CN111774579A - 一种Al/Ni复合粒子及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al/Ni复合粒子制备方法。该方法具体为：将纳米或微米铝粉、镍盐、乙醇经混合形成悬浮液，将氢氧化钠、乙醇经混合形成透明溶液；在所需环境温度、pH值条件下，将氢氧化钠溶液滴加到悬浮液中，氢氧化钠与铝粉表面的氧化铝发生反应，使得铝粉内部的铝核暴露出来，之后裸露的铝核与镍离子发生置换反应，反应生成的纳米镍颗粒沉积在铝粉表面，经抽滤、真空干燥，最终获得具有核壳结构的Al/Ni复合粒子。本发明的制备方法在制备过程中，对环境污染小，工艺简单且成本低。

Description

一种Al/Ni复合粒子及其制备方法
技术领域
本发明属于微纳米含能材料技术领域，提供了一种Al/Ni复合粒子及其制备方法。
背景技术
微纳米铝粉是当前含能材料领域最常用的高活性金属粉之一，对于发展研制高性能武器弹药具有极其重要的意义。小颗粒铝粉尤其是对纳米铝粉而言，极易与氧气、水等反应，生成致密且化学稳定的化合物Al2O3，妨碍了剩余活性铝与氧化剂的反应，极大的限制了其能量释放效率；同时铝粉在燃烧时经常发生团聚、烧结现象，生成更大的颗粒，使得铝粉活性降低、反应不完全。例如对于平均粒径80nm的铝粉颗粒来说，其活性铝含量仅为75％左右，化学惰性的Al2O3质量占比极高，团聚体、烧结体的平均尺寸能达到3μm～6μm之间，这都使得铝粉的纳米效应优势丧失殆尽，高反应活性、高反应速率等特性无法最大限度的发挥出来。
研究发现，纳米镍颗粒作为铝粉的包覆材料，对于改善铝粉的反应特性具有多方面的优势。首先，相对于铝来说，镍在自然状态下具有较低的反应活性，不易于与氧气或水发生化学反应，因此使用一定厚度的镍包覆层取代铝粉表面的氧化铝，可以在很大程度上防止铝粉核芯被氧化，同时改善纳米铝粉的分散性；其次，镍在一定条件下也会发生氧化还原反应，用镍取代Al2O3使得铝粉体系由Al/Al2O3改变为Al/Ni/Al2O3，体系总活性物质含量有所提高；此外，另有文献报道，在铝粉表面包覆上镍还可以改善纳米铝粉的点火性能、燃烧性能，进一步提高纳米铝粉的能量释放效率。
目前制备镍包覆铝粉的方法主要有气相沉积法与化学镀法，专利CN201210180759.3(申请日2012年6月5日，公开日2012年10月10日)公开了一种气相沉积法制备镍包覆微米铝粉的方法，铝粉颗粒在流化床反应器内与流化床反应器下侧部喷嘴喷入的羰基镍蒸汽/一氧化碳混合气体形成逆流，在逆流过程中，羰基镍气体在铝粉表面热分解生成金属镍，金属镍沉积在铝粉表面，从而实现对微米铝粉的包覆。该方法工艺参数复杂，制备过程并非常温常压条件，存在一定的安全隐患，设备成本高，且对设备的各方面性能提出了苛刻的要求。专利CN201310359074.X(申请日2013年8月16日，公开日2013年12月11日)介绍了一种化学镀法制备镍包覆微米铝粉的方法，先将铝粉用NaOH水溶液进行碱洗，接着将碱洗过的铝粉加入到硫酸镍与柠檬酸组成的第一主盐液中并加入表面活性剂，之后向镀液中匀速滴加NH4F溶液，引发置换反应，最后用第二主盐溶液、次亚磷酸钠溶液、氨水、硫酸铵溶液等对上述镀液进行再处理，抽滤后用水和无水乙醇多次交替清洗，再真空烘干得到最终产品。该方法工艺流程较为复杂，分两步对铝粉进行包覆镀镍处理，每一个镀镍过程均会留下较多化学废液，造成原料的浪费，最后进行处理时用到了较多氨水，对环境也会造成较严重污染；此外整个镀镍过程均采用水溶液环境，未考虑到铝粉与水发生氧化还原反应，造成大量活性铝损失。