原子层沉积方法有效实现三氢化铝颗粒的稳定化提升

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2017-05-04 17:05:45 作者: 所属分类:学术动态, 科研亮点 阅读:418

固体推进剂是一种具有特定性能的含能复合材料,是战略导弹、战术导弹、空间飞行器的各类固体发动机及动能拦截弹等武器的动力源,对运载能力和投送能力的提升起着至关重要的作用。在众多固体推进剂材料中,AlH3的燃烧过程具有高能特性,可以用做复合固体推进剂中的金属燃烧剂。当AlH3在复合固体推其进剂中使用时,具有较好的相容性,可与硝酸铵、二硝基苯胺、硝酸钾、过氧化钠等氧化剂,聚乙二醇、硝基缩水甘油醚等黏合剂相容,并且可以与铝、铍、硼、镁等金属燃烧剂配合使用。然而AlH3稳定性差且化学活性高,对如存贮和运输等常规条件下的外界撞击、摩擦及静电反应较敏感,又易在长期储存中与空气中的水、氧发生缓慢的反应,致使其存在风险,限制了其应用。因此,解决AlH3的稳定性问题,将其应用于下一代推进剂配方,能够满足当前迫切的军事需求,提高战略、战术导弹武器的生存能力和作战使用效能,对打赢高技术条件下的局部战争和建立有效的战略核打击力量,增强国家综合国力有着举足轻重的意义。经过长期的艰苦攻关与探索,我国AlH3的合成技术已经基本成熟,现在面临的难题是在不影响AlH3能量密度与放氢性能的前提下实现常规条件下的稳定性提升。

陈蓉教授在研究中采用原子层沉积技术在AlH3表面包覆氧化铝薄膜来提高其稳定性。通过对低温沉积工艺的优化,在AlH3颗粒表面包覆了均匀和致密的薄膜,且其厚度精确可控。由于Al2O3薄膜的热膨胀系数小于AlH3,如图1所示,包覆层对颗粒本身的热分解温度,分解速率等没有造成明显影响,说明了该稳定化方法能够保证原有的快速放氢特性。

图1 氮气环境下升温速率2 C/min时,AlH3和AlH3@Al2O3样品的(a)热重和(b)微热重曲线.

由于原子层沉积制备的Al2O3薄膜非常致密,对空气中的水蒸气和氧气具有良好的隔绝作用。如颗粒在湿热老化后的扫描电镜图2所示,未包覆的AlH3颗粒在湿热老化后,其表面出现了明显的大量的孔洞和裂纹,说明其被水蒸气和氧气所侵蚀。而在包覆有200个循环的Al2O3薄膜后,即使经历了湿热老化,颗粒表面仍然维持了原有状态,说明表面的Al2O3薄膜气到了很好的水氧隔绝效果。通过对含氢量的测试发现,湿热老化后,未覆的颗粒含氢量下降到1.89%,而包覆200循环后则能够维持含氢量在9.18%,与湿热老化前基本一致,进一步证明了该方法在提高AlH3颗粒水氧稳定性上的有效性。

图2 不同Al2O3包覆厚度α-AlH3样品湿热老化后表面的SEM观测.

另一方面,Al2O3薄膜作为一种隔热材料,可以一定程度上减缓运输过程中AlH3颗粒之间摩擦生热向内部的扩散,因此阻止了AlH3颗粒的分解,直观地表现为其摩擦感度从96%下降到68%,其操作和运输安全性得到了提高。

此项研究成果发表于美国真空学会(AIP)旗下真空期刊Journal of Vacuum Science and Technology A(J. Vac. Sci. Technol. A, 2017, 35(3), 03E111)。此项研究由陈蓉教授课题组与中国航天科技集团公司第四研究院第四十二研究所唐根、徐星星研究员合作共同完成。由陈蓉教授领导的相关设备和工艺研究的一系列前期研究成果还发表在Rev. Sci. Instrum., 2015, 86(1), 075101、J. Vac. Sci. Technol. A, 2016, 34(4), 04C103、J. Vac. Sci. Technol. A, 2017, 35(1), 01B102上,并获得国家专利授权ZL201410247806.0、ZL201310364445.3、ZL201410247956.1、ZL201420297884.7,其余发明专利申请5项,包含一项国际PCT专利EP16157778.8,并且获得2016年日内瓦国际发明展金奖。本研究获得了湖北省自然科学基金(No. 2015CFA034)等基金组织的大力支持。