[发明专利]三维有序大孔金属氧化物基纳米含能材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型的纳米含能材料及其制备方法，特别是一种三维有序大孔金属氧化物基纳米含能材料及其制备方法。

背景技术

日本的前田繁等人发明了焊盘部分和电桥部分由多组金属层（Ti、Zr、Au等）和金属氧化物层（SiO₂、TiO₂、Al₂O₃等）交替重叠（最上层为金属层，最下层为金属氧化物层）的半导体桥（中国专利：CN200580033640.1）。该多层复合含能薄膜采用金属溅射等金属化沉积工艺制备，通过加热金属层，金属在数微秒内因超过沸点气化并与金属氧化物反应从而产生细微爆炸形成火花。由于该多层复合含能薄膜的存在增加了火花量，提高了器件的点火可靠性。但是由于该多层复合含能薄膜需要采用金属溅射等金属化沉积工艺，因此需要金属沉积等大型的设备；并且多层薄膜的加工过程复杂，因此其制作成本高；另外由于金属和金属氧化物易于反应，因此其金属溅射等金属化沉积危险性高，这就对其加工工艺提出了高要求。

Rajesh Shende等人在Propellants, Explosives, Pyrotechnics，33(2)，122-130，2008中通过聚乙二醇400（PEG-400）表面活性剂作为模板合成了CuO纳米棒和纳米线，然后分别采用超声混合或自组装法将与其纳米Al粉组装在一起，制备了纳米铝热剂。具体方法为：将CuCl₂·H₂O、NaOH、PEG-400按照一定的比率混合研磨，经超声分散、离心分离机分离、煅烧制备CuO纳米棒；或者将CuCl₂、NaOH溶解到PEG-400的去离子水水溶液中，超声混合均匀，加入过量的乙醇，CuO纳米线开始生长，用乙醇和去离子水清洗沉淀除去表面活性剂及其它杂质，煅烧得到CuO纳米线。采用异丙醇等醇类作为溶剂，将CuO纳米棒/线与纳米Al超声混合；或者采用聚4-乙烯基吡啶（P4VP）作为“粘结剂”，将包覆好聚4-乙烯基吡啶的CuO纳米棒与纳米Al粉在异丙醇中超声混合，最终得到CuO/Al纳米复合含能材料。这种方法的缺点是生产工艺比较复杂，很难大规模生产。

T.M.Tillotson 等人在WO/2001/94276中采用溶胶-凝胶法通过金属盐或金属醇盐水解制备金属氧化物溶胶，在凝胶形成之前加入燃料（如Al粉），最终制备出以金属氧化物为基的纳米含能材料。具体制备可分为两类：以金属盐为前驱物通过添加去质子化剂使溶胶不稳定，诱导其凝胶化；以金属醇盐为前驱物则发生水解、聚合反应，制备凝胶。将制得的凝胶通过缓慢蒸发去除溶剂可得到密度较高的纳米含能材料，或者通过超临界萃取得到低密度多孔的纳米含能材料。对于制备出的Fe₂O₃/Al干凝胶纳米复合含能材料，由高倍透射电子显微镜可知是由一系列3～10nm的Fe₂O₃纳米团簇及与其紧挨着的粒径为25nm的Al颗粒组成。实验结果表明，Fe₂O₃/Al复合含能材料对标准撞击、静电火花和摩擦等感度试验均不敏感，定性研究表明制得的纳米含能材料燃速高于普通方法制得的组分，热起爆更敏感。上述两种方法制得的纳米含能粉体不可避免的会遇到团聚的问题，这也是纳米粉体材料在使用时所需解决的最重要的难题之一。

Brian T. Holland 等人在Chemistry of Materials，11，795-805，1999中以聚苯乙烯胶晶球为模板，用相应的金属醇盐前驱液合成出了Si、Ti、Zr、Al、W、Fe、Sb、Zr/Y的氧化物多孔骨架。具体步骤为：单分散的聚苯乙烯胶晶球通过离心作用紧密堆积，然后在胶晶球的间隙填充金属醇盐前驱液，通过水解、聚合反应干燥后形成无机金属氧化物骨架和聚苯乙烯胶晶球的混合物。将该混合物在450～1000℃之间煅烧或者采用四氢呋喃/丙酮混合液萃取除去胶晶球，得到规则有序、相互交联的单分散网状结构，孔径为亚微米级。该方法采用相应的金属醇盐作为前驱液，由于金属醇盐比较昂贵，且部分金属醇盐对水、光、热敏感，其使用和长期存储受到限制，还有部分金属醇盐不易获得，因此不适用于许多过渡金属氧化物的合成。另外制得的材料为大块状物质，不可避免的面临着如何使用的问题。

发明内容

本发明目的在于针对传统复合含能薄膜材料制备工艺复杂、需要大型仪器设备、能量释放速率慢等问题，提出一类新型的纳米复合含能薄膜材料，即三维有序大孔金属氧化物基纳米含能材料薄膜。