2024年4月11日发(作者：)

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网络出版时间：2013-12-19 13:28

网络出版地址：/kcms/detail/

赵娜，沈金朋，李瑞，杨光成，黄辉

文章编号：1006-9941﹙2013﹚06-0734-04

火焰法制备Al/MoO

3

纳米片阵列的影响因素

赵娜

1

，沈金朋

2

，李瑞

2

，杨光成

2

，黄辉

2

（1.西南科技大学，四川绵阳621000；2.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900）

摘要：亚稳态分子间复合物﹙MIC﹚阵列由于具有高能量密度、小尺寸条件下能自持反应的优点，在集成化火工品方面具有潜在的

应用价值。采用火焰法在硅基底上原位制备了高度有序的MoO

3

纳米片阵列，探讨了基底材料、纳米阵列生长时间、火焰源因素对

生成MoO

3

形貌的影响，得到了MoO

3

纳米片阵列的优化制备工艺条件：以硅片为基底，生长时间为5min和甲烷为火焰源。制

备的纳米片厚度为100~200nm，宽度约5

μ

m，长度达到十几个微米。分别采用磁控溅射和热蒸发在MoO

3

纳米片阵列表面镀铝

得到Al/MoO

3

MIC阵列，在铝膜厚度相同的情况下，采用热蒸发镀铝方式优于磁控溅射。热蒸发铝膜厚度为900nm时，所获得的

Al/MoO

3

MIC阵列具有较高的放热量，达到3276J·g

−1

。

MIC﹚；火焰法关键词：应用化学；含能材料；Al/MoO

3

；亚稳态分子间复合物﹙

中图分类号：TJ55；O69文献标识码：ADOI：10.3969/.1006-9941.2013.06.009

1引言

12］

，而保持自持反应。在大量可选择的MIC体系中

［

Al/MoO

3

可以释放出较多的热量﹙4705J·g

−1

﹚以及

具有较高的绝热温度﹙3253K﹚，成为重点关注的材

13−16］

料

［

，目前关于Al/MoO

3

的报道主要集中在粉体

亚稳态分子间复合物﹙MetastableIntermolecular

Composites，MIC﹚是近年来出现的一种具有广阔应用

前景的新型含能材料，该复合含能材料不仅具有高的

能量密度，而且由于反应物尺寸达到纳米级，使得氧化

剂﹙如金属氧化物﹚和还原剂﹙主要是纳米铝粉﹚间的

传质距离变短，传质输运界面面积增大，从而达到较快

的能量释放率

［1］

制备与性能，鲜有Al/MoO

3

阵列的研究。本实验采用

较为简单的火焰法制备了MoO

3

阵列，在其上复合纳米

Al膜，研究了Al/MoO

3

阵列的制备工艺和热性能。

，在新型火工品起爆药剂方面有突出

2

2.1

实验部分

试剂与仪器

原材料：钼丝﹙纯度为99.9%﹚，自贡硬质合金有

的应用前景。MIC的制备方法较多，其中最常用的方

2−5］6−10］

法是物理混合法

［

和溶胶胶法

［

。这两种方法

具有低成本、批量化制备的优点，有望替代传统起爆药

剂。但在集成化火工品起爆药剂方面，纳米粉体MIC

表现出集成工艺复杂、一致性较差的缺陷。

原位集成MIC阵列可以有效克服粉体材料的缺

陷，成为近年来国内外微起爆领域的研究热点。最早

11］

MenonL

［

在多孔阳极氧化铝模板中沉积Fe单质，

限责任公司；铝丝﹙纯度为99.9%﹚，石家庄新日锌业

有限公司。

仪器及设备：火焰炉﹙非标﹚；NM2000-T6-SE1

磁控溅射系统；Auto306热蒸发系统；HitachiTM-

1000型扫描电镜﹙日本﹚；TAInstrumentsSDTQ20

差热示差扫描﹙美国﹚。

2.2制备方法

分别将硅片、铜片、玻璃片用酒精及丙酮进行超声

清洗，剪取长为3cm，宽为1cm的长方形条状并依次

编号。将3m的钼丝﹙直径为0.18mm﹚缠绕在长为

3cm，宽为2cm的长方形铁架上，然后放置在炉子火

焰的出口处0.5cm，将不同的基底放置钼丝网的上方

0.5cm处，以甲烷为燃料，点燃燃料，温度控制在约

850

º

С。灼烧时间视实验要求从1min至7min不等。