专利CN200710056768.0(申请日2007年2月9日，公开日2008年8月13日)公开了一种在纳米铝粉上进行镍包覆的方法，将纳米铝粉加入乙二醇二甲醚液体中，并通过搅拌使其分散均匀；将乙酰丙酮镍加入乙二醇二甲醚液体中，并通过搅拌使其完全溶解，形成均匀混合的液体；将上述两种液体混合，使乙酰丙酮镍在乙二醇二甲醚液体中自发吸附于纳米铝粉上；将完成吸附的纳米铝粉通过自然挥发干燥后取出，制得核壳结构镍包覆纳米铝粉。该方法全程使用挥发性较强的有机溶剂，为获得最终产物，所有的有机溶剂最终均经挥发排放到大气环境中，造成了环境的污染，同时大量有机溶剂的使用也使得制备成本较高，此外乙二醇二甲醚具有易燃易爆的特性与较强毒性，增加了制备样品过程中发生危险事故的概率。
总结上述镍包覆微纳米铝粉制备方法研究发现，现有的制备方法不够简单便捷，不够绿色安全，且经济成本较高，不适合大规模的应用生产以制备Al/Ni复合粒子。
发明内容
本发明的目的是提供一种Al/Ni复合粒子及其制备方法，以防止铝粉在空气中氧化失活，同时降低铝粉的点火延迟，提高铝粉的燃烧反应速率，解决铝粉能量释放不完全等问题。
实现本发明目的的技术方案为：
一种Al/Ni复合粒子，由3.6％～14.8％质量分数的镍、68.7％～96.0％质量分数的活性铝以及0.4％～16.5％质量分数的氧化铝构成。
进一步的，复合粒子为核壳结构，纳米铝粉为核，镍包覆在纳米铝粉表面。
上述Al/Ni复合粒子的制备方法，包括以下步骤：(1)称量氢氧化钠，将其加入到无水乙醇中，形成透明溶液；(2)称取铝粉、镍盐，将其加入到无水乙醇中，然后超声分散30min，形成均匀悬浮液；(3)将步骤(1)与步骤(2)中配置的透明溶液与悬浮液转移到恒温水浴锅中，设定水浴温度为35℃～45℃，使得透明溶液与悬浮液温度均达到设定温度；(4)将步骤(1)配置的透明溶液滴加到步骤(2)配置的悬浮液中，滴加过程中剧烈搅拌悬浮液，控制总反应时间为5min～10min；(5)反应结束后进行抽滤、真空干燥，收集复合粒子。
本发明相对于现有技术相比，具有显著优点如下：1.Al/Ni复合粒子在自然环境具有良好的耐腐蚀性，可长期保持纳米铝粉中活性铝含量，防止活性铝被氧化；2.Al/Ni复合粒子在空气气氛下被点火丝点燃，燃烧速度快，50mg样品摆放为锥形总燃烧时间仅450ms左右。
附图说明
图1为Al/Ni复合粒子的100nm透射电镜图。
图2为Al/Ni复合粒子的500nm的扫描电镜图。
图3为Al/Ni复合粒子在空气气氛下的燃烧过程的高速录像图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1
称取1.0g纳米铝粉，量取40mL无水乙醇，配置成悬浮液；称取0.5g六水合氯化镍，量取50mL无水乙醇，配置成透明溶液；将上述悬浮液加入到透明溶液中搅拌形成混合浊液；称取0.12g氢氧化钠，量取15.0mL无水乙醇，配置氢氧化钠乙醇溶液；在40℃环境中将氢氧化钠乙醇溶液滴加到混合浊液中，剧烈搅拌10min，抽滤后50℃真空烘干得到最终产物。发现Al/Ni复合粒子具有良好分散性，50mg样品摆放为锥体总燃烧时间仅471ms，同规格的纳米铝粉在相同条件下未被点燃。
实施例2
称取0.5g纳米铝粉，量取20mL无水乙醇，配置成悬浮液；称取0.25g硫酸镍，量取25mL无水乙醇，配置成透明溶液；将上述悬浮液加入到透明溶液中搅拌形成混合浊液；称取0.06g氢氧化钠，量取7.5mL无水乙醇，配置氢氧化钠乙醇溶液；在25℃环境中将氢氧化钠乙醇溶液滴加到混合浊液中，剧烈搅拌10min，抽滤后50℃真空烘干得到最终产物。发现低温条件下制备的Al/Ni复合粒子，50mg样品摆放为锥体总燃烧时间为753ms。
实施例3
