[发明专利]纳米铅铜锆氧化物复合粉体及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米铅铜锆氧化物复合粉体及其制备方法，该复合粉体可作为固体推进剂的燃烧催化剂、不稳定燃烧抑制剂和多功能弹道改良剂，主要用于导弹、火箭的固体推进剂装药，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的处于亚稳状态的介观系统。纳米材料尺寸小，表面原子所占体积百分数大，吸附能力强，表面反应活性高，以及纳米粉体表面原子的键态和电子态与颗粒内部不同，从而导致其表面活性位置增加。因此，纳米材料表现出许多独特优异的物理、化学性质。

固体推进剂是固体火箭发动机的能源，已被广泛应用在战略，战术导弹和航天技术中。导弹和火箭的射程及飞行速度取决于推进剂装药的总能量水平，与推进剂装药的能量释放速度及其效率密切相关。而作为推进剂能量释放手段的燃烧过程，有稳态燃烧和不稳定燃烧之分。因此，对不稳定燃烧的抑制和对稳态燃烧性能的调节是推进剂研制人员的重要研究课题之一。

目前，国内大多使用的燃烧稳定剂是Al₂O₃，但它熔点较低，燃烧时易与PbO、CuO等聚集成大粒子，既降低了催化剂的催化效率，同时也影响了不稳定燃烧的抑制效果；而其它燃烧稳定剂像TiO₂、SiC等的加入会影响推进剂燃速的变化并使配方的平台消失。根据国内外报道，锆化物作为燃烧稳定剂的抑制效果比较好，将高熔点的氧化锆以催化剂的形式加入推进剂中，在催化燃烧的同时也可发挥其不稳定燃烧抑制作用。

双基推进剂和改性双基推进剂是火箭和导弹使用的一类高能燃料，但其缺点是燃速较低、燃速压强指数较高，实际使用时需要加入燃烧催化剂来改善其燃烧性能。双基系推进剂产生超速燃烧现象与燃烧催化剂粒度大小有关，比表面积越大，活性越高，催化剂作用也越明显。纳米催化剂由于其巨大的表面积，因而表面活性中心多，催化效率高，因此在固体推进剂的催化燃烧中展现了良好的应用前景。

研究发现，单一的催化剂对双基系推进剂的燃烧性能有所改善，但是效果并不显著，例如张晓宏等对纳米氧化铅作为双基推进剂的燃烧催化剂进行研究［火炸药学报, 2002, 25(2): 39~41］，发现采用纳米氧化铅能使推进剂在低压下燃速有所提高，但燃速压强指数仍较大，而将纳米级PbO与铜盐协同，则会更好地发挥催化作用。

目前纳米氧化物复合粉体的制备方法主要有机械物理复合法，该法简便但其很难使超细粉体紧密地混合，且制备的样品存在晶粒尺寸不均匀以及分布不均匀，易引入某些杂质而使颗粒表面和界面之间受到污染，纯度不高等缺点；湿化学法，由该法制备样品的纯度和均匀分散性较好，但最终复合物的多孔性使其在某些应用中是不可取的，即受可凝胶型材料使用的限制，此外，该法制备原料较贵成本高，工艺繁琐、制备周期长；室温固相反应法，该工艺灵活且操作方便，其最大的局限是制备产物粒径不易控制、产物分散的均匀性不好，在粉体的再现性及可靠性方面也存在困难，难以得到高质量的复合粉体。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于固体推进剂的燃烧催化剂、不稳定燃烧抑制剂和多功能弹道改良剂的纳米铅铜锆氧化物复合粉体。

本发明的另一目的在于提供一种操作简单方便、产物分散均匀、制备周期短以及生产成本低的制备上述纳米铅铜锆氧化物复合粉体的方法。

本发明的目的是这样实现的：

选用柠檬酸为络合剂，将可溶性铅盐、铜盐和锆盐分别溶于蒸馏水后混溶，磁力搅拌条件下缓慢滴加柠檬酸溶液，得到柠檬酸-铅-铜-锆溶液，形成柠檬酸和铅/铜/锆的配合物，调节溶液的pH值在3~6之间，保持恒温条件下得到溶胶，将其静置陈化后于真空干燥烘箱中烘干处理，再于马弗炉中加热到发生自蔓延燃烧并经煅烧后，得到蓬松粉末状产物即为铅铜锆氧化物复合粉体。

具体地说，本发明纳米铅铜锆氧化物复合粉体的组成及重量百分比为：

PbO   30～60%

CuO   25～50%

ZrO₂   10～20%。

复合粉体中PbO、CuO和ZrO₂的粒径分别为10~90 nm。

上述纳米铅铜锆氧化物复合粉体的制备方法，包括以下步骤：

（1）将可溶性铅盐、铜盐和锆盐混溶于蒸馏水，将柠檬酸溶于蒸馏水；

可溶性铅盐、铜盐和锆盐的浓度为2.0~8.0 mol/L，柠檬酸水溶液的浓度为3.0~7.0 mol/L；