一种Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料的制备方法及应用

技术领域

本发明属于含能材料制备领域，具体涉及一种Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料的制备方法及应用，可有效提高Al粉的能量释放速率。

背景技术

铝热剂由铝与金属或非金属氧化物混合制备而成，这类高能量密度含能材料通常都具有较高的反应性和能量释放速率。铝热剂作为一种新型含能材料，已成为国防科技领域的研究热点，其中如何制备性能良好的铝热剂是该研究领域的一个关键问题。纳米铝热剂的制备已有大量报道，然而纳米铝粉存在活性铝含量低，工艺性能不佳等问题，极大地限制了在固体推进剂中的应用。从应用角度，含微米铝粉的铝热剂更为重要。含氟聚合物作为一种氧化剂，已被证明可以显著提高Al粉的燃烧效率。同时，可以作为一种黏合剂参与构成铝热剂。聚偏二氟乙烯(PVDF)虽然含氟量较低，但是易在一些极性溶剂中溶解且熔点低，有利于铝热剂的制备和燃烧性能的改善。静电喷雾技术是一种简便的制备和组装铝热剂的方法，利用静电场力将液体溶液分散、破碎呈微小液滴，并通过在运动轨迹中的溶剂蒸发过程，在接收板上获得单分散的粉末样品。

发明内容

本发明的目的是提供一种Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料的制备方法及应用，本方法所制备的多壳层结构复合含能材料可显著提高Al粉的释能速率。

为实现上述技术任务，本发明采取的技术方案予以实现：

一种Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料的制备方法，包括：二甲基甲酰胺溶解PVDF，并与分散于丙酮中的Al粉混合，获得Al-PVDF溶液；配置金属/非金属氧化物的丙酮分散溶液；采用同轴静电喷雾技术，Al-PVDF溶液作为主针筒反应体系，金属/非金属氧化物的丙酮分散溶液为副针筒反应体系，通过高压静电场作用力，在接收板处形成Al/PVDF/MOx多壳层结构含能复合材料。

可选的，所述Al粉的尺寸为300nm～40um，形成的Al/PVDF/MOx多壳层结构含能复合材料的尺寸为400nm～50um。

可选的，所述的Al粉和PVDF的质量比为(10～30):1。

可选的，所用高压静电场的电压为18～23kV，推料速率为主泵：副泵＝1:

(1～3)。

可选的，所述的金属氧化物为Fe

一种Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料的制备方法，具体包括：

(1)3ml二甲基甲酰胺与20～30mgPVDF混合，获得PVDF溶液；300～500mgAl

粉加入15ml丙酮，分散形成Al粉丙酮悬浊液；PVDF溶液与Al粉丙酮悬浊液混匀获得Al-PVDF溶液；

(2)15ml丙酮中加入10～20mg Fe

(3)采用同轴静电喷雾技术，Al-PVDF溶液作为主针筒反应体系，Fe

可选的，所用高压静电场的电压为18～23kV，推料速率为主泵：副泵＝1:

(1～3)。

可选的，所述Al粉的尺寸为300nm～40um，形成的Al/PVDF/MOx多壳层结构含能复合材料的尺寸为400nm～50um。

可选的，一种Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料，所述的含能材料为本发明任一所述的Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料的制备方法制备得到。

本发明所述的Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料用于制备固体推进剂燃料的应用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点与积极技术效果：

(1)通过静电喷雾技术所制备含能复合材料的尺寸为微米尺寸，使用的Al粉为微米尺寸，与现有普遍使用纳米铝粉来静电喷雾制备含能复合材料相比，本发明具有巨大优势，因为纳米铝粉活性铝含量较低且容易与空气中水氧进一步反映，阻碍了含纳米铝粉复合含能材料在推进剂中的应用，而本发明中使用的微米铝粉早已在各型号推进剂中应用，不存在类似问题。

(2)本发明中静电喷雾过程使用的是同轴针头，该类针头的针筒部分中内核材料与外壳材料各自独立，只在针尖处进行反应前驱体的混合，鉴于针尖处微量的反应溶液，可有效降低制备过程中的安全风险，避免由于大量含能氧化剂与还原剂的混合造成潜在的燃烧和爆炸事故。

(3)本发明中复合含能材料的MOx层可以为任意种类的纳米尺寸金属氧化物或者其它类型化剂材料，对于MOx层的材料没有溶解性的限制，合成得到的Al/PVDF/MOx多壳层结构复合物可作为固体推进剂燃料，双壳层结构的制备过程于常温进行，制备方法安全可靠且成熟，适用于大规模生产。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为Al球的SEM图；

