阅读说明：本技术 AlN/Al纳米复合粉体及其制备方法 (AlN/Al nano composite powder and preparation method thereof ) 是由 王贵宗 卞琳玲 于 2021-02-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种AlN/Al纳米复合粉体及其制备方法。将新鲜粉体置于反应气氛(通常为N-2)中进行特定的氮化处理,使粉末表面生成致密的钝化层,抑制粉末在环境气氛下的持续氧化,以维持粉末的活性金属含量。对经过高温氮化处理后的铝粉进行活性铝含量测试,满足活性铝含量大于等于95％。在空气中稳定,不与空气介质发生反应。本发明工艺处理过后的AlN/Al复合材料可以很好的运用于固体推进剂中,它不仅可以很好的与推进剂中的其它组分相容,而且可以明显提高铝粉的机械强度,提高铝粉的燃烧效率,从而改善铝基推进剂的燃烧性能。(The invention discloses AlN/Al nano composite powder and a preparation method thereof. The fresh powder is placed in a reaction atmosphere (usually N) 2 ) The specific nitriding treatment is carried out to generate a compact passivation layer on the surface of the powder and inhibit the continuous oxidation of the powder in the ambient atmosphere so as to maintain the active metal content of the powder. And testing the content of active aluminum in the aluminum powder subjected to high-temperature nitridation to meet the requirement that the content of the active aluminum is more than or equal to 95 percent. Is stable in air and does not react with air media. The AlN/Al composite material treated by the process can be well applied to solid propellant, and not only canThe aluminum powder is compatible with other components in the propellant, and the mechanical strength of the aluminum powder can be obviously improved, the combustion efficiency of the aluminum powder is improved, and therefore, the combustion performance of the aluminum-based propellant is improved.)

AlN/Al纳米复合粉体及其制备方法

技术领域

本发明属于粉体材料领域，特别涉及一种对纳米铝粉进行高温氮化形成氮化铝的处理技术。

背景技术

铝粉是一种具有较高燃烧热值的含能材料，在固体推进剂和炸药中广泛使用。纳米铝粉由于其具备超大比表面积，且活性非常高，极其容易在其表面氧化形成致密氧化铝，从而影响了铝粉的燃烧性能，造成了其燃烧效率低，较高的燃烧热值无法得到有效的发挥。

为了提高铝粉的燃烧效率，国内外都进行了大量的技术研究。国内在解决铝粉燃烧效率技术方面，采取了复合、造粒和包覆等技术。目前，从铝粉包覆材料的性质来看，可以分为无机包覆和有机包覆两种，比如氟橡胶包覆技术、聚四氟乙烯包覆技术、聚丙烯包覆技术等。然而有机包覆铝粉常伴有包覆不完全，或者因包覆材料过后导致包覆后的铝粉活性金属含量大幅下降，严重影响铝粉燃烧时的能量释放性能。除此之外，国内外在改善铝粉燃烧方面，会加入Cu或者Fe₂O₃等其它金属粉末，形成Al/Cu合金粉体、Al/Fe合金粉体、Al/Li合金粉体材料等，然而铝合金粉体的燃烧机理会因为加入的合金金属而造成改变，比如，Al/Li合金粉体比表面积大，新鲜大粉体活性高，表面易发生氧化，使得粉末活性金属含量降低大同时还会使推进剂里其它组分大适应性降低。因此本发明采取氮化处理工艺解决铝粉活性降低的问题，提高复合材料的机械性能和导热介电性能。

氮化铝是Ⅲ-V族半导体化合物，其晶体是以[AlN4]四面体为结构单位的共价键化合物。纯氮化铝呈蓝白色，通常为灰色或灰色粉末，是以[AlN4]四面体为结构单元、具有纤维锌矿结构的共价键化合物。

目前铝粉的氮化处理主要有等离子体法、碳热还原法、裂解法、气相反应法、高温合成法等，其中碳热还原法已经应用于工业化大规模生产，但此工艺方法在处理过程中需使用大量的前驱体，如硝酸铝、葡萄糖、尿素等物质，反应需在1550℃时实现完全转化，且为强放热反应，对环境不友好。而目前的直接氮化工艺采取氮气/氢气混合气氛，以铝和氯化铵为原料，此方法的缺点是铝和氯化铵的含量比例对合成的氮化铝纳米线影响很大，反应温度对纳米氮化铝的影响也很明显。因此，迫切需要开发新的处理工艺简化氮化处理的工艺流程，提高效率，有助于实现工业化大批量生产。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种AlN/Al纳米复合粉体及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种AlN/Al纳米复合粉体，所述纳米复合粉体为纳米铝粉外部包裹一层致密的AlN钝化层，活性铝含量≥95％。

