一种三元纳米硼球形颗粒及制备方法和应用

本发明属于纳米含能材料，特别涉及一种三元纳米硼球形颗粒及制备方法和应用。

背景技术：

1、含硼富燃料推进剂的理论比冲虽然很高，但由于硼自身的熔点和沸点较高，分别为2347k和2823k，点火过程是缓慢的，表面氧化过程生成b2o3，b2o3的熔点723k沸点1973k，那么硼的继续燃燃烧需要高于1973k，这在一次燃烧的燃气发生器中是难以达到的，于是，包覆着粘稠液体的硼粒，在气流中相互碰撞时凝聚成块，增大的粒子会滞留在燃气发生器中，降低喷射效率[1-3]，从而导致含硼富燃料推进剂的燃烧效率不足。

2、a.maˇceic,j.m.semple,combustion of boron particles at atmosphericpressure,combust.sci.technol.1(3)(1969)181–191.

3、m.k.king,ignition and combustion of boron particles and clouds,j.spacecraft rockets19(4)(1982)294–306.

4、s.c.li,f.a.williams,ignition and combustion of boron particles,int.j.energ.mater.ch.2(1993)248–271.

技术实现思路

1、为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种三元纳米硼球形颗粒及制备方法和应用，该三元纳米硼球形颗粒分散性好，密度大，燃烧效率高，并且能够提高含硼推进剂的燃烧效率，为低压下稳定燃烧提供了一种可能。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种三元纳米硼球形颗粒的制备方法，包括以下步骤：

4、将纳米硼和纳米钛的混合悬浮液喷入到硝化棉悬浮液中，加热搅拌，使纳米硼和纳米钛进入硝化棉中，形成混合液；

5、向混合液加入有机溶剂，加热搅拌，使乙酸乙酯溶解硝化棉并包覆纳米硼和纳米钛，形成三组元团聚物，再加入明胶水溶液，加热搅拌，过滤，干燥，得到三元纳米硼球形颗粒。

6、进一步的，硝化棉悬浮液通过以下过程制备：将硝化棉置于87-93℃的水中，加热搅拌，形成硝化棉悬浮液；其中，硝化棉的含氮量为12.1％。

7、进一步的，纳米硼和纳米钛的混合悬浮液通过以下过程制备：

8、将纳米硼和纳米钛加入到水中，在超声震荡下混合均匀，得到纳米硼和纳米钛的混合悬浮液。

9、进一步的，纳米硼的粒径为100-200nm，纳米钛的粒径为50-100nm。

10、进一步的，明胶的用量为硝化棉、纳米钛和纳米硼总质量的5-8wt％。

11、进一步的，纳米钛的用量为三元纳米硼球形颗粒的1-10wt％，纳米硼的用量为三元纳米硼球形颗粒的71-83wt％，硝化棉的用量为三元纳米硼球形颗粒的15-19wt％。

12、进一步的，有机溶剂为乙酸乙酯，硝化棉与乙酸乙酯的用量比为1g：3-5ml。

13、进一步的，稳定剂为明胶溶液。

14、一种三元纳米硼球形颗粒，粒径为50 -500μm。

15、一种三元纳米硼球形颗粒在制备含硼富燃料固体推进剂中的应用。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

17、本发明以纳米硼、硝化棉与纳米钛为原料，由于硝化棉为棉纤维管状结构，其内部分布有大量孔径为10-3～10-1μm的毛细管，且比表面积处于2300～3200cm2/g之间，价格低廉，在溶胀状态下，可作为纳米颗粒的载体，并将其充分分散，可有效降低药浆粘度，提高流平性，并增强各组分之间的粘结强度。硝化棉还可以为三元纳米硼球形颗粒的分散剂和粘合剂，在燃烧中放出气体，将包裹在其中的纳米金属颗粒喷射到空气中，使金属颗粒接触到更多的氧气，从而提高燃烧效率；本发明中通过引入大体积热值的活性纳米钛(n-ti)粉体可以改善体系点火燃烧性能，并提高团聚物的密度。在稳定剂作用下，硝化棉可以很好的与n-b和n-ti复合，可以有效抑制大量的小球在停止搅拌时的自动凝结，提高了分散性，有利于三元纳米硼球形颗粒的稳定性。本发明合成方法简单、安全、有效，且对环境良好、易于工业化生产；该方法显著区别于传统的物理混合法，有效解决了纳米硼的大量加入会导致其难以均匀分散在制备含硼富燃料固体推进剂时药浆中造成含硼富燃料固体推进剂的药浆粘度增大，流变性变差的问题，本发明将小粒度硼粉转化为大粒度的团聚硼，从而改善工艺并提升含硼富燃料固体推进剂中含硼量，大大提高了所制备的三元纳米硼球形颗粒的分散性和燃烧效率。本发明制备的三元纳米硼球形颗粒，点火和燃烧性能优于二元组分nc和n-b的，也明显优于单质n-b的，实现含硼富燃料推进剂在低压下的快速稳态燃烧，提高燃烧效率。

