一种沉积钴化合物的硼燃料及沉淀沉积法制备方法

技术领域

本发明属于高能固体推进剂技术领域，涉及硼燃料，具体涉及一种沉积钴化合物的硼燃料及沉淀沉积法制备方法。

背景技术

硼粉是一种高能量密度的固体燃料，最有望成为替代固体推进剂中的铝粉燃料。然而，由于硼粉在氧化过程中表面生成氧化硼(B

近年来，有研究表明，一些具有特殊性质的金属氧化物可以对硼粉的点火和燃烧性能产生积极的影响。而如何将金属氧化物均匀负载到硼粉表面，增加硼粉与金属氧化物的有效接触，进而改善硼粉的点火和燃烧性能成为当前的研究热点。目前的主要负载方法集中在简单的机械物理共混和溶液超声复合，虽然可以起到一定的改善作用，但是以上方法可控性差，往往需要添加大量的金属氧化物才能够起到一定的积极效果。然而，过量惰性金属氧化物的添加会严重影响硼粉的能量密度，限制硼燃料在含能材料体系中的应用。因此迫切需要开发一些制备过程简单，效率高，可精确控制金属氧化物负载量，具有批量化制备前景的化学方法来改善硼粉的点火和燃烧性能，推进其在火炸药领域的应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种沉积钴化合物的硼燃料及沉淀沉积法制备方法，解决现有技术中的硼燃料的点火和燃烧性能有待进一步改善的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种沉积钴化合物的硼燃料的沉淀沉积法制备方法，该方法采用沉淀沉积法在硼粉表面沉积钴化合物，形成沉积钴化合物的硼燃料；

所述的沉淀沉积法是以钴盐为钴源，以碱性溶液为沉淀剂，在硼粉表面进行沉淀，得到沉淀中间产物，将沉淀中间产物进行煅烧沉积，最终得到沉积钴化合物的硼燃料；

所述的沉积钴化合物的硼燃料中的钴化合物的含量为0.1wt.％～10wt.％。

本发明还具有如下技术特征：

所述的沉积钴化合物的硼燃料中的钴化合物的含量为1wt.％～10wt.％。

所述的钴盐为CoCl

所述的钴化合物包括钴的氧化物、钴的氢氧化物、钴的氮氧化物和钴的氮氢氧化物中的一种及以上组合。

该方法具体包括以下步骤：

步骤一，反应容器中加入硼粉，然后加入去离子水，并加入磁子超声持续搅拌；

步骤二，量取钴源水溶液并加入反应容器中，充分搅拌；

步骤三，然后加入沉淀剂调节溶液pH值为7～8，然后将反应温度调节至50～100℃范围内，并持续搅拌6～12h进行反应，得到沉淀中间产物；

步骤四，离心收集沉淀中间产物，并用去离子水洗涤数次直到上清液中检测不到钴源对应的阴离子，最后将沉淀中间产物在烘箱中干燥后在60～80℃的条件下进行煅烧沉积，得到沉积钴化合物的硼燃料。

本发明还保护一种沉积钴化合物的硼燃料，在硼粉表面沉积钴化合物，形成沉积钴化合物的硼燃料，所述的沉积钴化合物的硼燃料中的钴化合物的含量为0.1wt.％～10wt.％。

优选的，所述的沉积钴化合物的硼燃料中的钴化合物的含量为1wt.％～10wt.％。

进一步优选的，所述的沉积钴化合物的硼燃料中的钴化合物的含量为3.5wt.％～7wt.％。

优选的，所述的钴化合物包括钴的氧化物、钴的氢氧化物、钴的氮氧化物和钴的氮氢氧化物中的一种及以上组合。

优选的，所述的沉积钴化合物的硼燃料采用如上所述的沉积钴化合物的硼燃料的沉淀沉积法制备方法制得。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明采用的沉淀沉积法的制备方法可实现极少量钴化合物在硼粉颗粒表面的均匀沉积，可根据实际需求精确调控钴化合物的负载量，可在不影响硼粉燃料能量密度的前提下有效改善硼粉的点火和燃烧性能，具有很好的应用前景。

(Ⅱ)本发明采用的沉淀沉积法的制备方法为液相化学制备方法，相比于目前的物理法，制备过程精确可控，活性组分负载效率高，过程简单，易于实现批量化制备，在硼粉表面改性领域具有诱人的应用价值。

