有高达40％～70％的氧化铋惰性材料，有效硼燃料占比仅为30％～60％，严重影响了硼燃料的能量密度，限制了硼粉高能量性能的发挥，影响了其在含能材料领域的应用前景。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种沉积氧化铋的硼燃料及制备方法，解决现有技术中的惰性组分占比高的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种沉积氧化铋的硼燃料的制备方法，该方法采用沉淀沉积法在硼粉表面沉积氧化铋，形成沉积氧化铋的硼燃料；
所述的沉淀沉积法是以BiCl3为铋源，以NaOH为沉淀剂，在硼粉表面进行沉淀，得到沉淀中间产物，将沉淀中间产物进行煅烧沉积，最终得到沉积氧化铋的硼燃料；
所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为0.1wt.％～10wt.％。
本发明还具有如下技术特征：
优选的，所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为1wt.％～10wt.％。
优选的，所述的BiCl3采用BiCl3的水溶液或BiCl3的乙醇溶液；所述的NaOH采用NaOH的水溶液。
具体的，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，反应容器中加入硼粉，然后加入去离子水，并加入磁子超声持续搅拌；
步骤二，量取BiCl3的水溶液或BiCl3的乙醇溶液并加入反应容器中，充分搅拌；
步骤三，然后加入NaOH水溶液调节溶液pH值为7～8，然后将反应温度调节至30～100℃范围内，并持续搅拌2～12h进行反应，得到沉淀中间产物；
步骤四，离心收集沉淀中间产物，并用去离子水洗涤数次直到上清液中检测不到铋源对应的阴离子，最后将沉淀中间产物在烘箱中干燥后在60～80℃的条件下进行煅烧沉积，得到沉积氧化铋的硼燃料。
本发明还保护一种沉积氧化铋的硼燃料，在硼粉表面沉积氧化铋，形成沉积氧化铋的硼燃料；所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为0.1wt.％～10wt.％。
优选的，所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为1wt.％～10wt.％。
进一步优选的，所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为3.5wt.％～7wt.％。
优选的，所述的沉积氧化铋的硼燃料采用如上所述的沉积氧化铋的硼燃料的制备方法制得。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明采用的沉淀沉积法操作流程简单，制备效率高，活性催化组分氧化铋可以均匀负载到硼粉表面，形成高度分散的活性界面，仅需负载少量的氧化铋就可使硼粉的点火性能获得大幅提升。
(Ⅱ)本发明制备的高能量密度的沉积氧化铋的硼燃料相比于纯硼粉具有较低氧化放热峰温和较短的点火延迟时间，并且沉积的氧化铋惰性组分的占比很低，可以在不影响硼粉能量密度的前提下有效改善硼粉的点火和燃烧性能，具有较大的应用潜力。
(Ⅲ)本发明制备的沉积氧化铋的硼燃料的放热峰温提前到525-498℃，相比于纯硼粉提前了152～179℃；本发明制备的沉积氧化铋的硼燃料的点火延迟时间缩短至30ms，相比于纯硼粉缩短了22ms。
(Ⅳ)本发明制备的沉积氧化铋的硼燃料中，氧化铋惰性组分占比很低，对硼粉燃料的能量密度影响较小，在高能固体燃料领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为基于沉淀沉积法(以BiCl3的乙醇溶液为铋源)制备的B-7wt.％-Bi2O3/B样品的SEM和Mapping(B,O,Bi元素分布)图片。
图2为基于沉淀沉积法(以BiCl3的乙醇溶液为铋源)制备的B-7wt.％-Bi2O3/B样品的XPS数据图：(A)B 1s；(B)Bi 4f；(C)O 1s。
图3为基于沉淀沉积法(以BiCl3的水溶液为铋源)制备的氧化铋沉积的硼燃料的DSC数据图；其中A1为纯硼粉；A2为A-1wt.％-Bi2O3/B；A3为A-3.5wt.％-Bi2O3/B；A4为A-7wt.％-Bi2O3/B；A5为A-10wt.％-Bi2O3/B。
