[發(fā)明專利]納米鋁熱劑及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510611102.1
• 申請(qǐng)日: 2015-09-23
• 公開（公告）號(hào): CN105177517A
• 公開（公告）日: 2015-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張文超;程佳;秦志春;焦陽(yáng);葉家海;田桂蓉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/35
• 分類號(hào): C23C14/35;C23C14/16;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國(guó);鄒偉紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米復(fù)合含能材料的技術(shù)領(lǐng)域，特別是幾種納米鋁熱劑及其制備方法。

背景技術(shù)

MEMS(MicroElectro-mechanicalSystem)火工品是指基于MEMS工藝或與MEMS工藝兼容的火工品技術(shù)，其不僅具備傳統(tǒng)火工品的控制、作功、點(diǎn)火等功能，還具有小型化、集成化、數(shù)字化、智能化等優(yōu)點(diǎn)，更能滿足未來(lái)火工系統(tǒng)在航天、彈藥、醫(yī)療方面的應(yīng)用。但隨著MEMS芯片尺寸的不斷減小，火工品的輸出能量越來(lái)越難以滿足某些器件的點(diǎn)火要求，從而使得點(diǎn)火可靠性問(wèn)題日趨突出。納米復(fù)合含能材料由于具有能量密度高、能量釋放速率快、三維尺度小等優(yōu)點(diǎn)，因此，科學(xué)家們考慮將納米復(fù)合含能材料集成到MEMS中。納米鋁熱劑作為一種典型的納米復(fù)合含能材料，因其毒性低、放熱量高、制備簡(jiǎn)單，所以成為MEMS用納米復(fù)合含能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

納米鋁熱劑，又稱亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物，與傳統(tǒng)鋁熱劑相比，由于氧化劑和燃料在納米尺度下緊密結(jié)合，降低了物質(zhì)間質(zhì)量傳遞的距離，因而擁有更高的能量輸出、更快的能量釋放速率等優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外制備納米鋁熱劑的方法主要是超聲物理混合、溶膠-凝膠、物理氣相沉積以及分子自組裝法。比如：

文獻(xiàn)1(Bockmon,B.S,Pantoya,M.L,et.al.Combustionvelocitiesandpropagationmechanismsofmetastableinterstitialcomposites[J].JournalofAppliedPhysics,2005,98(6):064903)將三種不同粒徑納米Al粉和納米MoO₃超聲物理混合。測(cè)試結(jié)果表明納米鋁熱劑燃燒速度隨著納米Al粒子尺寸的減小而緩慢增大；但當(dāng)納米Al粒子直徑超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，燃燒速度與納米Al粉的粒徑無(wú)關(guān)。

文獻(xiàn)2(TillotsonT.M,GashA.E,et.al.Nanostructuredenergeticmaterialsusingsol-gelmethodologies[J].JournalofNon-CrystallineSolids,2001,285(1-3):338-345)采用溶膠凝膠法制備了納米Al/Fe₂O₃鋁熱劑，熱分析結(jié)果顯示其放熱量高達(dá)1.5kJ/g，這在一定程度增加上納米Al/Fe₂O₃鋁熱劑的點(diǎn)火能力。此外，由于感度測(cè)試表明納米Al/Fe₂O₃鋁熱劑對(duì)撞擊、靜電、摩擦比較鈍感，因而產(chǎn)品的安全性比較高。

文獻(xiàn)3(ZhangK.L,CaroleR,et.al.Developmentofanano-Al/CuObasedenergeticmaterialonsiliconsubstrate[J].AppliedPhysicsLetters,2007,91(11):113117)通過(guò)物理氣相沉積法將多層納米Al/CuO鋁熱薄膜沉積到硅基底上。該方法的特點(diǎn)是組分之間接觸緊密、產(chǎn)品尺寸均勻可調(diào)、并能有效的減少雜質(zhì)和納米Al的氧化。另外，利用物理氣相沉積可以將納米鋁熱劑引入到硅基底中，這為納米復(fù)合含能材料集成到以硅為基礎(chǔ)的MEMS器件中提供了一種新的方法，從而形成一類新的功能性納米點(diǎn)火裝置。

文獻(xiàn)4(SeveracF,AlphonseP,etal.High-EnergyAl/CuONanocompositesObtainedbyDNA-DirectedAssembly[J].AdvancedFunctionalMaterials,2012,22(2):323-329)利用DNA自組裝制備了納米Al/CuO鋁熱劑，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)該納米鋁熱劑的點(diǎn)火溫度低至410℃且放熱量高達(dá)1.8kJg^-1，并能通過(guò)改變納米鋁粒子的尺寸從而調(diào)整其點(diǎn)火溫度和反應(yīng)放熱量。

由上述可知，為了進(jìn)一步完善納米鋁熱劑的制備工藝，現(xiàn)存的制備方法存在以下缺陷：

文獻(xiàn)1：超聲物理混合法與MEMS制備工藝難以兼容，并且由于納米粒子具有很高的表面能，因此在超聲混合的過(guò)程中粒子極易發(fā)生團(tuán)聚。此外，納米鋁粉和納米氧化物通過(guò)超聲難以充分接觸，這會(huì)嚴(yán)重影響納米鋁熱劑的反應(yīng)活性。

文獻(xiàn)2：在制備納米鋁熱劑的過(guò)程中要使用大量有機(jī)溶劑，因而不可避免的引入有機(jī)雜質(zhì)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的能量密度降低。另外，溶膠凝膠過(guò)程所需時(shí)間較長(zhǎng)，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

文獻(xiàn)3：物理氣相沉積工藝耗時(shí)耗力，成本高，適用范圍窄。