硅基含能材料爆炸性能研究.pdf

1 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 0 卷第5 期 硅基含能材料爆炸性能研究’ 薛艳任小明解瑞珍刘兰卢斌彭志明韩克华 中国兵器工业第2 1 3 研究所，火工品安全性可靠性国防科技重点实验室 陕西西安，7 1 0 0 6 1 [ 摘要] 采用电化学双槽腐蚀法在P 型单晶硅片表面生长多孔硅膜。通过扫描电镜 S E M 、能量色谱 E D S 对 多孔硅结构参数以及多孔硅含能材料性能进行了分析。同时进行了爆炸性能测试。结果表明采用电化学腐蚀法 可以制备出2 0 r i m 左右孔径的多孔硅膜；通过原位装药技术形成的多孔硅含能材料在开放空间以及热能、机械撞 击、电能、激光能量刺激下发生猛烈爆炸作用。 [ 关键词] 纳米多孔硅含能材料表征爆炸 【分类号] T J 4 5 0 ．1 r Q 5 6 0 ．7 T D 2 3 5 ．2 l 弓} 言 硅片材料是高技术产业中的普通材料。广泛用 于电子设备、传感器以及微系统领域，但是作为活性 材料以及含能材料却比较稀少⋯。1 9 9 2 年美国的 A ．J ．B a r d 【2 1 教授无意中将浓硝酸滴落到多孔硅表面 时发生了剧烈的爆炸反应，硅被认为是一种活性材 料。 多孔硅具有海绵体一样的结构，可以为氧化物 建立一种构架；具有高的比表面积和表面活性，被氧 化时可以释放出大量能量，所以基于硅氧放热反应 产生能量的潜力大大高于普通的碳基炸药，美国、德 国等国外对多孔硅爆炸现象多有报导口别。国内的 中国工程物理研究院化工研究所哺】、重庆大学化工 学院‘7 1 、2 1 3 所‘8 1 和南京理工大学‘9 1 等单位都对多 孔硅含能材料性能展开了深入研究。制备多孔硅的 方法有化学腐蚀法[ m 】，电化学腐蚀法‘】，水热腐蚀 法【1 2 1 等方法，制备方法各有优缺点，其中电化学腐 蚀法具有实验装置简单，实验重复性好，制备的多孔 硅厚度大且均匀性好等优点。本文试验中采用电化 学腐蚀法制备多孔硅。 1 实验部分 1 ．1 仪器与试剂 J S M - 6 7 0 0 F 冷场发射扫描电子显微镜，日本电 子公司；V E G AT S 5 1 3 6 X M 扫描电子显微镜 S E M ， 捷克T E S C A N 公司；I N C A - - 3 0 0 能量色散谱仪 E D S ，英国O X F O R D 公司；D S C 2 0 4 F I 测试仪，德 国耐驰公司；T G A ／S D T A 8 5 1 热分析仪，瑞士梅特 勒一托利多公司；P 型单晶硅，晶向1 0 0 ，电阻率0 ．0 2 一O ．0 3Q c m ，硅片厚度 5 0 0 1 5 岬，上海君合 电子材料有限公司；铂片电极，纯度9 9 ．9 5 ％，直径 7 0 r a m ，上海鼎阜金属材料公司；氢氟酸，浓度4 0 ％， 优级纯，无水乙醇，优级纯，江苏江阴化学试剂厂；高 氯酸纳，分析纯，天津市福晨化学试剂厂。 1 ．2 制备 多孔硅是采用电化学腐蚀法制备的。由于H F 中F 离子在硅半导体中空穴的协助下攻击S i H 键，并且s i S i 键使表面硅原子被分解形成游离的 S i F ．及H ，s i F ．不断落入腐蚀液中而使硅形成孔 洞。反应式如下 S i 2 H F 汕 - 塔i F 2 2 H 2 2 一入 e 。 S i F 2 2 H F 一S i F ． H 2 S i F 4 2 H F _ H 2 S i F 6 总的反应式为 S i 2 H 6 H F s i 砭一 H 2 4 H 式中H 空穴。 一般P 型硅上多孑L 硅易于生长，而N 型硅上往 往需要光照激发空穴。因此N 型硅制备多孔硅难度 较大，本文中采用P 型硅片制备多孔硅，通过原位 装药方法形成多孔硅含能材料【．】。 2 表征分析 多孔硅的结构参数、表面形状与多孔硅含能材 料的形成以及多孔硅含能材料的爆炸性能密切相 关。 经过电化学腐蚀的硅片，在阴极的一面形成多 孔硅层。采用扫描电镜对多孔硅进行形貌分析，放 大l 1 0 5 倍，发现多孔硅片上的孔洞分布均匀，孔 径大约为2 0 r i m 。电镜扫描照片如图l 所示。 收稿日期2 0 1 0 - 0 6 - 0 8 作者简介薛艳 1 9 8 1 一 ，女．硕士．工程师．主要从事M E M S 火工品技术以及纳米含能材料技术研究。E m a i l x u e y s n 2 1 3 1 6 3 ．c o a l 万方数据 2 0 1 1 年1 0 月硅基吉能材料爆炸性能研究薛艳等 1 3 圈1 多孔硅的冷场扫描电镜照片 向多孔硅中填充高氯酸钠溶液原位形成台能材 料，对其元素进行扫描电镜分析，如图2 所示。 一 - __- 厚度 图2 多孔硅古能材料元素分析图 通过多孔硅台能材料元素扫描能谱图可以看出 多孔硅吉能材料在不同多孔硅界面上不同元素的定 性含量。