图4为基于沉淀沉积法(以BiCl3的水溶液为铋源)制备的氧化铋沉积的硼燃料的TG数据图；其中A1为纯硼粉；A2为A-1wt.％-Bi2O3/B；A3为A-3.5wt.％-Bi2O3/B；A4为A-7wt.％-Bi2O3/B；A5为A-10wt.％-Bi2O3/B；。
图5为基于沉淀沉积法(以BiCl3的乙醇溶液为铋源)制备的氧化铋沉积的硼燃料的DSC数据图；其中B1为纯硼粉；B2为B-1wt.％-Bi2O3/B；B3为B-3.5wt.％-Bi2O3/B；B4为B-7wt.％-Bi2O3/B；B5为B-10wt.％-Bi2O3/B。
图6为基于沉淀沉积法(以BiCl3的乙醇溶液为铋源)制备的氧化铋沉积的硼燃料的TG数据图；其中B1为纯硼粉；B2为B-1wt.％-Bi2O3/B；B3为B-3.5wt.％-Bi2O3/B；B4为B-7wt.％-Bi2O3/B；B5为B-10wt.％-Bi2O3/B。
图7为基于沉淀沉积法(以BiCl3的水溶液为铋源)制备的氧化铋沉积的硼燃料的点火延迟时间数据图；其中A1为纯硼粉；A2为A-1wt.％-Bi2O3/B；A3为A-3.5wt.％-Bi2O3/B；A4为A-7wt.％-Bi2O3/B；A5为A-10wt.％-Bi2O3/B。
图8为基于沉淀沉积法(以BiCl3的乙醇溶液为铋源)制备的氧化铋沉积的硼燃料的点火延迟时间数据图；其中B1为纯硼粉；B2为B-1wt.％-Bi2O3/B；B3为B-3.5wt.％-Bi2O3/B；B4为B-7wt.％-Bi2O3/B；B5为B-10wt.％-Bi2O3/B。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有材料和设备，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的材料和设备。
氧化铋是一种具有催化活性的材料，其在电子陶瓷粉体材料、电解质材料、光电材料、高温超导材料、催化剂、核废物吸收材料、显像管荫罩涂层、无毒烟花等方面都有良好的应用前景。尤其在燃烧催化剂领域，氧化铋展现出良好的催化活性，正在逐步取代氧化铅，成为固体推进剂中重要的燃烧催化剂。
本发明中：
硼粉为无定型硼粉和/或晶体硼粉，所述的硼粉粒径分布为微米级至纳米级。
氧化铋颗粒或者薄膜为纳米或微米级颗粒和纳米级薄膜。
Bi2O3/B指的即是沉积氧化铋的硼燃料。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种沉积氧化铋的硼燃料的制备方法，该方法采用沉淀沉积法在硼粉表面沉积氧化铋，形成沉积氧化铋的硼燃料；
沉淀沉积法是以BiCl3为铋源，以NaOH为沉淀剂，在硼粉表面进行沉淀，得到沉淀中间产物，将沉淀中间产物进行煅烧沉积，最终得到沉积氧化铋的硼燃料。
本实施例中，沉淀沉积法的反应方程式为：
BiCl3+NaOH→Bi(OH)3+NaCl (1)
Figure BDA0003620818850000061
本实施例的方法具体包括以下步骤：
步骤一，250ml的锥形瓶中中加入1g的硼粉，然后加入60ml去离子水，并加入磁子超声持续搅拌5min；
步骤二，用移液枪移取0.1mol/L的BiCl3的水溶液或BiCl3的乙醇溶液加入到对应的锥形瓶中，磁力充分搅拌60min。
步骤三，用浓度为0.5mol/L的NaOH溶液调节上述溶液的pH值为7～8，然后将反应温度调节至65℃，并持续搅拌8h进行反应，得到沉淀中间产物；
步骤四，离心收集沉淀中间产物，并用去离子水洗涤数次直到上清液中用AgNO3溶液检测无Cl-为止，最后将沉淀中间产物在烘箱中干燥后在80℃的条件下进行煅烧沉积，得到沉积氧化铋的硼燃料。
本实施例制得的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量分别为1wt.％、3.5wt.％、7wt.％和10wt.％。
图1为采用沉淀沉积法(以BiCl3的乙醇溶液为铋源)制备的B-7wt.％-Bi2O3/B样品的SEM和Mapping(B,O,Bi元素分布)图片。Bi和O元素的分布范围与B元素完全符合，说明沉积的Bi2O3高度分布在硼燃料的表面。
图2为采用沉淀沉积法(以BiCl3的乙醇溶液为铋源)制备的B-7wt.％-Bi2O3/B样品的XPS数据图：(A)B 1s；(B)Bi 4f；(C)O 1s。由B1s谱图的结合能可以确定硼的价态是0价硼，Bi 4f谱图中锋对应的结合能可以确定是Bi3+,结合O1s谱图可以确定在硼粉表面沉积的物种为Bi2O3。
实施例2:
本实施例给出沉积氧化铋的硼燃料的的燃烧性能测试，燃烧性能测试的方法为：取适量的硼粉负载氧化铋复合物样品于TG-DSC仪器的样品台中，设定升温速率为10℃/min，测试温度范围为50-1000℃。