然后经氧化处理将Fe

2

O

3

阵列镶嵌在Al箔中制备了

Al/Fe

2

O

3

MIC。MIC阵列要获得实际应用，还必须获

得高能量密度，以保证在微环境下足够抵消热量损失

收稿日期：2013-04-08；修回日期：2013-05-24

基金项目：国家自然科学基金﹙11002128，11272292，11172276﹚

作者简介：赵娜﹙1985−﹚，女，硕士研究生，主要从事纳米含能材料研

究。e-mail：zhaona0909@

通讯联系人：黄辉﹙1961−﹚，研究员，主要从事含能材料研究。

e-mail：huanghui@

ChineseJournalofEnergeticMaterials，Vol.21，No.6，2013﹙734−737﹚含能材料

火焰法制备Al/MoO

3

纳米片阵列的影响因素

735

图1为火焰法合成

α

-MoO

3

纳米片阵列过程示意图。7min时，可以看到生成的纳米片上，有少量的较小纳

米片生成﹙图3d﹚。可见，生长时间为5min时纳米片

具有比较整齐的阵列结构。热氧化制备金属氧化物一

般经历气相到固相转变过程，气体分子在已经形成纳

当生长到一定米MoO

3

阵列表面按照晶格取向生长，

程度，一定空间内纳米片数量增加，纳米片增大，相互

间接触干扰，纳米片不能按照晶格取向继续生长，则会

出现支状生长，不规则程度增加。另外支状生长的纳

米片与基底接触不紧密，容易在后期处理过程中脱落。

所以合适的生长时间为5min。

图1

Fig.1

火焰法合成

α

-MoO

3

纳米片阵列过程示意图

Schematicoftheflamesynthesisof

α

-MoO

3

nanobeltarrays

2.3Al/MoO

3

MIC的制备及热分析

磁控溅射制备纳米Al/MoO

3

的参数设置为：射频

功率60W，氩气氛围，流量为100sccm，真空度约为

0.1Pa。真空热蒸发镀铝时的真空度为6.0×10

−4

ubstrate

Pa。

DSC测试条件，在99.999%氮气氛围下，升温速

率为5

º

С·min

−1

，温度从20

º

С升到700

º

С。

3

3.1

结果与讨论

基底对MoO

3

纳米阵列形貌的影响

制备MoO

3

纳米阵列的步骤为：火焰下钼与空气

trate

图2

Fig.2

trate

不同基底所得MoO

3

纳米阵列的SEM图

SEMimagesofMoO

3

nanoarrayswithdifferentsubstrate

MoO

3

熔点较低，火焰下变中的氧气反应生成MoO

3

，

成气态。MoO

3

气体离开火焰区域后在基底表面沉积

形成一定规则形状的MoO

3

晶体。图2为生长在不

同基底上MoO

3

的SEM图，生长时间均为5min，所

用燃料为甲烷气体。由图2a可以看出，在铜基底表面

没有生成有序的纳米阵列，表面颗粒形状不规则。而

在玻璃基底上﹙图2b﹚，则有少量的纳米片生成，但有

序性较差，一部分纳米片倾斜生长于基底，另一部分则

平铺在基底上。在硅基底上，有大面积的有序纳米片

阵列生成，其结构高度一致，厚度约100~200nm，宽

度大约5

μ

m﹙见图2c和图2d﹚。

3.2生长时间对MoO

3

纳米片形貌的影响

图3为不同生长时间以硅作为基底，甲烷为火焰

源制备MoO

3

纳米片的SEM图。当生长时间为1min

时，生成少量的MoO

3

纳米片，且大部分的纳米片都

是垂直生长于基底﹙图3a﹚。当生长时间3min时，有

大量的纳米片生成，部分垂直于基底，部分倾斜于基底

﹙图3b﹚。当生长时间为5min时，纳米片呈现高度有

序性，并垂直于基底生长﹙图3c﹚。当生长时间为

a.1minb.3min

c.5min

图3

Fig.3

d.7min

硅基底上不同生长时间制备的MoO

3

SEM图

SEMimagesofMoO

3

ontheSisubstratewithdifferent

growingtime

CHINESEJOURNALOFENERGETICMATERIALS含能材料2013年第21卷第6期（734−737）