[发明专利]纳米铜包覆铝复合燃料的制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米铜包覆铝复合燃料的制备方法，它是在氢氧化铜和铝粉的混合水相悬浊液中，添加痕量铜离子络合剂柠檬酸三钠和铝离子络合剂氟化铵，将反应获得的紫红色产品离心分离，得到纳米铜包覆铝复合燃料。本发明的工艺在常温常压下进行，不引入任何一种表面活性剂，所得纳米铜在纳米铝表面分布均匀，且粒度均一；调控痕量铜离子络合剂的浓度，还可调节所得纳米铜粒子的粒度。

技术领域

本发明涉及固体推进剂用纳米铝复合燃料的制备方法，具体涉及纳米铜包覆铝复合燃料的制备方法。

背景技术

铝粉由于密度高、耗氧量低和高的燃烧热，对提高比冲的作用相当显著，因此被作为金属燃料广泛地应用在固体火箭推进剂中。相对于传统的微米铝燃料，纳米铝燃料所具有的特殊小尺寸效应和表面效应使其具有更高的反应活性和能量释放效率。然后，纳米铝化学性质较微米铝更加活泼，更易与外界的环境因素（温度、湿度、气氛等）发生相互作用，在其表面形成较高含量的惰性氧化膜，从而丧失大部分活性。因此，纳米铝燃料的活性保持成为实际使用过程中需要解决的重要问题。

在纳米铝活性保持的诸多方法中，表面包覆设计被证实是一种行之有效的途径。比如：美国宾夕法尼亚州立大学Matsoukas教授课题组采用化学蒸发沉积途径分别将异丙醇、甲苯、十八氟十氢萘等包覆于纳米铝表面（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6:7942–7947），一定程度上保护了纳米铝的活性。叶明泉等（CN103506621A）公开了一种氟橡胶包覆纳米铝粉复合粒子的制备方法，包覆层氟橡胶可延缓纳米铝粉的常温氧化，提高纳米铝粉的高温氧化速率及热量释放速率。赵凤起等（CN103611943A）公开了一种碳包覆纳米铝粉的制备方法，包覆后纳米铝粉可有效阻止纳米铝的氧化，保持了纳米铝的活性。然而，研究中涉及的包覆材料多为惰性物质，非固体火箭推进剂配方组分，燃烧热值不高。

纳米铜是固体推进剂中常用的燃速催化剂，合成出纳米铜包覆铝复合燃料；一方面，在低温下可保持铝燃料的活性，阻止其进一步钝化；另一方面，在高温下通过合金化作用或铝热效应可提高铝燃料的点火燃烧性能。申请人曾在《置换还原法制备核壳结构Cu/Al复合粉末》（化学学报，2017，65：81-85）报道了一种纳米铜包覆微米铝粉的合成工艺，以明胶为保护剂、氟离子为络合剂的水溶液中，采用铝粉直接置换还原可溶性铜盐的方法，实现了纳米铜在微米铝粉表面的快速化学沉积。然后，当纳米铝替换微米铝后，采用此种合成工艺，置换出来的铜粒子并没有沉积在纳米铝的表面，而是形成简单的铜粒子和纳米铝的两元金属混合物。其原因为：纳米铝相比于微米铝，粒径更小，置换出来的纳米铜不足以依靠静电引力吸附在纳米铝表面。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种纳米铜包覆铝复合燃料的制备方法，采用“双络合剂”制备纳米铜包覆纳米铝，提高纳米铝燃料在固体火箭推进剂中的应用性能，为纳米铜包覆铝复合燃料在固体火箭推进剂中的应用提供技术支撑。

本发明的技术解决方案是：该纳米铜包覆铝复合燃料的制备方法是在氢氧化铜和铝粉的混合水相悬浊液中，添加痕量铜离子络合剂柠檬酸三钠和铝离子络合剂氟化铵，将反应获得的紫红色产品离心分离，得到纳米铜包覆铝复合燃料。

其中，该纳米铜包覆铝复合燃料的制备方法包括以下具体步骤：

（1）常温常压下，分别配置一定浓度的硫酸铜水溶液和氢氧化钠水溶液，将硫酸铜水溶液和氢氧化钠水溶液依体积比1:1混合均匀，形成氢氧化铜悬浊液；将氢氧化铜悬浊液离心分离，用去离子水洗涤至酸碱度中性，得氢氧化铜；

（2）将氢氧化铜和铝粉加入到水中进行超声分散和搅拌分散，得到氢氧化铜和铝粉的混合水相悬浊液；

（3）将步骤（2）的混合水相悬浊液中加入痕量铜离子络合剂柠檬酸三钠和铝离子络合剂氟化铵，整个过程在500-800转/分搅拌下进行，反应一定时间后，将产物进行离心和洗涤，45℃干燥，得到纳米铜包覆铝复合燃料。

其中，所述铝粉的粒径范围为100 -800纳米。