@Fe2〇3和Al-Fe2〇3超級(jí)鋁熱劑的激光點(diǎn)火圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025] 氣相原子層沉積系統(tǒng)(ALD系統(tǒng)），參考Elam等發(fā)表的文獻(xiàn)(J.W.Elam，M.D.Groner， and S.M.George.Viscous flow reactor with quartz crystal microbalance for thin film growth by atomic layer deposition.Rev.Sci.Instrum,2002,73(8):2981-2987.)〇
[0026] X射線光電子能譜（Thermo Scientific K-Alpha XPS) 〇
[0027] 差示掃描量熱儀(NETZSCH 204DSC)。
[0028] 掃描電子顯微鏡(FEI Quanta 600FEG SEM)。
[0029] 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(FEI Tecnai G2F20S_TWIN)。
[0030] 激光點(diǎn)火測(cè)試裝置用來(lái)對(duì)超級(jí)鋁熱劑進(jìn)行激光點(diǎn)火測(cè)試。該試驗(yàn)裝置主要由激光 能源系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)容器、測(cè)試記錄系統(tǒng)、點(diǎn)火過(guò)程攝錄等四部分組成。其中激光能源采用最大 功率為120W、輸出波長(zhǎng)為10.6μπι的⑶ 2連續(xù)激光器（型號(hào)SLC110)，激光束的光斑直徑為 5.0mm。實(shí)驗(yàn)中采用的激光熱流密度范圍為83.0W · cm-2~340.4W · cm-2,點(diǎn)火過(guò)程中激光持 續(xù)到點(diǎn)火反應(yīng)發(fā)生以后；實(shí)驗(yàn)容器規(guī)格為〇300mmX400mm，具有視窗可觀察容器內(nèi)點(diǎn)火過(guò) 程，內(nèi)置實(shí)驗(yàn)樣品放置平臺(tái)，試驗(yàn)開始前將裝有樣品的試件底部固定燃燒器的平臺(tái)上，使激 光束可垂直作用與樣品中心表面;測(cè)試記錄系統(tǒng)由TEK DP04034高性能數(shù)字示波器、臺(tái)式計(jì) 算機(jī)和光電測(cè)試電路，用于試驗(yàn)過(guò)程參數(shù)的測(cè)試、記錄及數(shù)據(jù)處理。
[0031] 以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，實(shí)施例中所用納米鋁粉的平均粒徑為130nm，活性 鋁含量為70%。需要說(shuō)明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，凡在本申請(qǐng)技術(shù)方案基 礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032] 實(shí)施例1:
[0033] 本實(shí)施例給出一種納米級(jí)核殼結(jié)構(gòu)超級(jí)鋁熱劑的制備方法，該方法具體包括以下 步驟：
[0034] 步驟一，將納米鋁粉顆粒置于氣相原子層沉積系統(tǒng)反應(yīng)腔內(nèi)，密封反應(yīng)腔，向氣相 原子層沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)獠⒊檎婵?，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛閘OOsccm，調(diào)節(jié)反應(yīng)腔出口閥門使腔 內(nèi)壓力控制在250Pa;并通過(guò)加熱使樣品溫度處于300°C ;
[0035] 步驟二，對(duì)納米鋁粉顆粒進(jìn)行原子層沉積形成包覆膜，原子層沉積生長(zhǎng)的一個(gè)周 期包括以下四個(gè)環(huán)節(jié)：
[0036] (1)向反應(yīng)腔內(nèi)注入第一種反應(yīng)前軀體四氯化錫(SnCl4)使之與鋁粉發(fā)生飽和的 表面化學(xué)反應(yīng)并置換表面官能團(tuán)，具體化學(xué)反應(yīng)式如下：
[0037] | -OH*+SnCl4^ | | -〇SnCl3*+HCl
[0038] 在本發(fā)明中"ΙΓ表示基底物料的表面，即納米鋁粉；
[0039] (2)通入氮?dú)馇逑次捶磻?yīng)的第一種反應(yīng)前軀體和副產(chǎn)物；
[0040] (3)向反應(yīng)腔內(nèi)注入第二種反應(yīng)前軀體雙氧水(H202)，與吸附在鋁粉表面的第一種 反應(yīng)前驅(qū)體發(fā)生表面反應(yīng)，再次置換表面官能團(tuán)，具體化學(xué)反應(yīng)式如下：
[0041 ] I I -〇SnCl3*+3H2〇2- | | -〇Sn(OH)3*+3HCl+3/2〇2
[0042] (4)通入氮?dú)馇逑次捶磻?yīng)的第二種反應(yīng)前軀體和副產(chǎn)物，最終鋁粉表面的包覆殼 層為Sn〇2;
[0043] 按照上述步驟（1)至步驟(4)的順序，反應(yīng)前驅(qū)體脈沖順序以tl-t2-t3_t4表示，其 中：tl為第一種反應(yīng)前驅(qū)體的注入時(shí)間，t3為第二種反應(yīng)前驅(qū)體的注入時(shí)間，t2和t4均為氮 氣的清洗時(shí)間。在本實(shí)施例中采用的脈沖順序?yàn)?0s-60s-60s-60s;
