[发明专利]一种核壳结构CuO/Al纳米含能薄膜材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种核壳结构CuO/Al纳米含能薄膜材料的制备方法。所述方法首先利用真空物理气相沉积技术在基底上制备Cr过渡层及Cu薄膜，再在室温下将基底置于含有NaOH和(NH₄)₂S₂O₈的混合液中得到具有一维纳米结构的Cu(OH)₂薄膜材料，然后经热处理得到具有一维纳米结构的CuO薄膜材料，最后利用物理气相沉积技术，将纳米Al包覆至CuO一维纳米结构上得到核壳结构CuO/Al纳米含能薄膜材料。本发明制备过程中温度限制在200℃以下，相较现有的采用的≥450℃高温处理过程，能耗显著降低，并且制得核壳结构CuO/Al纳米含能薄膜材料能与后端CMOS工艺相兼容，制备过程重复性好。

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，涉及一种具有核壳结构的CuO/Al纳米含能薄膜材料的制备方法。

背景技术

纳米铝热剂由纳米尺度的氧化剂与还原剂组成，又称作亚稳态分子间复合物。组分纳米化后，比表面积显著增加，氧化剂与还原剂接触面积增大，扩散传质距离缩小，化学反应速率迅速增加。此外，表面能的显著增加使得纳米铝热剂的反应活性增强，反应活化能降低，减少了反应引发过程中的能量消耗。纳米铝热剂的高体积能量密度、高化学反应速率等优异特性使其在含能点火芯片、微纳卫星姿态控制及推进、微流体驱动、微创灭菌等领域具有广阔的应用前景。较之于超声随机混合所得纳米铝热剂，经特定结构设计的纳米铝热剂在氧化剂与还原剂的空间分布均匀性及界面结合紧密度上均有较大改善，因此具有更优越的能量释放特性。

Kaili Zhang等在核壳结构CuO/Al纳米含能薄膜研究领域进行了部分开创性的工作，通过电镀方法沉积1μm厚Cu薄膜至硅基底上，然后将基底置于管式炉中，在空气气氛下加热至450℃，保温5h后自然冷却至室温，得到CuO纳米线，最后通过真空热蒸发方法沉积纳米Al包裹CuO纳米线，从而得到核壳结构CuO/Al纳米含能薄膜(Applied Physics Letters，2007，91(11)：113117；Journal of Microelectromechanical Systems，2008，17(4)：832-836；Journal of Materials Science，2012，47(3)：1296-1305)。该方法制备的核壳结构CuO/Al纳米含能薄膜具有组分间接触紧密、纯度高、尺寸可调及放热量高等优点，但其制备过程中所采用的450℃高温处理带来如下两个主要问题：一是由于Cu薄膜热氧化过程中的应力问题，造成CuO纳米线薄膜容易脱落，成品率低；二是高温处理能耗很大，而且与后端CMOS工艺不兼容。Wenchao Zhang等研究了基于三维有序大孔氧化物的核壳结构纳米含能薄膜材料，通过胶体晶体模板法在玻璃基底上形成聚苯乙烯球模板，然后浸渍金属盐前驱体，再经500℃高温煅烧去除模板同时使金属盐分解为相应金属氧化物，最后通过真空物理气相沉积方法包覆纳米Al，从而得到核壳结构纳米含能薄膜材料(ACS AppliedMaterials&Interfaces，2013，5(2)：239-242；Scientific Reports，2016，6：22588)。该方法可用于制备多种纳米含能薄膜铝热剂，但制备过程中氧化物骨架结构容易坍塌，制备重复性难以保证，而且制备过程中仍需高温处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过程中无需高温处理(≤200℃)，具有核壳结构及优异反应特性的CuO/Al纳米含能薄膜材料的制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：