一种核壳结构铝热剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于含能材料技术领域，具体涉及一种具有核壳结构的铝热剂及其制备方法和应用。

背景技术

铝热剂是一类由金属(常见为铝等)与金属氧化物(常见如氧化铁、氧化铜等)组成的复合物，具有能量密度大、感度低、配方灵活和易储存等优点，从而成为一类重要的含能材料，在国防军事、冶金工业、铝热焊接和反应性爆破等领域具有巨大的应用需求。但是，普通铝热剂往往存在颗粒分散不均匀、燃烧速度慢、放热不集中以及铝热反应温度过高等缺点，不能很好地满足高性能铝热剂的现实需求，大大限制了其应用。

为了提升传统铝热剂的性能，人们提出并发展了纳米铝热剂，这种铝热剂由纳米尺寸的铝与金属氧化物组合而成。相较于传统铝热剂，纳米铝热剂反应温度低，且能量释放速率高，亦称为超级铝热剂或亚稳态分子间复合物(王军，张文超，沈瑞琪等，火炸药学报，2014，37(4):1-8)。然而，纳米铝热剂也存在一些不足，如易团聚、铝活性含量不高、静电感度高、铝热反应不充分等。因此，提出新策略进一步强化铝热剂的性能，实现高能量密度和高静电安全性的集成统一，具有重要的现实意义。

同时，铝热剂的配方组成、形貌结构亦会影响其性能输出，其也依赖于制备技术的发展。目前，铝热剂主要的制备技术包括物理混合法、溶胶-凝胶胶法、物理气相沉积法、喷雾热解法、抑制反应球磨法和自组装法等(郑保辉，王平胜，罗观等，材料导报A:综述篇，2014,28(2):7-11)。这些制备方法各有优缺点，比如物理混合法工艺简单、成本低，但对于粒径小的铝热剂其混合均匀性有待提高。而溶胶-凝胶法和自组装法可以较好地控制粒子的组成和形貌，但往往涉及的工艺条件和设备复杂，不利于工艺放大。为了更好地满足铝热剂对高性能、易于规模化生产等方面的需求，积极开发新型铝热剂及其制备技术具有重要意义。

现有铝热剂存在无法同时兼具高能量密度和低静电感度这一主要缺点，因此，开发出一种既具有高能量密度又具有低静电感度的新型铝热剂成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有铝热剂无法同时兼具高能量密度和低静电感度的问题，而提供一种具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂及其制备方法和应用。本发明提供的铝热剂的放热峰温为695℃～718℃，放热量为2211J/g～2446J/g，静电感度为3380mJ～4860mJ，很好实现了既满足高能量密度又具有低静电感度的优点，其综合性能超越了已经公开的铝热剂体系。

本发明的目的之一是提供一种核壳结构铝基铝热剂，所述铝热剂具有以液态金属改性金属铝作为内核，以氧化剂作为外壳的核壳结构，其中，所述液态金属为镓铟锡三元液态金属，液态金属中镓、铟和锡的质量百分比为68.5％:21.5％:10％，所述液态金属占金属铝的质量百分比为1％～10％，所述金属铝与氧化剂的摩尔比为0.5:1～1:1。

作为优选的，所述氧化剂包括氧化铜、氧化铁或氧化镍中任意一种。

本发明的另外一个目的在于提供制备上述具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)按照质量百分比，将镓、铟、锡三种单质金属置于反应容器中，升温搅拌使其融化；

(2)向步骤(1)所得物中滴加碱液洗涤，随后分离获得镓铟锡液态金属；

(3)将步骤(2)所得物加入到溶剂中搅拌，随后加入铝粉反应，反应结束后，加入氧化剂进行反应；

(4)反应完毕后，过滤，对固相进行洗涤、干燥得到所述具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。

进一步的是，步骤(1)中升温至70℃搅拌反应0.5h。

进一步的是，步骤(2)中，所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂水溶液中的任意一种。

进一步的是，步骤(2)中，所述碱液的浓度为1mol·L

进一步的是，步骤(3)中，所述溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷、苯、甲苯或二甲苯中的任意一种。

进一步的是，步骤(3)中，所述加入铝粉反应的时间为48h。

进一步的是，步骤(3)中，所述加入氧化剂进行反应的时间为12h。

本发明的另外一个目的在于提供上述具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂在含能材料领域的应用。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供了一种具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂，所得的铝热剂的放热峰温为695℃～718℃，放热量为2211J/g～2446J/g，静电感度为3380mJ～4860mJ，其综合性能优异，实现了既具有高能量密度和低静电感度；

(2)本发明提供的铝热剂制备方法简单，便于操作、易于工业化生产。

附图说明

图l为本发明实施例3-5中对应具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂的X射线衍射图谱。

图2为本发明实施例3-5中对应具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂的热分析曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

将0.685g镓、0.215g铟和0.1g锡置于反应器中，升温至70℃搅拌反应0.5h使其完全融化，反应结束后，加入20mL 1mol·L

实施例2

将0.548g镓、0.172g铟和0.08g锡置于反应器中，升温至70℃搅拌反应0.5h使其完全融化，反应结束后，加入20mL 1mol·L

实施例3

将0.06g实施例1所得液态金属分散在25mL正己烷中，随后加入1.94g铝粉，反应48h，反应结束后，加入氧化铁(铝粉与氧化铁的摩尔比为0.5:1)，继续搅拌反应12h，经过滤、洗涤和干燥得具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。

实施例4

将0.1g实施例2所得液态金属分散在25mL环己烷中，随后加入1.94g铝粉，反应48h，反应结束后，加入氧化铁(铝粉与氧化铁的摩尔比为1:1)，继续搅拌反应12h，经过滤、洗涤和干燥得具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。

实施例5

将0.2g实施例2所得液态金属分散在25mL甲苯中，随后加入1.8g铝粉，反应48h，反应结束后，加入氧化铁(铝粉与氧化铁的摩尔比为0.8:1)，继续搅拌反应12h，经过滤、洗涤和干燥得具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂。

对比例1

按照实施例1的方法，将镓、铟和锡的质量百分比调整为70％:20％:10％，然后按照实施例3的方法，将铝粉与氧化铁的摩尔比调整为2:1，制备铝热剂。

对比例2

按照实施例2的方法，将镓、铟和锡的质量百分比调整为60％:20％:20％，然后按照实施例4制备铝热剂。

实验例1

将实施例3-5所得具有核壳结构的液态金属改性铝基铝热剂进行表征，得到其X射线衍射图谱如图1，热分析曲线如图2。

实验例2

将实施例3-5和对比例1-2所得铝热剂进行性能测试，利用DSC测试其放热峰温和，并利用静电感度仪测试静电感度。DSC测试方法：在25℃～1000℃温度范围内，8mg～10mg的样品量，以10K·min

实施例3所得铝热剂的放热峰温为695℃，放热量为2211J/g，静电感度为3380mJ；实施例4所得铝热剂的放热峰温为718℃，放热量为2446J/g，静电感度为4860mJ；实施例5所得铝热剂的放热峰温为705℃，放热量为2357J/g，静电感度为4251mJ；对比例1所得铝热剂的放热峰温为548℃，放热量为1846J/g，静电感度为5679mJ；对比例2所得铝热剂的放热峰温为603，放热量为1998J/g，静电感度为5800mJ。