[0044] 步驟三，重復(fù)執(zhí)行550個(gè)周期數(shù)的步驟二，在納米鋁粉顆粒上進(jìn)行原子層沉積，使 得包覆殼層的質(zhì)量與鋁核的質(zhì)量之比（2.4:1)符合該鋁熱反應(yīng)的最佳化學(xué)計(jì)量比。在納米 鋁粉表面沉積的Sn0 2殼層的厚度約為17nm，該包覆膜的平均生長(zhǎng)速率約為0.03nm/周期。 [0045] 激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)(如表1和圖4所示)和DSC測(cè)試(如圖3所示)結(jié)果表明，相比于物理混 合法制備的超級(jí)鋁熱劑，在鋁熱反應(yīng)化學(xué)計(jì)量比條件下，采用原子層沉積技術(shù)制備的A10 Sn02核殼結(jié)構(gòu)的超級(jí)鋁熱劑反應(yīng)更劇烈，反應(yīng)速度約提高了8倍，反應(yīng)完全性大于95 %。利 用掃描電子顯微鏡(SEM)、場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)產(chǎn)物形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果 見說(shuō)明書附圖1和附圖2。如圖1所示，經(jīng)過(guò)550周期Sn0 2的包覆后，所有納米鋁粉顆粒表面都 均勻包覆了光滑的Sn02薄膜，并且納米鋁粉顆粒的尺寸都變大。如圖2所示，可以非常明顯 的看到以納米鋁粉為核和以Sn0 2為殼的超級(jí)鋁熱劑的形貌結(jié)構(gòu)，且納米鋁粉表面沉積的 Sn02殼層光滑、均勻、致密、完整。這種按照鋁熱反應(yīng)化學(xué)計(jì)量比制備的獨(dú)特的核殼納米結(jié) 構(gòu)，極大的促進(jìn)了鋁熱劑混合物中氧化劑與納米鋁粉的充分接觸，使得在燃燒過(guò)程中納米 鋁粉得到充分燃燒，反應(yīng)速度獲得明顯提升。
[0046]表lAl@Sn02核殼結(jié)構(gòu)的超級(jí)鋁熱劑的激光點(diǎn)火結(jié)果 Γ00471
[0048] 實(shí)施例2:
[0049] 本實(shí)施例給出一種納米級(jí)核殼結(jié)構(gòu)超級(jí)鋁熱劑的制備方法，該方法具體包括以下 步驟：
[0050] 步驟一，將納米鋁粉顆粒置于氣相原子層沉積系統(tǒng)反應(yīng)腔內(nèi)，密封反應(yīng)腔，向氣相 原子層沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)獠⒊檎婵?，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?2〇 SCCm，調(diào)節(jié)反應(yīng)腔出口閥門使腔 內(nèi)壓力控制在133Pa;并通過(guò)加熱使樣品溫度處于350°C ;
[0051] 步驟二，對(duì)納米鋁粉顆粒進(jìn)行原子層沉積形成包覆膜，原子層沉積生長(zhǎng)的一個(gè)周 期包括以下四個(gè)環(huán)節(jié)：
[0052] (1)向反應(yīng)腔內(nèi)注入第一種反應(yīng)前軀體二茂鐵(FeCp2)使之與鋁粉發(fā)生飽和的表 面化學(xué)反應(yīng)并置換表面官能團(tuán)，具體化學(xué)反應(yīng)式如下：
[0053] | -〇*+FeCp2^ | | -〇FeCp*+Cp
[0054] 在本發(fā)明中"ΙΓ表示基底物料的表面，即納米鋁粉；
[0055] (2)通入氮?dú)馇逑次捶磻?yīng)的第一種反應(yīng)前軀體和副產(chǎn)物；
[0056] (3)向反應(yīng)腔內(nèi)注入第二種反應(yīng)前軀體氧氣(02)，與吸附在鋁粉表面的第一種反 應(yīng)前驅(qū)體發(fā)生表面反應(yīng)，再次置換表面官能團(tuán)，具體化學(xué)反應(yīng)式如下：
[0057] | -0FeCp*+02^ | | -〇Fe 0x*+Cp
[0058] (4)通入氮?dú)馇逑次捶磻?yīng)的第二種反應(yīng)前軀體和副產(chǎn)物，最終鋁粉表面的包覆殼 層為Fe2〇3;
[0059] 按照上述步驟（1)至步驟(4)的順序，反應(yīng)前驅(qū)體脈沖順序以tl-t2-t3_t4表示，其 中：tl為第一種反應(yīng)前驅(qū)體的注入時(shí)間，t3為第二種反應(yīng)前驅(qū)體的注入時(shí)間，t2和t4均為氮 氣的清洗時(shí)間。在本實(shí)施例中采用的脈沖順序?yàn)?0s-60s-90s-60s;
[0060] 步驟三，重復(fù)執(zhí)行200個(gè)周期數(shù)的步驟二，在納米鋁粉顆粒上進(jìn)行原子層沉積，使 得包覆殼層的質(zhì)量與鋁核的質(zhì)量之比（2.1:1)符合該鋁熱反應(yīng)的最佳化學(xué)計(jì)量比。在納米 鋁粉表面沉積的Fe 2〇3殼層的厚度約為20nm，該包覆膜的平均生長(zhǎng)速率約為0. lnm/周期。 [0061 ] 激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)（如表2和圖10所示）和DSC測(cè)試（如圖9所示）結(jié)果表明，相比于物理 混合法制備的超級(jí)鋁熱劑，在鋁熱反應(yīng)化學(xué)計(jì)量比條件下，采用原子層沉積技術(shù)制備的A10 Fe 2〇3核殼結(jié)構(gòu)的超級(jí)鋁熱劑反應(yīng)更劇烈，反應(yīng)速度約提高了4倍，反應(yīng)完全性大于95%。利 用X射線光電子能譜(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)和場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)產(chǎn)物表 面成分、形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果見圖5、圖6、圖7和圖8。如圖5所示，從譜圖中A1元素信號(hào) 的消失，F(xiàn)e元素強(qiáng)峰的出現(xiàn)可以說(shuō)明納米Fe 203薄膜均勻完整的包覆在了納米鋁粉表面。如 圖6所示，經(jīng)過(guò)200周期Fe2〇 3的包覆后，納米鋁