(Ⅲ)本发明的沉积钴化合物的硼燃料具有高催化活性的高能量密度，本发明的沉积钴化合物的硼燃料的氧化放热峰温相较纯硼粉显著的提前，沉积钴化合物的硼燃料的氧化放热峰温提前到638～517℃，相比于纯硼粉提前了39～160℃；沉积钴化合物的硼燃料点火性能较纯硼粉获得显著改善，沉积钴化合物的硼燃料的激光点火延迟时间缩短至52～37ms，相比于纯硼粉缩短了15ms以上。

(Ⅳ)本发明的制备方法控制精度高，易于实现工业化，在高能固体燃料改性领域展现出良好的应用前景。

附图说明

图1为基于沉淀沉积法(以NaOH溶液为沉淀剂)制备的7wt.％-CoOx/B样品的SEM和Mapping(B,O,Co元素分布)图片。

图2为基于沉淀沉积法(以NaOH溶液为沉淀剂)制备的7wt.％-CoOx/B样品的XPS数据图：(A)B 1s；(B)Co 2p；(C)O 1s。

图3为硼粉和基于沉淀沉积法(以NaOH溶液为沉淀剂)制备的CoO

图4为硼粉和基于沉淀沉积法(以NaOH溶液为沉淀剂)制备的CoO

图5为硼粉和基于沉淀沉积法(以氨水溶液为沉淀剂)制备的CoO

图6为硼粉和基于沉淀沉积法(以氨水溶液为沉淀剂)制备的CoO

图7为硼粉和基于沉淀沉积法(以NaOH溶液为沉淀剂)制备的CoO

图8为硼粉和基于沉淀沉积法(以氨水溶液为沉淀剂)制备的CoO

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

需要说明的是，本发明中的所有材料和设备，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的材料和设备。

钴系金属氧化物由于其卓越的结构性能、丰富的自然储备量、低成本和环境友好性，近年来作为燃烧催化剂在含能材料热分解中受到越来越多的关注。钴氧化物在催化铝粉燃烧过程中可产生积极作用，主要原因是由于这类材料作为催化剂能够提供更多的反应活性位点，加快传质传热过程，进而提升铝粉的燃烧性能。因此，本发明采用钴化合物对硼粉进行表面改性，在硼粉表面构建高度分散且精确可控的活性界面结构也能够对硼粉的点火和燃烧性能起到积极的促进作用。本发明的沉积钴化合物的硼燃料具有更低的氧化放热峰温和更短的激光点火延迟时间，显著改善了硼粉的点火和燃烧性能，具有较大的应用潜力。

本发明中：

硼粉为无定型硼粉和/或晶体硼粉，所述的硼粉粒径分布为微米级至纳米级。

钴的氧化物，即CoO

钴的氢氧化物，包括Co(OH)

钴的氮氧化物，包括Co(NO

钴的氮氢氧化物，包括二价钴与氨水的络合物Co(NH

本发明中，CoO

本发明的制备方法为基于采用沉淀沉积法的一种提高硼粉反应活性的方法及燃料，沉积钴化合物的硼燃料是采用以上液相化学合成手段将钴化合物均匀负载在硼粉表面，形成活性界面结构使钴化合物与硼粉的有效接触面积加大，充分发挥钴化合物在硼粉燃烧过程中的催化效果，从而降低氧化放热峰温和缩短点火延迟时间，改善了硼粉的点火和燃烧性能。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种沉积钴化合物的硼燃料的沉淀沉积法制备方法，该方法采用沉淀沉积法在硼粉表面沉积钴化合物，形成沉积钴化合物的硼燃料；