图2为Fe2O3纳米片的SEM图；

图3为本发明中制备的Al/PVDF/Fe2O3多壳层结构复合含能材料的SEM图；

图4为本发明中的Al/PVDF/Fe2O3多壳层结构复合含能材料单个颗粒的表面形貌结构SEM图；

图5为本发明中的Al/PVDF/Fe2O3多壳层结构复合含能材料的EDS元素分布图；

图6为本发明中的Al/PVDF/Fe2O3多壳层结构复合含能材料的EDS能谱图；

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

本发明使用的同轴静电喷雾技术为使用同轴针头在高压静电场中进行喷雾造粒的制备技术，产物为微米尺寸球形颗粒。

本发明提供了Al/PVDF/MOx多壳层结构复合含能材料的制备方法及应用。通过在Al球表面包覆PVDF层能够有效提高Al的燃烧效率，而Fe

该制备方法的总体技术构思如下：

使用有机溶剂二甲基甲酰胺(DMF)溶解PVDF，并与分散于丙酮溶剂中的Al粉搅拌混合；同时，配置金属/非金属氧化物的丙酮分散溶液。采用同轴静电喷雾技术，将Al-PVDF溶液作为主针筒反应体系，金属/非金属氧化物的丙酮分散溶液为副针筒反应体系，通过高压静电场作用力，在接收板处形成Al/PVDF/MOx多壳层结构含能复合材料。该复合物由内到外，包括内核，包裹内核的第一壳层，包裹第一壳层的第二壳层；所述的内核为Al球，所述的第一壳层为PVDF层，所述的第二壳层为MOx层；所述的聚合物层为聚偏二氟乙烯(Polyvinylidenedifluoride，PVDF)形成的材料层，MOx层为金属氧化物层，可为Fe

具体包括：使用二甲基甲酰胺溶解PVDF，并与分散于丙酮中的Al粉混合，获得Al-PVDF溶液；配置金属/非金属氧化物的丙酮分散溶液；采用同轴静电喷雾技术，将Al-PVDF溶液作为主针筒反应体系，金属/非金属氧化物的丙酮分散溶液为副针筒反应体系，通过高压静电场作用力，在接收板处形成Al/PVDF/MOx多壳层结构含能复合材料。

Al粉的尺寸为300nm～40um，形成的Al/PVDF/MOx多壳层结构含能复合材料的尺寸为400nm～50um。

Al粉和PVDF的质量比为(10～30):1。

所用高压静电场的电压为18～23kV，推料速率为主泵：副泵＝1:(1～3)。

为实现上述目的，本发明提供的Al/PVDF/Fe

(1)取1mlDMF有机溶剂，并加入10mgPVDF，搅拌20分钟，获得PVDF溶液。取300mgAl加入15ml丙酮，搅拌分散。将PVDF溶液与Al粉丙酮悬浊液搅拌混合24h。

(2)配置金属/非金属氧化物的丙酮分散溶液：取15ml丙酮，加入20mg Fe

(3)采用同轴静电喷雾技术，将Al-PVDF溶液作为主针筒反应体系，Fe

实施例1：

(1)配置Al/PVDF悬浊液

首先，取20mgPVDF粉末加入3ml DMF，搅拌20min；如图1所示为Al球的SEM形貌图，取300mg Al粉(13μm)加入15ml丙酮，超声10min后进行磁力搅拌；将PVDF溶液加入Al粉的丙酮分散液，并搅拌混合24h。

(2)配置Fe

图2为Fe

(2)Al/PVDF/Fe

首先，取10mlAl/PVDF悬浊液载入10ml主泵注射器中，再将10mlFe

实施例2：

(1)配置Al/PVDF悬浊液

首先，取30mgPVDF粉末加入3ml DMF，搅拌20min；另取500mg Al粉(30μm)加入15ml丙酮，超声10min后进行磁力搅拌；将PVDF溶液加入Al粉的丙酮分散液，并搅拌混合24h。

(2)配置Fe

取20mgFe

(2)Al/PVDF/Fe

首先，取10mlAl/PVDF悬浊液载入10ml主泵注射器中，再将10mlFe

实施例3：

(1)配置Al/PVDF悬浊液

首先，取30mgPVDF粉末加入3ml DMF，搅拌20min；另取500mg Al粉(13μm)加入15ml丙酮，超声10min后进行磁力搅拌；将PVDF溶液加入Al粉的丙酮分散液，并搅拌混合24h。

(2)配置SiO

取20mgSiO

(2)Al/PVDF/SiO

首先，取10mlAl/PVDF悬浊液载入10ml主泵注射器中，再将10mlSiO

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。