[发明专利]超晶格含能材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明的实施方式涉及含能材料领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种超晶格含能材料的制备方法。

背景技术

含能材料是具有爆炸性基团或含有氧化剂和还原剂，能够发生化学反应释放出大量能量的物质，其研究和应用涉及到兵器装备、航空航天、民用爆破等对国家安全和国民经济有重大影响的多个行业，尤其对国防工业来说，获得更高能量密度的含能材料是提升武器弹药杀伤威力的重要手段之一，也是含能材料学科重要发展方向。

氟聚物金属含能材料是指由氟聚物(如聚四氟乙烯PTFE)和活性金属(如铝Al)组成的新型亚稳态含能材料，具有更高的密度和更好的氧平衡，可实现更高的体积能量密度(PTFE/Al的能量密度21kJ/cm³)，更小的临界反应尺寸，在高毁伤武器弹药、航天航空、微纳米含能器件等方面具有重要应用价值。氟聚物金属含能材料的反应是一个典型的固相反应，因而其化学反应受扩散过程控制，传热扩散和传质扩散是反应得以发生和延续的两个重要过程，对反应速率具有决定性作用，因此氧化与还原组分间的距离和均匀程度对反应过程有重要影响。目前这类材料面临两大问题：一是氧化剂和还原剂之间的传输距离仍然较大，在数十至数百纳米的尺度范围，没有从根本上解决输运距离对传递和传热的制约，使得反应速度较低；另一方面两者结构无序，使得其反应性能很不稳定。目前已有研究致力于获得结构化氟聚物金属含能材料改善组分间距和均匀性，使得界面接触更优良、含能材料的激活能降低。设计并制备新的结构是发展氟聚物金属含能材料的主要途径之一。

幸运的是，近年来另外一种亚纳米级的高度有序复合结构得到不断发展，既超晶格结构。超晶格结构是两种或多种材料构成的周期性交替高度有序复合结构。超晶格结构由开始的原子级别(0.1nm)发展到现在的纳米尺度(10nm)，通过X射线衍射可以测试材料的超晶格特性。由于大量的界面和周期性结构以及晶格失配等特点导致在光、点、热、力学等方面具有独特、反常的性能，在红外探测、微制冷器、激光器、高速场效应器件等方面有众多应用。超晶格在亚纳米尺度具有高度周期有序以及超大界面，势必为质量传递提供了更多通道，同时，尺寸效应和界面效应为电子和声子的传输提供新的途径，使得其具有良好的热传导特性。

目前发展超晶格结构主要是惰性材料，如Zn,Al-O、SiO₂-Si、Co_XFe₃-_XO。组分在纳米尺度能稳定存在，浙江大学Lin和美国Andre用密度泛函理论计算了多种2D层状材料超晶格结构材料，并说明了氟化石墨烯(C4F，CF)超晶格结构，这一研究成果为氟碳化合物超晶格材料的制备提供了理论依据。而PTFE和还原剂在纳米尺度处于亚稳态，极易反应释放能量失去含能特性，如何获得在纳米尺度稳定存在超晶格PTFE基含能结构成为关键技术。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种超晶格含能材料的制备方法的实施方式，以期望可以解决PTFE和还原剂在纳米尺度处于亚稳态，极易反应释放能量失去含能特性的问题，获得在纳米尺度稳定存在的超晶格PTFE基含能结构。

为解决上述的技术问题，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：

采用Materials Studio等建模软件对超晶格材料的理论模拟与计算，得到在超晶格含能材料的结构模型；主要是获得PTFE和活性金属单层的厚度。然后采用以下技术方案制备超晶格含能材料：

一种超晶格含能材料的制备方法，包含以下步骤：

(1)将硅基底在丙酮中超声洗涤15～25分钟并水洗3～5次，干燥，然后安装在射频磁控溅射室内的镀膜样品台上，打开射频磁控溅射系统；

(2)将基础靶材和金属靶材安装到射频磁控溅射室内的两个射频靶位中，调节射频磁控溅射系统的真空度为5.0×10^-3Pa以下，通入纯度为99.9999％的Ar，体积流量为150～250SCCM；

(3)预先溅射基础靶材和金属靶材5～10分钟去除污垢和杂质；

(4)以溅射功率5～200W溅射基础靶材1～60分钟，在硅基底上形成一层基础靶材纳米膜；然后以溅射功率5～200W溅射金属靶材1～60分钟，在基础靶材纳米膜上形成一层金属靶材纳米膜；

(5)循环步骤(4)的溅射过程，获得不同周期数的超晶格含能材料。

进一步的技术方案是：所述基础靶材为PTFE靶材，所述金属靶材为Mg靶材、Al靶材、Si靶材中的任意一种。