磁性层包覆的核壳型纳米铝颗粒制备的基础研究

Aluminum nanoparticle has many advances as the metal fuel in the solid propellants for rockets. Because aluminum nanoparticles are easy to be oxidized to form alumina, it is necessary to coat their surface with the inert materials to prepare the core-shell aluminum nanoparticles. This project will study a novel technology to prepare nanoparticles with an aluminum core and an inert magnetic shell. The preparation process will consist of three steps as the self-reduction of aluminum formate in a complexing agent solution to form aluminum nanoparticles, the replacement reaction of ferric complex ion with aluminum to form an iron shell on the surface of the aluminum nanoparticle, and the controlled oxidation of iron shell to form a magnetic Fe3O4 shell. The magnetic shell makes the nanoparticles can be separated from the liquid phase by the magnetic force. The aluminum core will be protected the shell tightly bond with the core. The catalytic role of Fe3O4 shell will promote the burning performance of the aluminum nanoparticle. The environment friendly process for preparing monodisperse nanoparticles with uniform shell will be developed. The methodology for regulating the size, structure and performance of the nanoparticle will be investigated as well as the scientific principles involved. The achievement of this project will provide the scientific knowledge for the industrial preparation of the shell-core aluminum nanoparticle.

纳米铝颗粒用作火箭的固体推进剂燃料具有显著的优势，研究其制备技术对航天和国防具有重要的意义。为了解决纳米铝颗粒易氧化的问题，需要用惰性材料对其进行包覆制备核壳型结构的纳米颗粒。本项目研究甲酸铝络合物在液相中自还原形成纳米铝颗粒，铁络合离子与纳米铝发生置换反应形成壳层铁，受控氧化壳层铁形成磁性四氧化三铁外层的新型制备技术；通过牢固结合的包覆层保护纳米铝不被氧化，借助于包覆层的磁性使纳米颗粒可以实现磁力分离，利用四氧化三铁包覆层对燃烧的催化作用提升纳米铝的燃烧性能。研究这种具有外层四氧化三铁、中间层铁和内核铝的核壳型磁性纳米颗粒的制备工艺以及粒径、结构和性能的调控方法，以实现大小均匀、包覆层厚度一致的磁性核壳型纳米铝颗粒的可控制备；通过非挥发性溶剂体系中的温和反应和物料的有效循环，以实现环境友好的制备过程。重点阐明所涉及的关键科学问题，为规模化可控制备提供必需的科学知识。

本项目进行铜基金属纳米颗粒的制备，及其在柔性印制电路和化学反应催化方面的应用相关的基础研究。采用液相热分解法和置换法制备铜基金属纳米颗粒，针对颗粒的制备和抗氧化性能存在的主要问题，研究了相应的科学规律；针对铜基纳米颗粒墨水热烧结不适用于热敏性基材料的问题，开发出了化学烧结工艺，探索了相关的机理，实现了铜纳米颗粒墨水和银包铜核壳型纳米颗粒墨水的室温空气中快速烧结；以铜基纳米颗粒和铜包镍核壳型纳米颗粒为种子进行化学镀铜，在中低温大气环境中，在柔性热敏性基材上制备导电性高、粘附性强、抗氧化性好、耐弯折的铜印制电路；为铜基纳米颗粒导电的制备和应用于柔性印制电路奠定了基础。. 所制备的CuNi合金纳米颗粒为催化剂，以乙二醇为氢源对芳香硝基化合物进行催化转移加氢反应，具有良好的催化性能与循环性能，纳米颗粒循环10次后，转化率和产率分别保持在95%和80%以上，而且催化剂的分离过程采用磁分离，简单方便。通过简单、温和及环境友好的方法，制备得出具有较大比表面积与良好分散性的微米/纳米的中空分级结构镍粉；镍粉作为促进剂大幅降低了固体推进剂的氧化剂高氯酸铵（AP）的热分解温度，提升了放热量，有望应用于固体推进剂体系中，提升固体推进剂的能量密度，改善固体推进剂的燃烧性能。