[发明专利]一种采用原子层沉积技术制备石墨烯纳米复合含能材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纳米复合含能材料的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

推进剂中添加纳米金属粉，可以改善推进剂燃烧性能，并显著提高其能量水平。纳米金属与氧化剂、催化剂以及推进剂各含能组分之间的亲和度和空间排布对推进剂的燃烧性能和燃烧动力学有显著的影响。纳米金属颗粒与氧化剂等组分的接触面积越大，燃烧反应越充分，推进剂能量水平越高。但是，纳米金属粉极高的比表面积，通常导致粉体团聚使反应活性降低，在一定程度上制约了其在推进剂领域的进一步应用。解决纳米金属粉分散的传统方法是采用表面活性剂、聚合物或者封端剂将纳米金属粉的包裹，阻碍纳米粒子团聚。但是助剂的加入可能导致纳米粒子化学活性降低，影响纳米粒子的实际应用。

石墨烯是单层碳原子堆积成的具有二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，它具有许多优异的性能：极大的比表面积(2630m²/g)，超高的燃烧反应焓(碳-氧32.8kJ/g，碳-铝1.6KJ/g)和极高的导热、导电性能。目前，有研究团队(Li,N.；Gong,Z.F.；Cao,M.H.；Ren,L.；Zhao,X.Y.；Liu,B.；Tian,Y.；Hu,C.W.,Well-dispersed ultrafine Mn3O4nanoparticles on graphene as a promising catalyst for the thermal decomposition of ammonium perchlorate.Carbon2013,54,124–132.)(Dey,A.；Athar,J.；Varma,P.；Prasant,H.；Sikder A.K.；Chattopadhyay,S.,Graphene-iron oxide nanocomposite(GINC):an efficient catalyst for ammonium perchlorate(AP)decomposition and burn rate enhancer for AP based composite propellant.RSC Advance.2015,5,1950–1960.)通过物理或化学方法将纳米金属或氧化物固定在石墨烯表面，可以有效的防止纳米粒子团聚，保持粒子的高比表面积和反应活性。但是，以上方法均缺乏对负载在石墨烯表面的纳米金属或氧化物粒子尺寸、分布和负载密度的有效控制。同时，以上方法无法调控金属燃料与氧化剂的亲和度和空间排布。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供了一种采用原子层沉积(Atomic Layer Deposition，简称ALD)技术制备石墨烯纳米复合含能材料的方法。采用超声辅助溶液混合方法制备石墨烯负载纳米金属复合粉体，然后通过气相原子层沉积技术在上述复合粉体表面合成氧化物。经过本发明制备的复合含能材料，与传统的含能材料制备方法相比，有效的改善了纳米金属粉的分散及其与氧化物的表面亲和度，制备的含能材料具有能量释放率高、反应完全等性能特点。

为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案：

一种采用原子层沉积技术制备石墨烯纳米复合含能材料的方法，包括以下步骤：

步骤一，石墨烯负载纳米金属复合粉体的制备

(1)将氧化石墨烯0.01-100质量份和溶剂100-10000质量份加入超声反应器中，超声功率为10-5000W，频率为10-10000Hz，温度20-100℃，超声分散5分钟-10小时，获得氧化石墨烯悬浮液；

(2)将100-10000质量份溶剂A、100-10000质量份溶剂B混合配置成共溶剂，将纳米金属粉1-100质量份加入共溶剂，超声分散5分钟-10小时，得到稳定分散的纳米金属悬浮液；超声功率10-5000W，频率为10-10000Hz，温度20-100℃；将1-100质量份氧化石墨烯悬浮液加入10-1000质量份纳米金属悬浮液中，超声分散5分钟-5小时，加入还原剂1-5000质量份，继续超声分散5分钟-10小时，获得稳定的石墨烯/纳米金属材料复合悬浮液；

(3)将上述石墨烯/纳米金属材料复合悬浮液用高速转子离心机离心10分钟-2小时，温度0-100℃，转速3000-20000rpm，产物在真空度0.01kPa-0.1MPa烘干至恒重，获得石墨烯纳米金属复合粉体；

所述的氧化石墨烯悬浮液的溶剂为水、乙醇、异丙醇、醋酸甲酯、甲苯、四氢呋喃、丙酮、己烷、环己烷和N、N-二甲基甲酰胺中的至少一种；