碳-铝复合材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种碳-铝复合材料的制备方法，本发明包括以下步骤：1)将0.5-1g亚微米铝粉平铺于固定床的石英舟内，用氩气吹扫固定床；2)在流速为80ml/min～100ml/min，氩气和氢气混合气体的体积比为1∶1～2∶3的混合气氛下，以4℃-8℃/min的升温速率，使固定床内温度升温至500℃，保持温度500℃1-2h；3)关闭氩气，在温度500℃，流速为100ml/min，通入原料气与H2混合气体，持续时间为0.5～1h，在Ar气氛下自然冷却至室温，得到碳-铝复合材料。本发明主要用于制备碳-铝复合材料。

权利要求

1.一种碳-铝复合材料制备方法，包括以下步骤：

1)将0.5-1g亚微米铝粉平铺于固定床的石英舟内，并用氩气吹扫固定床20min；

2)在流速为80mL/min～100ml/min，氩气和氢气混合气体的体积比为1∶1～2∶3的混合气氛下，以4℃-8℃/min的升温速率，使固定床内温度升温至500℃，并在温度500℃保持1-2h；

3)关闭氩气，在温度500℃，以流速为100mL/min，通入原料气与H2混合气体，持续时间为0.5～1h，在Ar气氛下自然冷却至室温，得到碳-铝复合材料，其中原料气为C2H2、C2H6或CH4，原料气与H2的混合气体的体积比为9∶1～7∶1。

2.一种碳-铝复合材料制备方法，包括以下步骤：

1)将0.5g亚微米铝粉平铺于固定床的石英舟内，并采用40mL/min氩气吹扫20min；

2)在流速为80mL/min，氩气、氢气体积比为1∶1混合气氛下以4℃/min的升温速率，使固定床内温度升温至500℃，并在温度500℃保持1h；

3)关闭氩气，在温度500℃温度下，通入C2H2，控制C2H2与氢气的体积比为9∶1，总流速为100mL/min，反应时间为0.5h；反应结束后在氩气气氛下自然冷却至室温即得到碳-铝复合材料。

说明书

碳-铝复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碳-铝复合材料的制备方法，通过化学气相沉积的方法，使亚微米铝材料表面包覆碳层，从而得到一种包覆型的碳-铝复合材料，属于复合材料制备领域。

[0002] 发明背景

[0003] 铝粉材料在固体火箭推进剂以及新型炸药中有着重要应用。例如MenchM M.《Comparison of the thermal behavior of regularand ultrafine aluminum》[J].Combustion Science and Technology，1998，135(1)：269～292。一文指出在高能炸药中铝粉的参与加快了炸药的反应速率，提高了炸药的能量利用率。对于铝粉的研究主要集中在纳米铝粉和微米尺寸(1-5μm)的超细铝粉两个方面。纳米铝粉所具有的特殊粒径尺寸和表面效应使其处于高度活化状态，但是纳米铝粉表面极易氧化从而降低材料中有效成分单质铝的含量。微米超细铝粉表面的钝化层含量较低，因此单质铝含量比纳米铝粉高得多，达95％以上，但其对于推进剂燃速提高的程度有限。亚微米铝粉，尺寸在100nm～500nm之间，兼具有纳米铝粉和超细铝粉的优点，具有较高的反应活性同时单质铝含量较高，达85％-90％。虽然亚微米铝粉的活性较纳米铝粉有所降低，但其依然对空气和水分比较敏感，对其储存和应用造成了一定的困难。

[0004] 在亚微米铝粉的包覆上一层致密的碳膜，能够隔绝空气中的氧和水等物质与其内部的铝粉进一步发生反应。现有的铝粉包覆方法通常为脉冲微弧放电包覆法和激光加热法，例如《Characterizing the coating and size-resolved oxidative stability of carbon-coated aluminum nanoparticles by single-particle mass-spectrometry》.Journal of Nanoparticle Research，2006，8(3～4)：455～464.一文公开了一种激光加热法，该方法以高频激光器产生的高能激光作为加热方式，使石墨气化成碳蒸汽，在惰性载气气氛中，在铝粉表面冷凝沉降形成包覆碳层的方法。但是该方法包覆层厚度在铝粉表面分布不均，碳膜的厚度为1nm-15nm，且该方法所包覆的产物中含有碳化铝杂质。

发明内容

[0005] 本发明所要解决技术问题是克服现有技术的不足和缺陷，提供一种碳膜厚度均匀，且所包覆产物中无碳化铝杂质的碳-铝复合材料的制备方法。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案，包括如下步骤：

[0007] 1.将0.5-1g亚微米铝粉平铺于固定床的石英舟内，并用氩气吹扫固定床，以除去固定床内的空气。

[0008] 2.在流速为80ml/min～100ml/min，氩气和氢气的混合气体气氛下，以4℃-8℃/min的升温速率，使固定床内温度升温至500℃，并在温度500℃保持1-2h，其中氩气和氢气的体积比为1∶1～2∶3；

[0009] 3.关闭氩气，在温度500℃，以流速为100ml/min，通入原料气与H2混合气体，持续时间为0.5～1h，在Ar气氛下自然冷却至室温，得到碳-铝复合材料，其中原料气为C2H2、C2H6或CH4，原料气与H2的混合气体的体积比为9∶1～7∶1。

