專利名稱：一種納米介孔鋁酸鎂材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高能固體推進(jìn)劑領(lǐng)域中的一種納米介孔鋁酸鎂材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
高氯酸銨是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用的固體推進(jìn)劑中常用的高能氧化劑，其熱分解特性對(duì)固體推進(jìn)劑的綜合性能有重要影響。為了提高固體推進(jìn)劑的燃速，需降低高氯酸銨的熱分解反應(yīng)溫度。為了提高推進(jìn)劑的能量水平，可以在推進(jìn)劑配方中加入催化劑，使推進(jìn)劑燃燒時(shí)能釋放大量熱量的物質(zhì)，以提高燃燒溫度而獲得高的比沖和特征速度。目前，納米材料因粒徑小，比表面積大，催化活性高而在固體推進(jìn)劑的催化領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。金屬粉作為一種高能添加劑在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用十分廣泛，如在固體推進(jìn)劑中加入鋁粉，不僅可以提高固體推進(jìn)劑的能量，同時(shí)可以提高燃燒的穩(wěn)定性。但這些納米金屬粉的制備過程需要復(fù)雜的設(shè)備，成本較高。此外，這些金屬粉燃燒時(shí)，容易熔融凝聚造成固體推進(jìn)劑不能完全燃燒，導(dǎo)致性能損失。因此，為了提高固體推進(jìn)劑的綜合性能并降低催化劑的生產(chǎn)成本，迫切需要研究開發(fā)性能穩(wěn)定的新型高效納米催化劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種納米介孔鋁酸鎂材料及其制備方法。1、一種納米介孔鋁酸鎂材料，晶粒大小為3 20nm，比表面90 300m2/g和介孔結(jié)構(gòu)，最可幾孔徑為2 lOnm。2、一種項(xiàng)1所述的納米介孔鋁酸鎂材料的制備方法，包括如下步驟(1)將鎂鹽和鋁鹽按照1 2的摩爾比溶解于水中，配成金屬離子混合溶液， 然后向所述的金屬離子混合溶液中加入檸檬酸，使檸檬酸與金屬離子的摩爾比為1. 5 2. 5 1 ；(2)將步驟⑴得到的溶液的PH值調(diào)至2 5，蒸發(fā)除去水分得到凝膠；(3)將步驟(2)獲得的凝膠加熱干燥形成干凝膠；(4)將步驟C3)獲得的干凝膠進(jìn)行研磨后，在隊(duì)氣氛下進(jìn)行熱處理，獲得黑色粉末；(5)將步驟(4)獲得的黑色粉末在空氣中進(jìn)行熱處理，得到納米介孔鋁酸鎂材料。3、根據(jù)項(xiàng)2所述的方法，其特征在于用于溶解鎂鹽和鋁鹽的水最好為去離子水； 鎂鹽為硝酸鎂、乙酸鎂、氯化鎂中的一種或幾種；鋁鹽為硝酸鋁。4、根據(jù)項(xiàng)2所述方法，其特征在于步驟O)中所述蒸發(fā)溫度為70 100°C。5、根據(jù)項(xiàng)2所述方法，其特征在于步驟(3)中的加熱溫度為120 160°C，熱處理時(shí)間為2 6小時(shí)。6、根據(jù)項(xiàng)2所述方法，其特征在于步驟⑷中的熱處理溫度為700 900°C，熱處理時(shí)間為0. 5 3小時(shí)。7、根據(jù)項(xiàng)2所述方法，其特征在于步驟(5)中的熱處理溫度為500 900°C，熱處理時(shí)間為1 2小時(shí)。本發(fā)明利用溶膠凝膠法的工藝特點(diǎn)，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，調(diào)整反應(yīng)物與絡(luò)合劑比例，通過在惰性氣氛中煅燒獲得鋁酸鎂前驅(qū)體，之后通過在空氣中不同溫度下煅燒鋁酸鎂前驅(qū)體獲得納米介孔鋁酸鎂材料。本發(fā)明制備納米介孔鋁酸鎂材料的方法，其反應(yīng)物在分子水平上均勻混合，可以制備出晶粒細(xì)小、粒徑分布均勻、純度高、高表面積和介孔結(jié)構(gòu)的鋁酸鎂產(chǎn)物，制備工藝簡(jiǎn)單、制備參數(shù)易于控制、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以規(guī)模化合成。本發(fā)明的納米介孔鋁酸鎂材料可用作提高固體推進(jìn)劑性能的催化劑。


