一种铝粉/聚四氟乙烯复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种铝粉/聚四氟乙烯复合材料及其制备方法，属于含能材料技术领域，该材料由26.5%‑95%质量分数的微米铝粉和5%‑73.5%质量分数的聚四氟乙烯构成，其步骤为：将微米铝粉、聚四氟乙烯、极性分散剂经混合形成悬浮液，聚四氟乙烯通过分子间力吸附在铝粉表面，使悬浮液干燥至溶剂完全挥发；在行星球磨机中，通过机械力化学作用，聚四氟乙烯与铝粉表面之间出现Al‑F键合倾向，大大缩短扩散距离；再进一步实施烧结处理，使聚四氟乙烯在铝粉表面分布更均匀。本发明制备过程工艺操作简单，环境污染小，可实施大批量工业生产。

权利要求

1.一种铝粉/聚四氟乙烯复合材料，其特征在于，由26.5%‑95%质量分数的微米铝粉和

5%‑73.5%质量分数的聚四氟乙烯构成；

由如下步骤制备：

（1）按比例称取铝粉和聚四氟乙烯，加入极性分散剂，混合后超声震荡，形成均匀悬浮液；（2）将悬浮液干燥至极性分散剂完全挥发，转移至50℃下真空干燥2h，自然冷却；（3）真空下，将冷却后的样品进行球磨，其中，球料比6:1‑12:1，球磨转速为150r/min‑500r/min，球磨时间为15min‑2h；（5）取出球磨后样品，氮气气氛下，于310℃‑340℃下进行烧结，保温，自然冷却；（6）烧结完成后，机械破碎，过筛收集得到所述的复合材料。

2.如权利要求1所述的材料，其特征在于，该复合材料为核壳结构，铝粉为核，聚四氟乙烯包覆在铝粉表面。

3.如权利要求1所述的材料，其特征在于，铝粉平均粒径为1µm‑30µm。

4.如权利要求1所述的材料，其特征在于，聚四氟乙烯平均粒径为200nm‑5µm。

5.如权利要求1‑4任一所述的铝粉/聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按比例称取铝粉和聚四氟乙烯，加入极性分散剂，混合后超声震荡，形成均匀悬浮液；（2）将悬浮液干燥至极性分散剂完全挥发，转移至50℃下真空干燥2h，自然冷却；

（3）真空下，将冷却后的样品进行球磨，其中，球料比6:1‑12:1，球磨转速为150r/min‑500r/min，球磨时间为15min‑2h；（5）取出球磨后样品，氮气气氛下，于310℃‑340℃下进行烧结，保温，自然冷却；（6）烧结完成后，机械破碎，过筛收集得到所述的复合材料。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，极性分散剂为乙醇、丙酮或异丙醇。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，铝粉或聚四氟乙烯与极性分散剂的体积比为

1:4‑1:8。

8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，于5 k/min‑20 k/min速率下升温至310‑340℃进行烧结，保温2h。

说明书

一种铝粉/聚四氟乙烯复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于含能材料技术领域，具体涉及到一种核壳结构的铝粉/聚四氟乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 氟聚物作为包覆材料在反应碎片、混合炸药、烟火剂等军事领域引起了大家的广泛兴趣。F具有很强的电负性，能够与氧化铝壳层发生预先点火反应从而增加体系能量，提
高铝的反应活性，与传统配方相比，将氟聚物作为引信或氧化剂的含能配方拥有更大的火
焰传播速度、更高的火焰温度和更多的产气量聚四氟乙烯（PTFE）含氟量高达67%（摩尔量），
摩擦系数小、热稳定性好、化学惰性强，能够与氧化铝反应生成CO、AlF3，与单分子炸药的生
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成热低于12GJ/m相比，铝粉/聚四氟乙烯（Al/PTFE）的生成热高达21GJ/m ，增加体系总放热
量，还为铝的进一步反应提供附加能量，同时不同于生成致密的氧化铝壳层，AlF3为疏密的
多孔结构，在扩散阶段为氧气进入铝核提供了通道，改善了点火延迟现象；此外，AlF3在
1277℃下即能升华，体系内部增压，颗粒破碎，减少团聚倾向，从而改善燃烧性能。

