原子層沉積方法有效實現三氫化鋁顆粒的穩定化提升

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2017-05-04 17:05:45 作者: 所屬分類:學術動態, 科研亮點 閱讀:1398

固體推進劑是一種具有特定性能的含能復合材料,是戰略導彈、戰術導彈、空間飛行器的各類固體發動機及動能攔截彈等武器的動力源,對運載能力和投送能力的提升起著至關重要的作用。在眾多固體推進劑材料中,AlH3的燃燒過程具有高能特性,可以用做復合固體推進劑中的金屬燃燒劑。當AlH3在復合固體推其進劑中使用時,具有較好的相容性,可與硝酸銨、二硝基苯胺、硝酸鉀、過氧化鈉等氧化劑,聚乙二醇、硝基縮水甘油醚等黏合劑相容,并且可以與鋁、鈹、硼、鎂等金屬燃燒劑配合使用。然而AlH3穩定性差且化學活性高,對如存貯和運輸等常規條件下的外界撞擊、摩擦及靜電反應較敏感,又易在長期儲存中與空氣中的水、氧發生緩慢的反應,致使其存在風險,限制了其應用。因此,解決AlH3的穩定性問題,將其應用于下一代推進劑配方,能夠滿足當前迫切的軍事需求,提高戰略、戰術導彈武器的生存能力和作戰使用效能,對打贏高技術條件下的局部戰爭和建立有效的戰略核打擊力量,增強國家綜合國力有著舉足輕重的意義。經過長期的艱苦攻關與探索,我國AlH3的合成技術已經基本成熟,現在面臨的難題是在不影響AlH3能量密度與放氫性能的前提下實現常規條件下的穩定性提升。

陳蓉教授在研究中采用原子層沉積技術在AlH3表面包覆氧化鋁薄膜來提高其穩定性。通過對低溫沉積工藝的優化,在AlH3顆粒表面包覆了均勻和致密的薄膜,且其厚度精確可控。由于Al2O3薄膜的熱膨脹系數小于AlH3,如圖1所示,包覆層對顆粒本身的熱分解溫度,分解速率等沒有造成明顯影響,說明了該穩定化方法能夠保證原有的快速放氫特性。

圖1 氮氣環境下升溫速率2 C/min時,AlH3和[email protected]樣品的(a)熱重和(b)微熱重曲線.

由于原子層沉積制備的Al2O3薄膜非常致密,對空氣中的水蒸氣和氧氣具有良好的隔絕作用。如顆粒在濕熱老化后的掃描電鏡圖2所示,未包覆的AlH3顆粒在濕熱老化后,其表面出現了明顯的大量的孔洞和裂紋,說明其被水蒸氣和氧氣所侵蝕。而在包覆有200個循環的Al2O3薄膜后,即使經歷了濕熱老化,顆粒表面仍然維持了原有狀態,說明表面的Al2O3薄膜氣到了很好的水氧隔絕效果。通過對含氫量的測試發現,濕熱老化后,未覆的顆粒含氫量下降到1.89%,而包覆200循環后則能夠維持含氫量在9.18%,與濕熱老化前基本一致,進一步證明了該方法在提高AlH3顆粒水氧穩定性上的有效性。

圖2 不同Al2O3包覆厚度α-AlH3樣品濕熱老化后表面的SEM觀測.

另一方面,Al2O3薄膜作為一種隔熱材料,可以一定程度上減緩運輸過程中AlH3顆粒之間摩擦生熱向內部的擴散,因此阻止了AlH3顆粒的分解,直觀地表現為其摩擦感度從96%下降到68%,其操作和運輸安全性得到了提高。

此項研究成果發表于美國真空學會(AIP)旗下真空期刊Journal of Vacuum Science and Technology A(J. Vac. Sci. Technol. A, 2017, 35(3),?03E111)。此項研究由陳蓉教授課題組與中國航天科技集團公司第四研究院第四十二研究所唐根、徐星星研究員合作共同完成。由陳蓉教授領導的相關設備和工藝研究的一系列前期研究成果還發表在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,并獲得國家專利授權ZL201410247806.0、ZL201310364445.3、ZL201410247956.1、ZL201420297884.7,其余發明專利申請5項,包含一項國際PCT專利EP16157778.8,并且獲得2016年日內瓦國際發明展金獎。本研究獲得了湖北省自然科學基金(No. 2015CFA034)等基金組織的大力支持。

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