18、本发明制得的三元纳米硼球形颗粒，同时具有金属助燃剂n-ti和金属燃料n-b，可以发生剧烈的反应，释放巨大能量，促进n-b的完全燃烧。

19、相较于微米硼，本发明制备的纳米硼球形颗粒的燃烧更为充分，有望彻底解决燃烧效率不足的问题，能够作为制备可作为含硼富燃料固体推进剂的原料进行应用。

技术特征：

1.一种三元纳米硼球形颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的三元纳米硼球形颗粒的制备方法，其特征在于，硝化棉悬浮液通过以下过程制备：将硝化棉置于87-93℃的水中，加热搅拌，形成硝化棉悬浮液；其中，硝化棉的含氮量为12.1％。

3.根据权利要求1所述的三元纳米硼球形颗粒的制备方法，其特征在于，纳米硼和纳米钛的混合悬浮液通过以下过程制备：

4.根据权利要求1所述的三元纳米硼球形颗粒的制备方法，其特征在于，纳米硼的粒径为100-200nm，纳米钛的粒径为50-100nm。

5.根据权利要求1所述的三元纳米硼球形颗粒的制备方法，其特征在于，明胶的用量为硝化棉、纳米钛和纳米硼总质量的5-8wt％。

6.根据权利要求1所述的三元纳米硼球形颗粒的制备方法，其特征在于，纳米钛的用量为三元纳米硼球形颗粒的1-10wt％，纳米硼的用量为三元纳米硼球形颗粒的71-83wt％，硝化棉的用量为三元纳米硼球形颗粒的15-19wt％。

7.根据权利要求1所述的三元纳米硼球形颗粒的制备方法，其特征在于，有机溶剂为乙酸乙酯，硝化棉与乙酸乙酯的用量比为1g：3-5ml。

8.根据权利要求1所述的三元纳米硼球形颗粒的制备方法，其特征在于，稳定剂为明胶溶液。

9.一种根据权利要求1-8任意一项所述方法制备的三元纳米硼球形颗粒，其特征在于，粒径为50-500μm。

10.一种如权利要求9所述的三元纳米硼球形颗粒在制备含硼富燃料固体推进剂中的应用。

技术总结本发明公开了一种三元纳米硼球形颗粒及制备方法和应用，将纳米硼和纳米钛的混合悬浮液喷入到硝化棉悬浮液中，加热搅拌，使纳米硼和纳米钛进入硝化棉中，形成混合液；向混合液加入有机溶剂，加热搅拌，使乙酸乙酯溶解硝化棉并包覆纳米硼和纳米钛，形成三组元团聚物，再加入明胶水溶液，加热搅拌，过滤，干燥，得到三元纳米硼球形颗粒。本发明制备的高能复合材料以NC作为载体和粘结剂，制备的球形颗粒结构致密，尺寸均匀；同时具有金属助燃剂和金属燃料，可以发生可持续的剧烈反应，并释放巨大能量；可作为含硼富燃料固体推进剂的原料，实现固体推进剂的在低压下稳定燃烧，提高燃烧效率。本发明合成方法绿色、安全，易于工业化生产。技术研发人员：熊玉姝,李葆萱,万冲,王晨,朱玉麒,黄洁,陈苏杭,徐抗震受保护的技术使用者：西北大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29