[0003] Altering Reactivity of Aluminum with  Selective  Inclusion of Polytetrafluoroethylene through Mechanical Activation（Propellants, 
Explosives, Pyrotechnics, Vol.2 No.1）通过球磨法制备了铝粉/聚四氟乙烯复合材料，
得到的复合材料比表面积增加，起始反应温度降低，并且证明反应过程中生成的气体确实
能够减少团聚，但得到的材料由于冷焊效应使得粒径分布不均，且经过长时间高能挤压、摩
擦后，出现了片状结构，虽然比表面积增加，但过程中未进行钝化处理，存在较高的安全隐
患，而且铝表面极易被氧化，活性铝含量降低，导致燃烧焓降低，大颗粒的存在使得火焰传
播受到阻碍，在没有另外添加强氧化剂的情况下，燃烧效率低；铝粉/聚四氟乙烯机械活化
含能材料的制备及其微观性能研究（材料导报，第32卷 第3期）对用高能球磨制备铝粉/聚
四氟乙烯复合材料开展了研究并进行了简单表征，过程中铝粉生成了裸露表面，未考虑到
其进一步氧化的控制，导致铝粉微观形貌发生意外变化，同时也使得铝粉与聚四氟乙烯分
散不够均匀，聚四氟乙烯未能在铝粉表面形成均匀包覆层，得到复合材料的微观形貌如图1
所示。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种铝粉/聚四氟乙烯复合材料及其制备方法，以解决铝粉点火延迟、燃烧速率低、燃烧不充分等问题。

[0005] 本发明的技术方案是：一种铝粉/聚四氟乙烯复合材料，由26.5%‑95%质量分数的微米铝粉和5%‑73.5%质量分数的聚四氟乙烯构成。

[0006] 进一步的，复合材料为核壳结构，铝粉为核，聚四氟乙烯包覆在铝粉表面。

[0007] 进一步的，铝粉平均粒径为1µm‑30µm。

[0008] 进一步的，聚四氟乙烯平均粒径为200nm‑5µm。

[0009] 上述铝粉/聚四氟乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）按比例称取铝粉和聚四氟乙烯，加入极性分散剂，混合后超声震荡，形成均匀悬浮液；（2）将悬浮液干燥至极
性分散剂完全挥发，转移至50℃下真空干燥2h，自然冷却；（3）真空下，将冷却后的样品进行
球磨，其中，球料比6:1‑12:1，球磨转速为150r/min‑500r/min，球磨时间为15min‑2h；（5）取
出球磨后样品，氮气气氛下，于310℃‑340℃下进行烧结，保温，自然冷却；（6）烧结完成后，
机械破碎，过筛收集得到所述的复合材料。

[0010] 进一步的，极性分散剂为乙醇、丙酮或异丙醇。

[0011] 进一步的，铝粉或聚四氟乙烯与极性分散剂的体积比为1:4‑1:8。

[0012] 进一步的，于5 k/min‑20 k/min速率下升温至310‑340℃进行烧结，保温2h。

[0013] 与现有技术相比，本发明的优点在于：1. 铝粉/聚四氟乙烯复合材料在自然环境具有优异的化学稳定性，实验在惰性状态下进行，得到复合材料为包覆良好的核壳结构，如
图2所示，在长期储存状态下不易被氧化，活性铝含量高；2. 铝粉/聚四氟乙烯复合材料在
空气气氛下被点火丝点燃，燃烧速度快，100mg样品摆放为锥形总燃烧时间最快仅75ms左
右，如图3所示；3. Al/PTFE复合材料在空气气氛下被点火丝点燃，密闭燃烧罐内100mg样品
摆放为锥形最高压力达179.15kPa；4. 原材料廉价，工艺操作简单，制备过程安全，可实现
大批量工业生产，前景广阔。