具体的，取适量的氧化铋沉积的硼燃料样品于TG-DSC仪器的样品台中，采用热重法和差示量热法连用(TG-DSC)对氧化铋沉积的硼燃料的燃烧性能进行测试，升温速率是10℃/min，测试温度范围为50-1000℃。纯硼粉的放热峰温为677℃，A-1wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至516℃，A-3.5wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至508℃，A-7wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至513℃，A-10wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至500℃，B-1wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至525℃，B-3.5wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至515℃，B-7wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至498℃，B-10wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至508℃。
表1显示了本发明氧化铋沉积的硼燃料的燃烧性能。
表1氧化铋沉积的硼燃料的燃烧性能
Figure BDA0003620818850000071
/>
Figure BDA0003620818850000081
图3为采用沉淀沉积法A方法制备的氧化铋沉积的硼燃料的DSC数据图；其中A1为纯硼粉；A2为A-1wt.％-Bi2O3/B；A3为A-3.5wt.％-Bi2O3/B；A4为A-7wt.％-Bi2O3/B；A5为A-10wt.％-Bi2O3/B；纯硼粉的放热峰温为677℃，A-1wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至516℃，A-3.5wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至508℃，A-7wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至513℃，A-10wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至500℃。相比于纯硼粉，氧化铋的沉积显著的提升了硼粉的燃烧性能，使燃烧峰温显著降低，降低了161-177℃。
图4为采用沉淀沉积法A方法制备的氧化铋沉积的硼燃料的TG数据图；其中A1为纯硼粉；A2为A-1wt.％-Bi2O3/B；A3为A-3.5wt.％-Bi2O3/B；A4为A-7wt.％-Bi2O3/B；A5为A-10wt.％-Bi2O3/B；由TG数据可以看出纯硼粉的起始增重温度明显高于Bi2O3/B的起始重温度，此TG数据与图3中的DSC数据相一致。
图5为采用沉淀沉积法B方法制备的氧化铋沉积的硼燃料的DSC数据图；其中B1为纯硼粉；B2为B-1wt.％-Bi2O3/B；B3为B-3.5wt.％-Bi2O3/B；B4为B-7wt.％-Bi2O3/B；B5为B-10wt.％-Bi2O3/B；纯硼粉的放热峰温为677℃，B-1wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至525℃，B-3.5wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至515℃，B-7wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至498℃，B-10wt.％-Bi2O3/B的放热峰温提前至508℃。相比于纯硼粉，氧化铋的沉积显著的提升了硼粉的燃烧性能，使燃烧放热峰温显著降低，降低了152-169℃。
图6为采用沉淀沉积法B方法制备的氧化铋沉积的硼燃料的TG数据图；其中B1为纯硼粉；B2为B-1wt.％-Bi2O3/B；B3为B-3.5wt.％-Bi2O3/B；B4为B-7wt.％-Bi2O3/B；B5为B-10wt.％-Bi2O3/B；由TG数据可以看出纯硼粉的起始增重温度明显高于Bi2O3/B的起始重温度，此TG数据与图5中的DSC数据相一致。