沉淀沉积法是以钴盐为钴源，以碱性溶液为沉淀剂，在硼粉表面进行沉淀，得到沉淀中间产物，将沉淀中间产物进行煅烧沉积，最终得到沉积钴化合物的硼燃料；

本实施例中，钴盐为CoCl

本实施例中，以已配置的0.1mol/L的CoCl

CoCl

本实施例的方法具体包括以下步骤：

步骤一，250ml的锥形瓶中中加入1g的硼粉，然后加入60ml去离子水，并加入磁子超声持续搅拌5min；

步骤二，用移液枪移取0.1mol/L的CoCl

步骤三，用浓度为0.5mol/L的NaOH溶液调节上述溶液的pH值为7～8，然后将反应温度调节至50℃范围内，并持续搅拌12h进行反应，得到沉淀中间产物；

步骤四，离心收集沉淀中间产物，并用去离子水洗涤数次直到上清液中用AgNO

本实施例制得的沉积钴化合物的硼燃料中的钴化合物的含量为1wt.％、3.5wt.％、7wt.％和10wt.％，其中钴化合物为钴的氧化物，即本实施例制得CoO

实施例2：

本实施例给出一种沉积钴化合物的硼燃料的沉淀沉积法制备方法，该方法采用沉淀沉积法在硼粉表面沉积钴化合物，形成沉积钴化合物的硼燃料；

沉淀沉积法是以钴盐为钴源，以碱性溶液为沉淀剂，在硼粉表面进行沉淀，得到沉淀中间产物，将沉淀中间产物进行煅烧沉积，最终得到沉积钴化合物的硼燃料；

本实施例中，钴盐为CoCl

本实施例中，以已配置的0.1mol/L的CoCl

CoCl

本实施例的方法具体包括以下步骤：

步骤一，250ml的锥形瓶中中加入1g的硼粉，然后加入60ml去离子水，并加入磁子超声持续搅拌5min；

步骤二，用移液枪移取0.1mol/L的CoCl

步骤三，用浓度为0.2mol/L的氨水溶液调节上述溶液的pH值为7～8，然后将反应温度调节至100℃范围内，并持续搅拌6h进行反应，得到沉淀中间产物；

步骤四，离心收集沉淀中间产物，并用去离子水洗涤数次直到上清液中用AgNO

本实施例制得的沉积钴化合物的硼燃料中的钴化合物的含量为1wt.％、3.5wt.％、7wt.％和10wt.％，其中钴化合物为钴的氧化物，即本实施例制得CoO

图1为基于沉淀沉积法(以NaOH溶液为沉淀剂)制备的7wt.％-CoO

图2为基于沉淀沉积法(以NaOH溶液为沉淀剂)制备的7wt.％-CoO

实施例3：

本实施例给出硼粉和CoO

具体的，取适量的硼粉和CoO

b-7wt.％-CoO

表1显示了本发明硼粉负载氧化铋复合物的燃烧性能。

表1硼粉与CoO

图3为采用沉淀沉积法a制备的CoO

图4为采用沉淀沉积法a制备的CoO

图5为采用沉淀沉积法b方法制备的CoO

b-7wt.％-CoOx/B的放热峰对应的温度为521℃；b-10wt.％-CoOx/B的放热峰对应的温度为517℃；相较于纯硼粉，CoO

图6为采用沉淀沉积法b方法制备的CoOx/B复合物和纯硼粉的TG数据图；其中Blank B为纯硼粉；b1为b-1wt.％-CoOx/B；b2为b-3.5wt.％-CoOx/B；b3为b-7wt.％-CoOx/B；b4为b-10wt.％-CoOx/B。同样可以看出纯硼粉的起始增重温度明显高于CoOx/B复合物的起始增重温度，此TG数据与图5中的DSC数据相一致。

实施例4：

本实施例给出硼粉和CoOx/B复合物点火性能的测试，点火性能的测试方法为：取适量的沉积钴化合物的硼燃料样品于激光点火仪器的样品槽中，仪器参数为频率Hz：1000；占空比(1-40％)：3；脉冲数：1000；脉冲串出光；功率：40W；脉冲能量：40mJ；脉宽：30μs。

具体的，取适量的硼粉或CoO

图7为采用沉淀沉积法a制备CoOx/B复合物和硼粉的点火延迟时间数据图；其中Blank B为纯硼粉；a1为a-3.5wt.％-CoOx/B；a2为a-7wt.％-CoOx/B。发现此种方法制备的CoOx/B复合物即使在较低的CoOx含量下也能显著缩短硼粉的点火延迟时间。

图8为采用沉淀沉积法b制备CoOx/B复合物和硼粉的点火延迟时间数据图；其中Blank B为纯硼粉；b1为b-1wt.％-CoO

从上述性能测试可知，与现有技术相比，本发明制备的沉积钴化合物的硼燃料具有钴化合物活性物种在硼颗粒表面高度分散、环境绿色友好、点火和燃烧性能优异等优点。本发明所采用的液相化学制备方法，相比于目前的物理法，制备过程精确可控，活性组分负载效率高，过程简单，易于实现批量化制备，在硼粉表面改性领域具有诱人的应用价值。