圖1為制備納米介孔鋁酸鎂粉體的流程圖。圖2為實(shí)施例1中納米介孔鋁酸鎂粉末的XRD譜。圖3為實(shí)施例1中納米介孔鋁酸鎂粉末TEM照片。圖4為實(shí)施例1中納米介孔鋁酸鎂催化分解高氯酸銨的DSC曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的主要實(shí)施如圖1所示，包括以下步驟(1)以鎂鹽和硝酸鋁為起始原料，將鎂鹽和硝酸鋁溶解于水中，配成符合鎂和鋁離子的摩爾比為1 2的金屬離子混合溶液。充分混勻后加入檸檬酸，該檸檬酸與金屬離子的摩爾比為1.5 2. 5 1，溶液混合后形成絡(luò)合物，檸檬酸作為絡(luò)合劑。(2)調(diào)節(jié)溶液的PH值調(diào)至2 5，然后在70 100°C下加熱蒸發(fā)除去水分至形成凝膠；(3)將步驟( 得到的凝膠待水分蒸干后，移至恒溫烘箱中在120 160°C下加熱 2 6小時(shí)，得到干凝膠；(4)將步驟(3)獲得的干凝膠進(jìn)行研磨后，在N2氣氛中，700 900°C下煅燒0. 5 3小時(shí)，獲得黑色粉末；(5)將步驟(4)獲得的黑色粉末在空氣氣氛中，500 900°C下煅燒1 2小時(shí)，得到納米介孔鋁酸鎂材料。以下通過實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的特點(diǎn)，但不局限于實(shí)施例。下述實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)方法，如無(wú)特別說明，均為常規(guī)方法。實(shí)施例1 按鎂和鋁離子的摩爾比為1 2的化學(xué)計(jì)量比，稱取硝酸鎂和硝酸鋁，溶解于去離子水中，不斷攪拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入檸檬酸，使檸檬酸與金屬離子的摩爾比為1.5 1，用氨水調(diào)節(jié)溶液的PH值調(diào)至5，然后在70°C下加熱蒸發(fā)除去水分至形成黃色粘稠凝膠，待凝膠水分蒸干后，移至恒溫烘箱中在120°C下加熱6小時(shí)，得到蓬松黃色干凝膠；將干凝膠在研缽中研細(xì)后，置于管式爐中，在隊(duì)氣氛中，700°C下煅燒3小時(shí)，獲得黑色粉末；將獲得的黑色粉末在空氣氣氛中，700°C下煅燒2小時(shí)，得到白色納米介孔鋁酸鎂粉末。其X-射線衍射分析(XRD)圖譜如圖2，透射電鏡(TEM照片)如圖3，圖2表明其晶相為鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；圖3表明粉末大小較均一，平均晶粒粒徑為3nm。經(jīng)氮?dú)馕锢砦椒y(cè)試，粉末的比表面積為200m2/g，最可幾粒徑為2nm。取5mg添加2wt%該粉末的高氯酸銨混合物，置于差示掃描量熱儀中進(jìn)行分析，催化測(cè)試結(jié)果如圖4所示，可以看出，添加了 2wt% 該粉末后，將純高氯酸銨高溫階段的熱分解溫度降低了 90°C，有效提高了高氯酸銨的熱分解性能。實(shí)施例2 按鎂和鋁離子的摩爾比為1 2的化學(xué)計(jì)量比，稱取硝酸鎂和硝酸鋁，溶解于去離子水中，不斷攪拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入檸檬酸，使檸檬酸與金屬離子的摩爾比為2 1，用氨水調(diào)節(jié)溶液的PH值調(diào)至2，然后在80°C下加熱蒸發(fā)除去水分至形成黃色粘稠凝膠，待凝膠水分蒸干后，移至恒溫烘箱中在150°C下加熱3小時(shí)，得到蓬松黃色干凝膠； 將干凝膠在研缽中研細(xì)后，置于管式爐中，在N2氣氛中，800°C下煅燒0. 5小時(shí)，獲得黑色粉末；將獲得的黑色粉末在空氣氣氛中，600°C下煅燒1小時(shí)，得到白色納米介孔鋁酸鎂粉末。 其X-射線衍射分析結(jié)果表明其晶相為鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；透射電鏡分析結(jié)果表明，粉末大小較均一，平均晶粒粒徑為5nm。經(jīng)氮?dú)馕锢砦椒y(cè)試，粉末的比表面積為250m2/g，最可幾粒徑為3nm。取5mg添加2wt%該粉末的高氯酸銨混合物，置于差示掃描量熱儀中進(jìn)行分析， 結(jié)果表明添加了該粉末后，將純高氯酸銨高溫階段的熱分解溫度降低了 100°C，有效提高了高氯酸銨的熱分解性能。