[发明专利]一种可调控能量释放的硼基固体燃料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可调控能量释放的硼基固体燃料及其制备方法，包括利用原子层沉积的方法将金属纳米氧化物薄膜沉积到硼颗粒表面，形成以硼颗粒为核，金属纳米氧化物薄膜为壳的硼基固体燃料，所述的金属纳米氧化物薄膜为氧化钛、氧化锆、氧化铋、氧化钼、氧化钨、氧化锡、氧化钒、氧化铜、氧化镍、氧化硅、氧化铅、氧化锰、氧化铝、氧化锌、和氧化镁中的一种或多种。本发明中的经过原子层沉积氧化物包覆改性的硼燃料，由于各种理化性质不同的金属氧化物在氧化过程中对硼燃料的能量输出过程产生各自不同的影响，进而实现对硼燃料能量输出结构的精确调控，拓展了硼燃料的应用范围。

技术领域

本发明涉及高能固体燃料改性技术领域，具体涉及一种可调控能量释放的硼基固体燃料及其制备方法。

背景技术

现代战争对武器系统的高能量和高效毁伤提出了越来越高的要求。在火炸药、固体推进剂中添加各种高能固体燃料是提高其能量和能量利用效率的主要技术途径。在各种高能固体燃料中，硼的单位质量燃烧热是铝的1.9倍，体积热值为铝的1.66倍，具有极佳的应用前景。虽然硼具有极高的燃烧热值，但易团聚、易被氧化、不易点火、燃烧不充分和反应不完全等缺陷，使得硼粉的高热值难以充分发挥，这严重阻碍了硼粉在含能材料体系中的应用。

硼粉在应用中存在的问题与其特殊的表面性质密切相关。国内外学者经过大量探索研究发现使用表面改性材料针对性的对硼粉点火过程中的各种限制因素进行改善，能有效促进硼的能量释放。目前常用的传统粉体物理化学包覆改性方法主要包括超声共混法、球磨法、溶胶-凝胶法、超临界法、异相凝聚法、原位聚合法、分子自组装法等，常用的改性材料涵盖了金属、金属氧化物(主要包括Fe₂O₃、CuO、Bi₂O₃等)、强氧化剂、氟化物、有机高分子等。Xi Jianfei et al(Journal of Propulsion and Power,2014,30(1),47-53.)，采用固相研磨法将多种金属氧化物包覆到硼颗粒表面，研究了不同种类氧化物对硼粉氧化反应的催化效果。DSC研究结果表明，硼燃料在氧化过程中，会发生低温缓慢氧化，存在能量释放缓慢的行为，影响硼燃料的能量释放效率。固相研磨法包覆的金属氧化物并未显著改善硼粉能量释放缓慢的模式，无法实现能量的快速集中释放。此外，传统的包覆方法缺乏对过程的精确控制，完整性、均匀性差，包覆层厚度难以精确调节，易造成硼粉能量密度损失。因此对硼粉表面化学组成和结构进行改造是提升其能量性能的主要手段。

理想的硼粉表面修饰改性方法应该是在能够尽量不影响材料能量密度的前提下实现表面性质的精确调控。通过对硼粉表面进行修饰改性，在材料表面形成完整、致密、厚度精确可控的活性或惰性包覆层，可以隔离高活性物种与空气接触，在微观尺度改进材料复合，并通过调控材料表面组成、结构、起到改善硼粉燃烧性能的作用。而目前已报道的传统方法大多缺乏对表面修饰改性过程的精确控制，无法实现硼粉表面组成和结构在纳米尺度的精确控制，对硼粉能量输出结构的调控作用有限，并且很容易造成硼粉能量密度的损失。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷与不足，提出一种可调控能量释放的硼基固体燃料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明公开了以下技术方案：

一种可调控能量释放的硼基固体燃料，包括利用原子层沉积的方法将金属纳米氧化物薄膜沉积到硼颗粒表面，形成以硼颗粒为核，金属纳米氧化物薄膜为壳的硼基固体燃料，所述的金属纳米氧化物薄膜为氧化钛、氧化锆、氧化铋、氧化钼、氧化钨、氧化锡、氧化钒、氧化铜、氧化镍、氧化硅、氧化铅、氧化锰、氧化铝、氧化锌、和氧化镁中的一种或多种。

具体的，所述的硼颗粒的粒径为微米级别至纳米级别，所述的金属纳米氧化物薄膜的厚度为0.01～100nm。

一种可调控能量释放的硼基固体燃料的制备方法，

步骤1、将硼颗粒置于原子层沉积系统反应腔内，控制所述反应腔内的压力为负压，温度为室温～400℃；