一种核壳型叠氮化物薄膜及其制备方法

背景技术：

1、为适应信息化武器和微型化武器发展的需要，采用mems工艺设计制备火工品的优势凸显出来。其中，微含能芯片部分主要采用与mems工艺相兼容的装药工艺和微纳结构火工药剂。现阶段常用的火工药剂主要包括叠氮化铅、斯蒂芬酸铅，以及具有更高起爆性能和环境友好型的叠氮化铜、叠氮化银等。但因其感度过高，点火能力差等原因限制了实际应用，且粉末装药与mems工艺不易兼容，存在不安定性。对此，许多研究人员采用添加具有优异导热、导电性能的碳纳米材料(如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等)包裹高敏感型的叠氮化物形成核壳结构，以此来缓解外界的静电及机械刺激等，从而提升叠氮化物起爆药的感度性能。也有学者通过构建碳骨架和多孔铜结构来减少粒子团聚和静电荷积累，并且都取得了一定程度的降感效果。但上述方法制备较复杂，材料和合成成本较高，且所制备的叠氮化物多以安全系数较低的粉末状为主。因此，设计一种制备方法简便、制造成本低、感度适中、且适用于mems火工品微装药的叠氮化物起爆药具有重要意义。

2、静电纺丝技术具有制备工艺简便、生产成本低、可实现批量化生产的优势，所制备的薄膜材料具有易加工成型的特点，易与mems工艺相兼容。而新兴的同轴静电纺丝技术可将不可纺材料进行纺丝，并能制备核壳结构、中空结构等特殊结构的纤维薄膜。因此，可将其应用于mems火工药剂的制备中，制备具有核壳结构的叠氮化物薄膜，利用碳壳包裹叠氮化物核材料，实现感度性能的调控。并可将薄膜加工成与mems相兼容的形状，最终得到感度性能适中、适用于mems微装药工艺的核壳型叠氮化物薄膜。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种感度适中、适用于mems微装药的核壳型叠氮化物薄膜及其制备方法。该核壳结构以叠氮化物为核，以碳膜为壳，利用具有良好导电、导热性能的碳材料包裹叠氮化物，从而实现对叠氮化物感度的调控。

2、为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：设计制备一种核壳型叠氮化含能薄膜，该薄膜材料更易于加工成型，能与mems工艺相兼容。该核壳型叠氮化物薄膜采用同轴静电纺丝技术制备得到，并以叠氮化物为核，碳膜为壳得到核壳结构。

3、本发明所涉及的核壳型叠氮化薄膜的制备方法，其具体步骤为：

4、步骤一、将可溶性金属盐以一定比例置于溶剂中，在一定温度下搅拌一定时间至其完全溶解。再将一定比例易纺丝的高分子聚合物置于相同含量的溶剂中搅拌至其完全溶解，分别得到核溶液和壳溶液，并将两种溶液分别注入到两个注射器中备用。

5、步骤二、将步骤一中含有核溶液和壳溶液的注射器并行装配于静电纺丝仪上，连接同轴喷头，在一定电压和推注速率下进行同轴纺丝。纺丝完成后，将所制备的薄膜揭下，至于烘箱中干燥一段时间。

6、步骤三、将步骤二中制备的薄膜在氮气气氛中进行高温煅烧，得到以金属粒子为核，碳膜为壳的核壳型碳基薄膜。

7、步骤四、将叠氮化钠与硬脂酸置于气体发生器中混合均匀，将步骤三中得到的核壳型碳基薄膜置于单向通气管中。在120℃条件下，叠氮化反应生成的叠氮酸气体经过单向通气管通入金属基薄膜中，与金属基薄膜反应24h后，即可得到核壳型叠氮化物薄膜。

8、在一个优选的技术方案中，所述的步骤一中可溶性金属盐包括硝酸铜、乙酸铜、硝酸铅、乙酸铅、硝酸银、乙酸银、硝酸镉、乙酸镉；高分子聚合物包括聚丙烯腈(pan)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙烯醇(pva)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)、聚氧化乙烯(peo)、聚苯乙烯(ps)。