[0010] 本发明的优选方案

[0011] (1)将0.5g亚微米铝粉平铺于固定床的石英舟内，并采用40ml/min氩气吹扫20min。

[0012] (2)在流速为80ml/min，氩气和氢气的混合气体气氛下，以4℃/min的升温速率，使固定床内温度升温至500℃，并在温度500℃保持1h，其中氩气和氢气的体积比为1∶1[0013] (3)关闭氩气，在温度500℃温度下，通入C2H2，控制C2H2与氢气的体积比为9∶1，总流速为100ml/min，反应时间为0.5h；反应结束后在氩气气氛下自然冷却至室温即得到碳-铝复合材料。

[0014] 本发明的优点：本发明的包覆型碳-铝复合材料的制备方法得到的碳-铝复合材料具有碳膜的厚度均匀，其碳层的厚度约3.4～4.5nm，氧化铝层的厚度约为3.5nm；而对比文件中的激光加热方法得到的碳膜的厚度为1nm-15nm；本发明的碳-铝复合材料的制备方法得到的碳-铝复合材料中无碳化铝杂质，而对比文献中的激光加热方法得到的包覆的产物中含有碳化铝杂质。

[0015] 附图说明：图1，亚微米铝粉与型碳-铝复合材料XRD图

[0016] 图2，亚微米铝粉SEM图

[0017] 图3，碳-铝复合材料SEM图

[0018] 图4，碳-铝复合材料TEM图

具体实施方式

[0019] 下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，可以使本专业技术人员更全面的了解本发明，但不可以任何方式限制本发明。

[0020] 本发明所涉及到的性能测试仪器及型号：

[0021]

[0022] 测试方法：

[0023] XRD测试：取0.05g样品，以Cu Kα为射线源，石墨单色器，在管压为40kV，管流为100mA，扫描速率为1.5o/min的条件下测试。

[0024] SEM测试：于载物盘上粘上碳导电双面交，取少量的待测样品在胶带上，用吹气橡胶球朝载物盘径向朝外方向轻吹，以使样品均匀分布在胶带上，然后放入电镜腔中，在20kV的工作电压下进行测量。

[0025] TEM测试：取少量样品分散于无水乙醇中，超声分散5min，用带有支持膜的铜网在样品悬浮液中捞取样品，再将载有样品的铜网放在样品架上，送入观察室在300kV的工作电压下进行观察

[0026] 实施例1

[0027] (1)将0.7g亚微米铝粉铺于固定床的石英舟内，并采用40ml/min氩气吹扫20min。

[0028] (2)在流速为80ml/min，氩气、氢气体积比为1∶1混合气氛下，以4℃/min的升温速率，使固定床内温度上升至500℃.并保持这一状态0.75h.

[0029] (3)关闭氩气，通入C2H2，控制C2H2与氢气的体积比为9∶1，总流速为100ml/min，反应温度500℃，反应时间为0.5h；反应结束后在氩气气氛下自然冷却至室温即得到碳-铝复合材料。

[0030] 经XRD分析，可以确定经过包覆处理后的样品中，含有非晶态的碳，所含铝粉的晶型并没有变化，所得碳-铝复合材料中不含碳化铝杂质。

[0031] 经过SEM观察，所得的碳-铝复合材料，形状为球形，粒径分布为150-300nm，与亚微米铝粉的形貌，粒径分布，分散度，都没明显的变化，高温处理并没有造成材料的，烧结与团聚。

[0032] 通过高分辨透射电镜观察，所得的碳-铝复合材料为三层核壳结构，由最外层的无定形碳层，中间的氧化铝层，以及内部的单质铝内核所组成。碳层的厚度约3.4～4.5nm之间。氧化铝层的厚度约为3.5nm。

[0033] 经上述分析数据证实本发明方法所得到的物质为碳膜厚度均匀，且所包覆的产物中无碳化铝杂质的碳-铝复合材料。

[0034] 实施例2

[0035] (1)将1g亚微米铝粉平铺于固定床的石英舟内，并采用40ml/min氩气吹扫20min。

[0036] (2)在流速为100ml/min氩气、氢气体积比为2∶3混合气氛下，以8℃/min的升温速率，使固定床内温度上升至500℃.并保持这一状态2h.

[0037] (3)关闭氩气，通入C2H2，控制C2H2与氢气的体积比为7∶1，总流速为100ml/min，反应温度500℃，反应时间为1h反应结束后在氩气气氛下自然冷却至室温即得到碳-铝复合材料。

[0038] 实施例3

[0039] (1)将取0.8g亚微米铝粉平铺于固定床的石英舟内，并采用40ml/min氩气吹扫20min。

[0040] (2)在流速为100ml/min氩气、氢气体积比为1∶1混合气氛下，以8℃/min的升温速率，使固定床内温度上升至500℃.并保持这一状态1h.

[0041] (3)关闭氩气，通入C2H6，控制C2H6与氢气的体积比为8∶1，总流速为100ml/min，反应温度500℃，反应时间为1h反应结束后在氩气气氛下自然冷却至室温即得到碳-铝复合材料。

[0042] 实施例4.

[0043] (1)将0.5g亚微米铝粉平铺于固定床的石英舟内，并采用40ml/min氩气吹扫20min。

[0044] (2)在流速为90ml/min氩气、氢气体积比为1∶1混合气氛下，以6℃/min的升温速率，使固定床内温度上升至500℃.并保持这一状态45min。

[0045] (3)关闭氩气，通入CH4，控制CH4与氢气的体积比为7.5∶1，总流速为100ml/min，反应温度500℃，反应时间为45min。反应结束后在氩气气氛下自然冷却至室温即得到碳-铝复合材料。