一种核-壳型碳包覆微纳米锆粉的制备方法 |
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| 申请号 | CN201710485678.7 | 申请日 | 2017-06-23 | 公开(公告)号 | CN107297496A | 公开(公告)日 | 2017-10-27 |
| 申请人 | 西安近代化学研究所; | 发明人 | 姜菡雨; 赵凤起; 曲文刚; 郝海霞; 徐司雨; 轩春雷; 姚二岗; 李恒; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种核-壳型 碳 包覆微纳米锆粉的制备方法，包括以下步骤：(1)碳源左旋多巴在锆粉表面的自聚合；(2) 煅烧 制备核-壳型碳包覆微纳米锆粉。采用本发明方法制备得到的碳包覆微纳米锆粉，具有明显的核-壳结构，且该方法反应条件温和，工艺简单，易于实现。本发明有效地解决了微纳米锆粉由于高化学反应活性带来的环境敏感性及使用安全性问题，极大程度降低了其静电火花感度，促进了其在固体推进剂 燃料 中的应用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种核-壳型碳包覆微纳米锆粉的制备方法，其特征在于步骤如下： |
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| 说明书全文 | 一种核-壳型碳包覆微纳米锆粉的制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种微纳米金属粉的包覆方法，特别是一种微纳米锆粉的包覆方法。 背景技术[0002] 微纳米金属粉作为燃料在现代含能体系中已经得到广泛应用，是提高体系能量性能的重要途径之一。金属粉应用于固体推进剂中不仅可以提高爆热和密度，提高燃烧效率，其燃烧生成固体金属氧化物微粒，还起着抑制振荡燃烧、提高推进剂燃烧稳定性作用。随着一些对密度有特殊要求的火炸药的出现，锆凭借高密度、高体积热值、可燃性好的特点，使其比其他金属具有更多的应用优势，特别是在冲压发动机和限制体积的固体火箭发动机中有着广阔的应用前景。 [0003] 尽管锆粉在含能材料中具有很大的潜在应用，但也存在着一些急需解决的问题。由于其具有的高化学反应活性，对所处的环境特别敏感，微纳米尺寸的锆粉静电火花感度较高，约为0.3～0.5mJ，很容易在环境静电刺激下发火燃烧，使生产、运输、贮存及使用中存在一定安全隐患，这些都大大的制约了含锆高密度推进剂的应用与发展。因此，需要对微纳米锆粉表面进行改性处理。 [0004] 在金属纳米颗粒表面形成碳包覆层是近几年发展起来的新型纳米粒子改性技术，因为碳壳可以在很小的空间内禁锢金属粒子，从而有效的保护金属粒子不受环境的影响而发生氧化反应或者其它反应。相关研究国内外均有报道，如发明专利201610228036.4利用原子层沉积方法制备出了碳包覆锆粉粒子，但该方法对设备要求较高，工艺复杂且产量较小，难以满足应用要求。 发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，提供一种反应条件温和，工艺简单，易于实现的核-壳型碳包覆微纳米锆粉的制备方法。 [0006] 本发明选用左旋多巴作为碳源，采用溶液制备方法在锆粉表面形成均匀的碳薄层，在改性的同时确保锆粉的高密度特性，且该方法工艺流程简单，合成设备为传统搅拌设备，原料为常见化学试剂，完全能够满足进一步放大制备的需要。 [0007] 为解决上述技术问题，本发明提供的一种碳包覆微纳米锆粉的制备方法，包括以下步骤： [0008] (1)前驱物的制备 [0009] 称取原料锆粉于烧杯中，加入质量分数为原料锆粉1％～10％的左旋多巴溶液，分散均匀后，用碱性试剂调节体系pH至9～11，在20℃～30℃下搅拌反应24h，离心过滤，水洗至中性，干燥，得到前驱物；其中左旋多巴溶液的浓度为0.001mol/L～0.1mol/L； [0010] (2)碳包覆金属粉的制备 [0011] 惰性气氛下，将步骤(1)所得前驱物置于管式炉中，程序升温至400℃～800℃下煅烧4h-6h，得到核-壳型碳包覆微纳米锆粉。 [0012] 步骤(1)中所述的原料锆粉，其粒径为40nm～50μm。 [0013] 步骤(1)中所述的左旋多巴溶液选自左旋多巴水溶液、左旋多巴乙醇溶液的一种。 [0015] 步骤(2)中所述的程序升温是升温速率为5℃/min～10℃/min。 [0016] 本发明的有益效果： [0017] (1)实现了碳对微纳米尺寸锆粉的包覆改性，得到了核-壳型的碳包覆微纳米锆粉，大幅度降低了锆粉的静电火花感度(50％发火能量值由3.03mJ提高至184.8mJ以上，而现有技术利用原子层沉积实现碳包覆锆粉的50％发火能量值为102.6mJ)，极大提高了锆粉的使用安全性，同时包覆的碳层在高温燃烧时可以提供额外的燃烧热，有利于锆粉燃烧反应的快速发生； [0019] 图1为制得的核-壳型碳包覆微纳米锆粉的TEM照片。 [0020] 图2为制得的核-壳型碳包覆微纳米锆粉的SEM照片和EDS图谱。 [0021] 图3为制得的核-壳型碳包覆微纳米锆粉的XRD图谱。 具体实施方式[0022] 下面结合实施例对本发明做进一步的说明。 [0023] 实施例1 [0024] 称取0.2g左旋多巴于100mL水中，加热使之完全溶解，另取2.0g平均粒径为5μm的锆粉加入多巴溶液中，搅拌30min待分散均匀后，用浓氨水调节体系pH至9～11，室温搅拌反应24h，静置，离心，分层后倒出上层清液，固体用水洗多次至中性呈无色透明状，放入真空烘箱干燥； [0025] 氩气气氛下，将所得前驱物置于管式炉中，以5℃/min程序升温至400℃，保温2h，再升温至650℃煅烧4h，得到核-壳型碳包覆微纳米锆粉。 [0026] 实施例2 [0027] 称取0.1g左旋多巴于100mL水中，加热使之完全溶解，另取2.0g平均粒径为5μm的锆粉加入多巴溶液中，搅拌30min待分散均匀后，用浓氨水调节体系pH至9～11，室温搅拌反应24h，静置，离心，分层后倒出上层清液，固体用水洗多次至中性呈无色透明状，放入真空烘箱干燥； [0028] 氩气气氛下，将所得前驱物置于管式炉中，以10℃/min程序升温至400℃，保温2h，再升温至650℃煅烧4h，得到核-壳型碳包覆微纳米锆粉。 [0029] 实施例3 [0030] 称取0.1g左旋多巴于100mL水中，加热使之完全溶解，另取2.0g平均粒径为80nm的锆粉加入多巴溶液中，搅拌30min待分散均匀后，用浓氨水调节体系pH至9～11，室温搅拌反应24h，静置，离心，分层后倒出上层清液，固体用水洗多次至中性呈无色透明状，放入真空烘箱干燥； [0031] 氩气气氛下，将所得前驱物置于管式炉中，以5℃/min程序升温至400℃，保温2h，再升温至650℃煅烧4h，得到核-壳型碳包覆微纳米锆粉。 [0032] 本发明制备的核-壳型碳包覆微纳米锆粉的表征及性能测试： [0033] (1)结构表征 [0034] 图1为包覆后样品的透射电子显微镜照片。从图中可以清楚看到，所制备样品为完整的核壳结构。颗粒尺寸约为1μm，壳层厚度在2nm左右,由于样品制备过程中未添加其他化合物，可知表面壳层应该为形成的碳包覆层。图2分别是包覆前后样品的SEM照片以及相应的选区EDS能谱。从图中可以看到，包覆后样品的SEM照片中出现了明显的碳颗粒层，且EDS能谱中除了Zr和O以外还出现了C元素，说明Zr的表面均匀包覆了碳层。图3为包覆后样品的粉末X射线衍射图。由图所示，所有的衍射峰指标化后都可很好的对应六方结构的锆晶体，这些峰的位置和相对强度都与PDF标准数据(No.65-3366)基本一致。结合图1、图2以及图3可知，所制备的样品为核-壳结构的碳包覆锆粉。 [0035] (2)静电火花感度测试 [0036] 本发明中静电火花感度的测试方法参照GJB5891.27-2006火工品药剂试验方法第27部分：静电火花感度试验。样品单次用量为25mg，每组30次试验；环境条件为温度25℃，湿度50％；仪器为JGY-50Ⅱ型静电感度仪；测试条件为放电电容2000pF，无串联电阻，输出极性为负，电极间隙为0.12mm，观察其发火情况，试样发生冒烟、燃烧、爆炸等均判为发火。以样品50％发火能量或电压的均值作为被测样品的静电火花感度值。依据该方法，测得实施例中所得核-壳型碳包覆微纳米锆粉的静电火花感度数据如表1所示： [0037] 表1 [0038] [0039] 由数据可看出核-壳型碳包覆微纳米锆粉较原料锆粉的静电火花感度有大幅度降低，极大程度地增强了安全使用性。 |
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