称取1.0g纳米铝粉，量取40mL无水乙醇，配置成悬浮液；称取0.5g六水合氯化镍，量取50mL无水乙醇，配置成透明溶液；将上述悬浮液加入到透明溶液中搅拌形成混合浊液；称取0.12g氢氧化钠，量取15.0mL无水乙醇，配置氢氧化钠乙醇溶液；在55℃环境中将氢氧化钠乙醇溶液滴加到混合浊液中，剧烈搅拌10min，抽滤后50℃真空烘干得到最终产物。发现高温条件下制备的Al/Ni复合粒子，50mg样品摆放为锥体总燃烧时间为697ms。
实施例4
称取0.5g纳米铝粉，量取20mL无水乙醇，配置成悬浮液；称取0.25g硫酸镍，量取25mL无水乙醇，配置成透明溶液；将上述悬浮液加入到透明溶液中搅拌形成混合浊液；称取0.2g氢氧化钠，量取7.5mL无水乙醇，配置氢氧化钠乙醇溶液；在40℃环境中将氢氧化钠乙醇溶液滴加到混合浊液中，剧烈搅拌10min，抽滤后50℃真空烘干得到最终产物。发现氢氧化钠含量较高条件下制备的Al/Ni复合粒子，50mg样品摆放为锥体在相同实验条件下未被点燃。
实施例5
称取1.0g纳米铝粉，量取40mL无水乙醇，配置成悬浮液；称取0.8g六水合氯化镍，量取50mL无水乙醇，配置成透明溶液；将上述悬浮液加入到透明溶液中搅拌形成混合浊液；称取0.12g氢氧化钠，量取15.0mL无水乙醇，配置氢氧化钠乙醇溶液；在40℃环境中将氢氧化钠乙醇溶液滴加到混合浊液中，剧烈搅拌10min，抽滤后50℃真空烘干得到最终产物。发现镍盐含量较高条件下制备的Al/Ni复合粒子，50mg样品摆放为锥体总燃烧时间为766ms。
如图1为Al/Ni复合粒子的透射电镜图，图中可看出复合粒子具有典型的核壳结构。
如图2为Al/Ni复合粒子的扫描电镜照片，图中可以看出复合粒子具有良好的微观形貌。
如图3为以2000帧/秒的拍摄速率拍摄的Al/Ni复合粒子在空气气氛下的燃烧过程高速录像，图中可以看出复合粒子具有良好的燃烧性能，具有快速的燃烧速率。
总结上述实施例发现，本发明通过控制条件：35℃～45℃的环境温度，1:50～1:5的氢氧化钠与铝粉质量比，1:10～1:2的镍盐与铝粉质量比，为Al/Ni复合粒子制备的合理条件，改变环境温度与氢氧化钠/铝粉/镍盐质量比例，均会导致最终制备的复合粒子燃烧性能变差，体现为50mg锥体样品燃烧时间变长。

Claims (6)

1.一种Al/Ni复合粒子，其特征在于：该复合粒子由3.6％～14.8％质量分数的镍、68.7％～96.0％质量分数的活性铝以及0.4％～16.5％质量分数的氧化铝构成。
2.根据权利要求1所述的Al/Ni复合粒子，其特征在于：复合粒子为核壳结构，微纳米铝粉为核，镍包覆在铝粉表面。
3.一种根据权利要求1-2任一项所述的的Al/Ni复合粒子的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)称量氢氧化钠，将其加入到无水乙醇中，形成透明溶液；(2)称取铝粉、镍盐，将其加入到无水乙醇中，然后超声分散30min，形成均匀悬浮液；(3)将步骤(1)与步骤(2)中配置的透明溶液与悬浮液转移到恒温水浴锅中，设定水浴温度为35℃～45℃，使得透明溶液与悬浮液温度均达到设定温度；(4)将步骤(1)配置的透明溶液滴加到步骤(2)配置的悬浮液中，滴加过程中剧烈搅拌悬浮液，控制总反应时间为5min～10min；(5)待反应结束后进行抽滤、真空干燥，收集复合粒子。
4.根据权利要求3所述的Al/Ni复合粒子制备方法，其特征在于：氢氧化钠与铝粉的质量比为1:50～1:5；镍盐与铝粉的质量比为1:10～1:2。
5.根据权利要求3所述的Al/Ni复合粒子制备方法，其特征在于：镍盐的纯度为99.9％以上。
6.根据权利要求3所述的Al/Ni复合粒子制备方法，其特征在于：制备过程中使用的溶剂均为无水乙醇，纯度为99.9以上。
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