[发明专利]一种固体推进剂用纳米Al/Ni/HTPB核-壳结构含能复合粒子及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含能复合材料及其制备方法，具体涉及一种纳米Al/Ni/HTPB三层核-壳结构含能复合粒子及其制备方法。

背景技术

在衡量推进剂和火炸药等的性能中，燃烧性能和能量特性成为主要的指标。铝粉由于低温氧化和高热释放性能，以及原材料丰富易得等优势，被广泛的应用于该领域中，成为一种重要的含能材料。其中，铝粉在固体推进剂中占到了约20%的含量。大量研究表明，微米铝粉的燃烧要经历先熔化吸热(约660℃)再燃烧放热(约1000℃)两个过程，而纳米铝粉在较低温度(约520℃)时就剧烈燃烧放热，两者的燃烧机理完全不同。随着铝粉粒径的减小，尤其为纳米级时，其燃速、放热量比微米铝粉高几到十几个数量级，而且燃烧完全，因此铝粉的纳米化被认为是一种提高推进剂综合性能的重要方法。但由于纳米Al的高比表面能和大的表面积使得其极易被氧化（空气中甚至自燃）、且团聚严重使得其与推进剂其他组分相容性差等，严重限制了其大规模应用。如何保持纳米铝的活性、改善其分散性以及提高其与推进剂其他组分的相容性受到了研究者的广泛关注。

目前，用于解决纳米Al氧化和团聚的方法主要是对其表面进行包覆。主要的包覆材料有炭、过渡金属、金属氧化物、有机酸、环氧化合物等。这些包覆材料在一定程度上阻止了纳米Al的氧化，提高了纳米Al的分散性，但这些包覆材料几乎均非推进剂的配方成分，不仅影响其与推进剂其他组分的相容性，而且这些“无用”成分的加入严重影响了推进剂的综合性能。因此，在不引入非推进剂配方成分的条件下，有效提高纳米Al的活性、分散性和相容性被认为是提高推进剂综合性能的关键。

Foley等(Timothy J. Foley, Curtis E. Johnson, Kelvin T. Higa. Chem. Mater. 2005, 17, 4086- 4091)采用湿化学法在制备出纳米Al后，取一定量的Al粉分散于乙二醇二甲醚中，搅拌分散均匀后向其中加入适量的过渡金属(Pd, Ag, Au, Ni)盐的乙二醇二甲醚溶液，纳米Al的强还原性将过渡金属盐还原为单质包覆在其表面，得到核-壳结构复合粒子，其中Ni包覆后的综合性能最好。

专利CN 101239390A中采用纳米Al还原二价镍的方法，在纳米Al的表面镀上一层Ni，得到纳米Al/Ni核-壳结构的复合粒子，引入了推进剂配方成分中对高氯酸胺(AP)具有强催化作用的Ni实现对纳米Al粉的包覆。

推进剂配方中，催化剂的含量只有1-3%，如此低的含量，单纯依靠Ni包覆存在不致密的问题。研究表明，短时间内活性Al的含量很高，随着时间的延长活性Al的含量大幅下降，因此，该方法有待进一步完善。

发明专利申请CN 102717068A(一种纳米Al/HTPB核-壳结构含能复合粒子的合成方法) 采用原位钝化法用HTPB（端羟基聚丁二烯）对纳米Al直接包覆，合成得到纳米Al/HTPB含能复合粒子，该含能复合粒子解决了纳米Al的包覆和推进剂组分相容性问题，但推进剂的综合性能仍可进一步的改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米Al/Ni/HTPB核-壳结构含能复合粒子及其制备方法，在专利CN 102717068A的基础上作进一步的改进，即选用推进剂的多个配方成分对纳米Al粉进行包覆，形成一种三层核-壳结构含能复合粒子，表面Ni层的生成既阻止了纳米Al的氧化，同时在燃烧反应中与Al发生金属间反应，大大提高了放热量；将其应用于AP基推进剂中，可以有效的催化AP的分解；考虑到Ni包覆存在的不致密问题，引入配方成分中的HTPB(含量约10-20%)实现对纳米Al的第二层包覆。三层核-壳结构的形成有效地解决了纳米Al的极易氧化的难题，保持了纳米Al粉的活性，同时优化了含能粒子结构，提高了纳米Al与推进剂其他组分的相容性，简化了推进剂的制备工艺。

本发明的纳米Al/Ni/HTPB核-壳结构含能复合粒子的制备方法首先采用氧化还原法在纳米Al的表面包覆一层镍，再通过蒸发溶剂法包覆一层HTPB（端羟基聚丁二烯），得到纳米Al/Ni/HTPB含能复合粒子。

本发明采用的技术方案为：

一种固体推进剂用纳米Al/Ni/HTPB核-壳结构含能复合粒子，其特征在于，所述的纳米Al的表面包覆一层镍，镍的负载量为Al/Ni总质量的0.5-3%；在Al/Ni表面沉积HTPB层，HTPB的沉积量为Al/Ni/HTPB总质量的10-20%。

所述的纳米Al的粒径为20-100nm，优选为70-90nm。