實(shí)施例3 按鎂和鋁離子的摩爾比為1 2的化學(xué)計(jì)量比，稱取乙酸鎂和硝酸鋁，溶解于去離子水中，不斷攪拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入檸檬酸，使檸檬酸與金屬離子的摩爾比為2.5 1，用氨水調(diào)節(jié)溶液的PH值調(diào)至3，然后在100°C下加熱蒸發(fā)除去水分至形成黃色粘稠凝膠，待凝膠水分蒸干后，移至恒溫烘箱中在160°C下加熱2小時(shí)，得到蓬松黃色干凝膠；將干凝膠在研缽中研細(xì)后，置于管式爐中，在隊(duì)氣氛中，900°C下煅燒0.5小時(shí)，獲得黑色粉末；將獲得的黑色粉末在空氣氣氛中，500°C下煅燒2小時(shí)，得到白色納米介孔鋁酸鎂粉末。其χ-射線衍射分析結(jié)果表明其晶相為鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；透射電鏡分析結(jié)果表明， 粉末大小較均一，平均晶粒粒徑為7nm。經(jīng)氮?dú)馕锢砦椒y(cè)試，粉末的比表面積為300m2/ g，最可幾粒徑為3nm。取5mg添加2wt %該粉末的高氯酸銨混合物，置于差示掃描量熱儀中進(jìn)行分析，結(jié)果表明添加了該粉末后，將純高氯酸銨高溫階段的熱分解溫度降低了 120°C，有效提高了高氯酸銨的熱分解性能。實(shí)施例4 按鎂和鋁離子的摩爾比為1 2的化學(xué)計(jì)量比，稱取氯化鎂和硝酸鋁，溶解于去離子水中，不斷攪拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入檸檬酸，使檸檬酸與金屬離子的摩爾比為1.5 1，用氨水調(diào)節(jié)溶液的PH值調(diào)至4，然后在90°C下加熱蒸發(fā)除去水分至形成黃色粘稠凝膠，待凝膠水分蒸干后，移至恒溫烘箱中在120°C下加熱6小時(shí)，得到蓬松黃色干凝膠；將干凝膠在研缽中研細(xì)后，置于管式爐中，在隊(duì)氣氛中，800°C下煅燒3小時(shí)，獲得黑色粉末；將獲得的黑色粉末在空氣氣氛中，900°C下煅燒2小時(shí)，得到白色納米介孔鋁酸鎂粉末。其χ-射線衍射分析結(jié)果表明其晶相為鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；透射電鏡分析結(jié)果表明，粉末大小較均一，平均晶粒粒徑為20nm。經(jīng)氮?dú)馕锢砦椒y(cè)試，粉末的比表面積為90m2/g，最可幾粒徑為lOnm。取5mg添加2wt%該粉末的高氯酸銨混合物，置于差示掃描量熱儀中進(jìn)行分析，結(jié)果表明添加了該粉末后，將純高氯酸銨高溫階段的熱分解溫度降低了 60°C， 有效提高了高氯酸銨的熱分解性能。
實(shí)施例5 按鎂和鋁離子的摩爾比為1 2的化學(xué)計(jì)量比，稱取乙酸鎂和硝酸鋁，溶解于去離子水中，不斷攪拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入檸檬酸，使檸檬酸與金屬離子的摩爾比為2.5 1，用氨水調(diào)節(jié)溶液的PH值調(diào)至3，然后在80°C下加熱蒸發(fā)除去水分至形成黃色粘稠凝膠，待凝膠水分蒸干后，移至恒溫烘箱中在150°C下加熱3小時(shí)，得到蓬松黃色干凝膠；將干凝膠在研缽中研細(xì)后，置于管式爐中，在隊(duì)氣氛中，800°C下煅燒1小時(shí)，獲得黑色粉末；將獲得的黑色粉末在空氣氣氛中，600°C下煅燒1小時(shí)，得到白色納米介孔鋁酸鎂粉末。其χ-射線衍射分析結(jié)果表明其晶相為鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；透射電鏡分析結(jié)果表明，粉末大小較均一，平均晶粒粒徑為12nm。經(jīng)氮?dú)馕锢砦椒y(cè)試，粉末的比表面積為150m2/g，最可幾粒徑為6nm。取5mg添加2wt%該粉末的高氯酸銨混合物，置于差示掃描量熱儀中進(jìn)行分析，結(jié)果表明添加了該粉末后，將純高氯酸銨高溫階段的熱分解溫度降低了 80°C， 有效提高了高氯酸銨的熱分解性能。