实施例3:
本实施例给出沉积氧化铋的硼燃料的的点火性能测试，点火性能测试的方法为：取适量的高能量密度的沉积氧化铋的硼燃料样品于激光点火仪器的样品台中，设定仪器参数为频率Hz：1000；占空比(1-40％)：3；脉冲数：1000；脉冲串出光；功率：40W；脉冲能量：40mJ；脉宽：30μs。
具体的，取适量的氧化铋沉积的硼燃料于激光点火仪器的样品台中，设定仪器参数为频率Hz：1000；占空比(1-40％)：3；脉冲数：1000；脉冲串出光；功率：40W；脉冲能量：40mJ；脉宽：30μs。如图5和图6所示，本发明制备的氧化铋沉积的硼燃料的点火延迟时间缩短至30ms，相比于纯硼粉缩短了22ms以上。
图7为采用沉淀沉积法A方法制备的氧化铋沉积的硼燃料的点火延迟时间数据图；其中A1为纯硼粉；A2为A-1wt.％-Bi2O3/B；A3为A-3.5wt.％-Bi2O3/B；A4为A-7wt.％-Bi2O3/B；A5为A-10wt.％-Bi2O3/B；纯硼粉的点火延迟时间为52ms，A-1wt.％-Bi2O3/B的点火延迟时间为50ms，A-3.5wt.％-Bi2O3/B的点火延迟时间为49.6ms，A-7wt.％-Bi2O3/B的点火延迟时间为45.6ms，A-10wt.％-Bi2O3/B的点火延迟时间为30.6ms。相比于纯硼粉，氧化铋的沉积显著缩短了硼粉的点火延迟时间。
图8为采用沉淀沉积法B方法制备的氧化铋沉积的硼燃料的点火延迟时间数据图；其中B1为纯硼粉；B2为B-1wt.％-Bi2O3/B；B3为B-3.5wt.％-Bi2O3/B；B4为B-7wt.％-Bi2O3/B；B5为B-10wt.％-Bi2O3/B；纯硼粉的点火延迟时间为52ms，B-1wt.％-Bi2O3/B的点火延迟时间为49ms，B-3.5wt.％-Bi2O3/B的点火延迟时间为47.6ms，B-7wt.％-Bi2O3/B的点火延迟时间为44.6ms，B-10wt.％-Bi2O3/B的点火延迟时间为31ms。同样相比于纯硼粉，氧化铋的沉积显著缩短了硼粉的点火延迟时间。
与现有技术相比，本发明制备的沉积氧化铋的硼燃料具有点火性能好，能量密度高等优点；本发明所选取的液相化学制备方法，条件温和，操作流程简单，便于实现规模化制备，同时本发明方法可以实现氧化铋活性组分在硼粉表面的均匀高度分散，有效减少了氧化铋的用量，在高能固体燃料领域显示出很好的应用前景。

Claims (6)

1.一种沉积氧化铋的硼燃料的制备方法，其特征在于，该方法采用沉淀沉积法在硼粉表面沉积氧化铋，形成沉积氧化铋的硼燃料；
所述的沉淀沉积法是以BiCl3为铋源，以NaOH为沉淀剂，在硼粉表面进行沉淀，得到沉淀中间产物，将沉淀中间产物在60～80℃的条件下进行煅烧沉积，最终得到沉积氧化铋的硼燃料；
所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为0.1wt.%～10wt.%。
2.如权利要求1所述的沉积氧化铋的硼燃料的制备方法，其特征在于，所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为1wt.%～10wt.%。
3.如权利要求1所述的沉积氧化铋的硼燃料的制备方法，其特征在于，所述的BiCl3采用BiCl3的水溶液或BiCl3的乙醇溶液；所述的NaOH采用NaOH的水溶液。
4.如权利要求1所述的沉积氧化铋的硼燃料的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，反应容器中加入硼粉，然后加入去离子水，并加入磁子超声持续搅拌；
步骤二，量取BiCl3的水溶液或BiCl3的乙醇溶液并加入反应容器中，充分搅拌；
步骤三，然后加入NaOH水溶液调节溶液pH值为7～8，然后将反应温度调节至30～100℃范围内，并持续搅拌2～12h进行反应，得到沉淀中间产物；
步骤四，离心收集沉淀中间产物，并用去离子水洗涤数次直到上清液中检测不到铋源对应的阴离子，最后将沉淀中间产物在烘箱中干燥后在60～80℃的条件下进行煅烧沉积，得到沉积氧化铋的硼燃料。
5.一种沉积氧化铋的硼燃料，其特征在于，所述的沉积氧化铋的硼燃料采用如权利要求1至4任一项所述的沉积氧化铋的硼燃料的制备方法制得，在硼粉表面沉积氧化铋，形成沉积氧化铋的硼燃料。
6.如权利要求5所述的沉积氧化铋的硼燃料，其特征在于，所述的沉积氧化铋的硼燃料中的氧化铋的含量为3.5wt.%～7wt.%。
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