9、在一个优选的技术方案中，所述的步骤一中金属盐和高分子聚合物浓度为3～15％。

10、在一个优选的技术方案中，所述的步骤一中的反应温度为30～90℃，搅拌时间为2～8h。

11、在一个优选的技术方案中，所述的步骤二中的纺丝负电压为-2kv，正电压为8～20kv，推柱速率为0.05～0.2mm/min，核壳溶液推注速率分别为1:1、1:2、2:1、1:3、3:1、1:4、4:1、1:5、5:1、1:10、10:1。

12、在一个优选的技术方案中，所述的步骤三中高温煅烧温度为400～800℃，煅烧时间为10～120min。

13、本发明的原理是：含铜、铅、银、镉金属的核壳型碳基薄膜可通过同轴静电纺丝技术和高温煅烧过程简单制备。在同轴电纺过程中，随着电压升高，当外层溶液表面的电荷量增加聚集到一定程度时，外层溶液会被拖拽拉伸，在喷头处形成复合泰勒锥，并形成被壳层包裹的核壳型同轴复合结构，最终在接收装置上形成核壳型的纤维膜。经过后续碳化过程，核壳型薄膜在均匀负载金属颗粒的同时，还能在金属颗粒表面包裹一层碳膜，有效提升其静电安全性。更重要的是，静电纺丝技术得到的薄膜易加工成型，经后期叠氮化过程，可直接得到与mems工艺相兼容的核壳型叠氮化薄膜。

14、本发明的有益效果如下：

15、(1)本发明所述的核壳型叠氮化物薄膜以叠氮化物为核，以煅烧后的碳膜为壳，形成被碳材料包裹的核壳结构，有利于增强其导热、导电性能。该薄膜感度性能适中、安全性能好，并能成功起爆cl-20等高能炸药，且工艺简单、制造成本低；

16、(2)本发明所述的核壳型叠氮化薄膜的最终形态为薄膜状，具备可裁剪、易加工成型的特点，安全性能远高于粉末状火工药剂，并能与mems工艺相兼容，适用于mems微装药。

技术特征：

1.一种核壳型叠氮化物薄膜，其特征在于，该核壳型叠氮化物薄膜是以叠氮化物为核，碳膜为壳，采用同轴静电纺丝技术，经过高温碳化、叠氮化过程制备得到。

2.根据权利要求1所述的核壳型叠氮化物薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤一中金属盐包括硝酸铜、乙酸铜、硝酸铅、乙酸铅、硝酸银、乙酸银、硝酸镉、乙酸镉；高分子聚合物包括聚丙烯腈(pan)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙烯醇(pva)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)、聚氧化乙烯(peo)、聚苯乙烯(ps)。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤二中纺丝负电压为-2kv,正电压为8～20kv，推柱速率为0.05～0.2mm/min，核壳推注速率分别为1:1、1:2、2:1、1:3、3:1、1:4、4:1、1:5、5:1、1:10、10:1。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤三中高温煅烧温度为400～800℃，煅烧时间为10～120min。

技术总结
本发明公开了一种核壳型叠氮化物薄膜及其制备方法，属于含能材料技术领域。该核壳型叠氮化物薄膜是以叠氮化物为核，以碳膜为壳，通过同轴静电纺丝技术得到核壳型叠氮化物薄膜。本发明得到的核壳型叠氮化物薄膜型起爆药，与传统的叠氮化物相比，静电安全性得到大幅提升，叠氮化物外层包裹的碳材料为体系提供了良好的导热、导电性能，有效缓解了外界刺激的作用。且薄膜材料易被加工成型，能与MEMS工艺相兼容，有效降低了粉末装药的不安定性。

技术研发人员：杨利,王爽,佟文超,韩纪旻
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29