[发明专利]纳米氧化铁包覆的改性硼燃料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于用于火炸药的高能燃料技术领域，特别是一种放热量大，燃烧效率高，添加在硼系点火药及硼系延期药配方中燃烧状态稳定的纳米氧化铁包覆的改性硼燃料及其制备方法。

背景技术

在各种可用于火炸药领域的燃料中，硼具有质量热值高、体积热值高、原料无毒、燃烧产物无毒、资源丰富等诸多优点，已成为当前火炸药领域的研究热点。随着技术的发展，硼在火炸药领域得到了大量应用，相继发展了硼系点火药及硼系延期药。硼系点火药作为高能点火药，具有较大的燃烧热和较强的点火能力，一直是火工药剂研究的热点；硼系延期药则具有延期时间精度高、延期时间短、燃烧温度高、点火能量足的优点。

表1列出了5种热值较高燃料锂(Li)、铍(Be)、硼(B)、镁(Mg)、铝(A1)的各项物理化学性质，由表1中各项性能数据对比可以看出，硼是一种最有应用潜力的高能燃料。

表1  五种热值较高的燃料的理化性质

硼的理论热值虽然很高，但其热值的实际发挥却很困难。原因在于：

1、单质硼的熔点和沸点较高，难于熔化和气化，B₂O₃的沸点也较高（熔点为460℃，沸点为1860℃），因此要达到很高温度才能使硼粒子点火燃烧，而且燃烧过程要经历B₂O₃氧化层的蒸发，这使硼粒子持续燃烧更为困难；

2、硼的燃烧效率低、耗氧量大、产生残渣多，无法发挥其高能量热值；

3、硼的表面存在B₂O₃、H₃BO₃等杂质，使得硼与火炸药体系不兼容。

因此，现有技术存在的问题是：如何改善硼燃料的点火性能、燃烧性能和表面特性，从而使含硼火炸药得到更为广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米氧化铁包覆的改性硼燃料，该燃料点火温度低、放热量大、燃烧效率高，添加在火炸药配方中燃烧状态稳定。

本发明的另一个目的在于提供三种纳米氧化铁包覆的改性硼燃料的制备方法。

本发明的技术要点有两处：第一个技术要点为基体硼与表面氧化铁的化学计量配比与燃烧历程中的各化学反应，第二个技术要点为制备这种纳米复合粉体燃料的方法与工艺。

Fe₂O₃是一种用途非常广泛的功能材料，也是一种重要的燃速催化剂。将纳米氧化铁包覆于硼粉表面，对硼粉进行改性，即可实现高热剂的优良特性，又可发挥纳米氧化铁的催化性能。

将纳米氧化铁包覆于硼粉表面所制备的改性硼燃料的燃烧涉及三种化学反应方程式：

2B+Fe₂O₃→2Fe+B₂O₃             （式1）

4B+3O₂→2B₂O₃                （式2）

3Fe+2O₂→Fe₃O₄                （式3）

式1的燃烧放热量为2.427kJ·g^-1，式2的燃烧放热量为57.455kJ·g^-1，式3的燃烧放热量3.99kJ·g^-1。为了提高改性硼燃料的燃烧放热量，需提高硼粉含量，但也不能无限增加，因为硼粉自身条件的限制，其燃烧效率低，不容易点火等特性。

实现本发明目的的技术方案为：一种纳米氧化铁包覆的改性硼燃料，其组分及质量百分含量为：超细硼粉30～60，纳米氧化铁 70～40。

优选地，所述纳米氧化铁的质量百分含量为60～45，最好为50。

优选地，所述超细硼粉的粒径为4.9～5.3μm，最好为5.07μm。

实现本发明另一目的的制备纳米氧化铁包覆的改性硼燃料的方法，可采用沉淀法、溶胶-凝胶法、固相合成法等三种纳米粉体制备方法中的任意一种。

采用沉淀法制备时，包括如下步骤：

61）原料计量：以沉淀法制备纳米氧化铁包覆的硼复合粒子，整个反应历程需要经过如下2步化学反应：

第一步反应：Fe³⁺+3OH^-→Fe(OH)₃↓

第二步反应：