實(shí)施例6 按鎂和鋁離子的摩爾比為1 2的化學(xué)計(jì)量比，稱取硝酸鎂和硝酸鋁，溶解于去離子水中，不斷攪拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入檸檬酸，使檸檬酸與金屬離子的摩爾比為1.5 1，用氨水調(diào)節(jié)溶液的PH值調(diào)至2，然后在70°C下加熱蒸發(fā)除去水分至形成黃色粘稠凝膠，待凝膠水分蒸干后，移至恒溫烘箱中在130°C下加熱2小時(shí)，得到蓬松黃色干凝膠；將干凝膠在研缽中研細(xì)后，置于管式爐中，在隊(duì)氣氛中，800°C下煅燒2小時(shí)，獲得黑色粉末；將獲得的黑色粉末在空氣氣氛中，900°C下煅燒1小時(shí)，得到白色納米介孔鋁酸鎂粉末。其χ-射線衍射分析結(jié)果表明其晶相為鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；透射電鏡分析結(jié)果表明，粉末大小較均一，平均晶粒粒徑為16nm。經(jīng)氮?dú)馕锢砦椒y(cè)試，粉末的比表面積為120m2/g，最可幾粒徑為8nm。取5mg添加2wt%該粉末的高氯酸銨混合物，置于差示掃描量熱儀中進(jìn)行分析，結(jié)果表明添加了該粉末后，將純高氯酸銨高溫階段的熱分解溫度降低了 50°C， 有效提高了高氯酸銨的熱分解性能。
權(quán)利要求
1.一種納米介孔鋁酸鎂材料，晶粒大小為3 20nm，比表面90 300m2/g和介孔結(jié)構(gòu)最可幾孔徑為2 10nm。
2.—種權(quán)利要求1所述的納米介孔鋁酸鎂材料的制備方法，包括以下步驟(1)將鎂鹽和鋁鹽按照1 2的摩爾比溶解于水中，配成金屬離子混合溶液，然后向所述的金屬離子混合溶液中加入檸檬酸，使檸檬酸與金屬離子的摩爾比為1. 5 2. 5 1 ；(2)將步驟(1)得到的溶液的PH值調(diào)至2 5，蒸發(fā)除去水分得到凝膠；(3)將步驟( 獲得的凝膠加熱干燥形成干凝膠；(4)將步驟C3)獲得的干凝膠進(jìn)行研磨后，在隊(duì)氣氛下進(jìn)行熱處理，獲得黑色粉末；(5)將步驟(4)獲得的黑色粉末在空氣中進(jìn)行熱處理，得到納米介孔鋁酸鎂材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(1)中所使用的鎂鹽為硝酸鎂、乙酸鎂、氯化鎂中的一種或幾種；鋁鹽為硝酸鋁；用于溶解鎂鹽和鋁鹽的水為去離子水；
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟O)中所述蒸發(fā)溫度為70 100°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟(3)中的加熱溫度為120 160°C，熱處理時(shí)間為2 6小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟(4)中的熱處理溫度為700 900°C， 熱處理時(shí)間為0. 5 3小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟(5)中的熱處理溫度為500 900°C， 熱處理時(shí)間為1 2小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米介孔鋁酸鎂材料及其制備方法。該納米介孔鋁酸鎂材料的晶粒大小為3～20nm，比表面積90～300m2/g，最可幾孔徑為2～10nm。它可按照下述方法制備(1)以鎂鹽和硝酸鋁為起始原料，將鎂鹽和硝酸鋁溶解于水中，配成符合鎂和鋁離子的摩爾比為1∶2的金屬離子混合溶液。充分混勻后加入檸檬酸，該檸檬酸與金屬離子的摩爾比為1.5～2.5∶1，溶液混合后形成絡(luò)合物，檸檬酸作為絡(luò)合劑。(2)調(diào)節(jié)溶液的PH值調(diào)至2～5，然后在70～100℃下加熱蒸發(fā)除去水分至形成凝膠；(3)將步驟(2)得到的凝膠待水分蒸干后，移至恒溫烘箱中在120～160℃下加熱2～6小時(shí)，得到干凝膠；(4)將步驟(3)獲得的干凝膠進(jìn)行研磨后，在N2氣氛中，700～900℃下煅燒0.5～3小時(shí)，獲得黑色粉末；(5)將步驟(4)獲得的黑色粉末在空氣氣氛中，500～900℃下煅燒1～2小時(shí)，得到納米介孔鋁酸鎂材料。該納米介孔鋁酸鎂材料可用作提高固體推進(jìn)劑性能的催化劑。
文檔編號(hào)C01F7/02GK102190321SQ20101012161
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日
發(fā)明者關(guān)翔鋒, 李廣社, 李莉萍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所