附图说明

[0014] 图1为背景技术中的铝粉/聚四氟乙烯复合材料的扫描电镜照片。

[0015] 图2为本发明得到的铝粉/聚四氟乙烯复合材料的扫描电镜照片。

[0016] 图3为手动机械研磨混合得到的铝粉/聚四氟乙烯复合材料在空气气氛下以2000帧/秒的拍摄速率拍摄的燃烧过程高速录像。

[0017] 图4为本发明得到的铝粉/聚四氟乙烯复合材料在空气气氛下以2000帧/秒的拍摄速率拍摄的燃烧过程高速录像。

具体实施方式

[0018] 下面通过实施例进一步说明本发明。

[0019] 实施例1

[0020] 取6.5g T2铝粉，3.5g 200nm PTFE，80ml异丙醇，配制成悬浮液，干燥至异丙醇完全挥发，收集粉末。选择球料比为12:1，设定转速为250r/min，球磨时间为45min，取球磨后
样品1.5g烧结炉中，氮气气氛下，340℃，保温2h，自然冷却后收集Al/PTFE复合材料。对比图
1中的大颗粒块状粗糙结构，本发明制备的Al/PTFE复合材料，粒径分布统一，Al与PTFE分散
良好，PTFE能够在铝粉表面均匀包覆形成核壳结构，见图2。100mg摆放为锥形的样品燃烧总
时间仅为316ms。密闭燃烧罐内100mg样品摆放为锥形最高压力达179.15kPa。

[0021] 同配比下，仅仅采用手动研磨混合后得到的样品，在密闭燃烧罐内100mg样品摆放为锥形最高压力达141.93kPa。

[0022] 实施例2

[0023] 取7.5g T2铝粉，2.5g 200nm PTFE，50mL丙酮，配制成悬浮液，干燥至极丙酮完全挥发，收集粉末。选择球料比为10:1，设定转速为500r/min，球磨时间为15min，取球磨后样
品1.5g烧结炉中，氮气气氛下，340℃，保温2h，自然冷却后收集Al/PTFE复合材料。发现Al/
PTFE复合材料具有良好的分散性，PTFE在铝粉表面包覆均匀，100mg摆放为锥形的样品燃烧
总时间仅为377ms；密闭燃烧罐内100mg样品摆放为锥形最高压力达138.80kPa。

[0024] 同配比下，仅仅采用手动研磨混合后得到的样品，同等条件下燃烧总时间为443ms。

[0025] 实施例3

[0026] 按本发明取9.4g T2铝粉，3.1g 200nm PTFE，50mL丙酮，配制成悬浮液，干燥至丙酮完全挥发，收集粉末。选择球料比为8:1，设定转速为250r/min，球磨时间为60min，取球磨
后样品1.5g烧结炉中，氮气气氛下，325℃，保温2h，自然冷却后收集Al/PTFE复合材料。发现
Al/PTFE复合材料具有良好的分散性，PTFE在铝粉表面包覆均匀，100mg摆放为锥形的样品
燃烧总时间仅为391ms。

[0027] 同配比下，仅仅采用手动研磨混合后得到的样品同等条件下未被点燃。

[0028] 实施例4

[0029] 按本发明取14.2g T2铝粉，2.5g 200nm PTFE，90mL异丙醇，配制成悬浮液，干燥至异丙醇完全挥发，收集粉末。选择球料比为10:1，设定转速为350r/min，球磨时间为15min，
取球磨后样品1.5g烧结炉中，氮气气氛下，340℃，保温2h，自然冷却后收集Al/PTFE复合材
料。发现Al/PTFE复合粒子具有良好分散性，PTFE在铝粉表面分布均匀，100mg摆放为锥形的
样品燃烧总时间为661ms。

[0030] 同配比下，仅仅采用手动研磨混合后得到的样品同等条件下未被点燃。

[0031] 实施例5

[0032] 按本发明取6.5g 1 2µm铝粉，3.5g 5µm PTFE，80ml异丙醇，配制成悬浮液，干燥至~
异丙醇完全挥发，收集粉末。选择球料比为12:1，设定转速为250r/min，球磨时间为45min，
取球磨后样品1.5g烧结炉中，氮气气氛下，340℃，保温2h，自然冷却后收集Al/PTFE复合材
料。发现Al/PTFE复合材料具有良好的分散性，PTFE在铝粉表面包覆均匀。如图4，在空气气
氛下以2000帧/秒的拍摄速率拍摄的燃烧过程高速录像，100mg摆放为锥形的样品燃烧总时
间仅为75ms，可以看出制备的复合材料具有较短的点火延迟时间和更好的燃烧性能。

[0033] 图3为同配比下，仅仅采用手动研磨混合后得到的铝粉/聚四氟乙烯复合材料，在空气气氛下以2000帧/秒的拍摄速率拍摄的燃烧过程高速录像，100mg摆放为锥形的样品燃
烧总时间约为115ms。