进一步的，AlN钝化层的厚度为5～10nm。

进一步的，纳米复合粉体是将新鲜纳米铝粉在氮气/氢气混合气氛中进行氮化处理，使粉体表面生成致密的AlN钝化层。

一种AlN/Al纳米复合粉体的制备方法，包括以下步骤：

(1)向水平管式高温氮化炉内放入新鲜纳米铝粉，管道缓慢转动；

(2)向水平管式高温氮化炉中通入氮气/氢气混合气氛，高温下使反应充分完全；

(3)反应结束后，管道继续缓慢转动并冷却至室温，即得AlN/Al纳米复合粉体。

进一步的，步骤(2)中混合气氛中氢气的体积含量为2％～10％。

进一步的，步骤(2)中反应温度为800～1200℃，反应时间为8～14h。

本发明提供了一种AlN/Al纳米复合粉体，并提供了工业化铝粉高温氮化处理方法。将新鲜粉体置于反应气氛(通常为N₂和少量H₂)中进行特定的氮化处理，使粉末表面生成致密的钝化层，抑制粉末在环境气氛下的持续氧化，以维持粉末的活性金属含量。对经过高温氮化处理后的铝粉进行活性铝含量测试，满足活性铝含量大于等于95％。在空气中稳定，不与空气介质发生反应。

本发明工艺处理过后的AlN/Al复合材料可以很好的运用于固体推进剂中，它不仅可以很好的与推进剂中的其它组分相容，而且可以明显提高铝粉的机械强度，提高铝粉的燃烧效率，从而改善铝基推进剂的燃烧性能。

本发明中由于铝粉具有较高的反应活性，纳米Al粉与氮气/氢气的反应速度难以控制，且反应温度和气体浓度都对反应速度有较大的影响，致使钝化层的致密度和厚度都难以控制。致密度对处理后的粉末化学稳定性有影响，钝化层的厚度对钝化效果与铝粉活性金属含量有影响，因此钝化层厚度过薄或者过厚都不好。因此，为了批量制备出钝化层致密度与厚度一致、且钝化效果较好的纳米铝粉，需要通过控制反应温度、反应时间、反应气氛来实现对纳米铝粉表面钝化层厚度的精准控制。本方法通过调整反应气氛中氢气所占体积含量(2％～10％)，对反应温度(进行800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃)、反应时间(8h、10h、12h、14h)进行了多次试验，使钝化层厚度达到5～10nm。

经过本发明处理过后的纳米铝粉可在常温空气中稳定存放，在300℃下具有较好的抗氧化能力；处理后的活性金属含量不低于95％；单批次处理能力达到100公斤级。

本发明提供的上述方法中，采用的是在无水环境条件下，将制备的新鲜纳米铝粉置于氮气/氢气环境中，在不同温度下保温不同时间，实现铝粉的高温氮化处理。针对粒径较大的Al粉需要适当增加反应时间，以确保Al粉表面充分形成了AlN钝化层。

本发明中实现铝粉的高温氮化处理工艺可以有效平衡钝化处理和高活性金属含量的协同，是本发明的关键技术之一。

利用SEM扫描电镜观察高温氮化处理后的铝粉表面钝化层，测量粉末表面钝化层厚度，利用化学检测手段测试铝粉的活性金属含量，从而评估铝粉高温氮化处理效果。

对比在不同温度与时间下处理后的Al粉合金粉末的高温氮化效果，获得最优的陈化处理时间与温度，以及气氛环境，形成最优的高温氮化处理制度。

附图说明

图1是实施例中所制备AlN/Al复合粉体放置4h空气后XRD图。

图2是实施例中所使用Al粉的扫描电镜SEM分析图。

图3是实施例中所制备AlN/Al纳米复合粉体的扫描电镜SEM分析图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实施案例使用的是牌号为FLQT3的铝粉，中粒径为13μm，所使用的高温氮化炉为水平管式高温氮化炉。

第一步，向水平管式高温氮化炉内放入一定量的新鲜铝粉，管道以一定的速度缓慢转动。

第二步，向水平管式高温氮化炉中通入反应气氛(体积比氮气/氢气＝95:5)，温度设置为反应温度1100℃，通气控温10h，使反应充分完全。反应方程式为：

2Al+N₂＝2AlN

第三步，反应结束后，开启外部冷却循环系统，加速气氛冷却至室温，同时管道继续以一定转速转动。

第四步，取部分冷却至常温的粉体进行活性铝含量测定，按照GJB1738-2015进行分析，得到的活性铝含量达到98％；将粉体放置在空气中4h后，对其进行X射线衍射(XRD)(附图1所示)，表征发现粉体表面并没有形成氧化铝，说明氮化有效地保护了铝粉，可以避免铝粉在空气中被氧化，从而影响了燃烧性能；对粉体进行扫描电镜SEM分析(附图2、图3所示)，氮化铝均匀包覆在铝粉表面，说明此项工艺避免了氮化处理过程中的结块问题，也不需要进行额外的研磨操作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。