在硅元素最多的阶段，也就是单晶硅面上． 没有氧以及钠、氯等元素。在多孔硅界面中，存在 钠、氯以及氧元素。图2 说明了高氯酸钠只能进人 到多孔硅中的孔洞中，而无法进入单晶硅中。经过 重复多次填充过程．在多孔硅与硅的界面处形成了 高氯酸钠结晶体的富集。 3 多孔硅含能材料爆炸性能研究 多孔硅舍能材料受热能、机械擅击以及电能刺 激作用可发生爆炸。爆炸后易产生碎片及火花。为 了避免碎片及火花的负面作用，在爆炸现场设置防 护板，使多孔硅含能材料的热爆炸作用在防护板的 保护下进行。实验中。热源采用功率为1 ．5 k W 的封 闭电炉。在没有约束条件下。将多孔硅含能材料在热 板上烘烤2 m i n ，发生爆炸，产生强烈火焰以及强大 声响‘”。 多孔硅舍能材料在落锤质量为1 ．2 k g ．落高为 2 5 c m 条件下进行机械撞击，在开放空问发生猛烈的 爆炸，并伴有强烈的闪光和声响，如图3 所示。 电发火具有作用迅速、准确等优点，是工业应用 中的一种标准的发火方法。多孔硅含能材料电发火 靠电流通过有一定电阻性能的换能元，根据焦耳定 律，电能产生热量。多孔硅含能材料被引爆。多孔硅 图3 多孔硅吉能材料擅击发生爆炸 含能材料本身是一种半导体材料，利用其半导体性 能，对多孔硅含能材料直接通电，电阻的大小与多孔 硅层的厚度以及装药性能有很大的关系。 采用电流脉冲直接电发火，输人电流2 A ，通过 高速摄影 4 0 0 0 0 帧／秒 进行测试，测试装置见图 4 ，发火过程如图5 ，测试结果如表l 。 图4 测试装置示意田 一 田5 多孔硅吉能材料电发火过程 裹l 电发火洲试蛄果 序号 I23 45 发火电流／A 2 2222 作用时问／妒 3 0 0 2 8 02 5 03 0 0 2 5 0 根据参数计算多孔硅台能材料发生爆炸作用时 问为微秒级，整个过程作用时问为毫秒级。 对多孔硅吉能材料探索了激光点火性能，图6 展示了多孔硅含能材料激光点火性能测试装置。激 光机发射激光，一系列的分束镜对激光进行衰减，通 过透镜、爆炸箱到达探头。探头用来测量激光到达 甏釜辣 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 0 卷第5 期 药剂的能量，光电探头可以测量样品在激光脉冲作 用下发生反应时的光密度、点火作用时间。 试样 鼯落戒穗翥 广] 1 一分束衰减片、兰／ ； 曼jl 白r 上] 幢韭筻篮里]枇阻匕光甩株又l 电源淳i 舔统厅嘉卜_ 厂1 [ 二] J 数据采集系统U 靶信号源激光能j i 【计 图6 多孔硅台能材料激光点火性能测试装置示意 激光照射到多孔硅含能材料上，除去反射和穿 透的部分，激光外其余光能被含能材料吸收。转变成 热能，使含能材料升温达到爆发点而爆炸。利用高 稳Y A G 脉冲激光器 波长I ．0 6 m ，脉宽1 0 p , s 、电 源和相关的光学系统使多孔硅含能芯片点火，测试 结果如图7 所示。 图7 多孔硅舍能材料激光点火 图7 是在0 ．2 2 J 激光能量刺激条件下的作用曲 线。它反应了从激光能量照射到药剂表面，药剂作 用以及火焰熄灭的全过程所需要的时间。根据采集 系统仪器所测，多孔硅舍能材料的作用时间为 1 7 0 p , s 。 3 结论 1 采用本文工艺条件可以制备出孔径均匀、 孔径尺度为2 0m 的多孔硅。 2 多孔硅含能材料在一定热能、机械撞击、电 能以及激光刺激条件下发生点火作用。多孔硅含能 材料在2 A 电能刺激下全发火，且电能刺激条件下 和激光能量刺激条件下作用时间为微秒级别。 参考文献 [ 1 ] 薛艳，卢斌，解瑞珍，等．纳米多孔硅古能芯片性能研 究[ J 】．火工品．2 0 0 8 6 9 1 1 ． 【2 ] M c C o r dP ．Y a uSL ，B a r dAJ ．C h e m i l u m i n e s c e n c eo f a n o d i z e da n de t c h e ds i l i c o n E v i d e n c ef o ral u m i n e s c e n t s 1 ] o x e n e l i k el a y e ro np o r o u ss i l i c o n [ J ] ．S c i e n c e ，1 9 9 2 ， 2 5 7 6 8 - 6 9 ． [ 3 ] J o a c h i mD i e n e r ，斯nG r o s s ，D i m i t r iK o v a l e v ，c ta 1 ． N s n o e t r u c t u r e dR e a c t i v eS u b s t a n ∞a n dP r o c e s sf o rI m - d u c i n gt h eS a m e U S 。0 1 4 8 5 6 9 [ e 1 ．2 0 0 3 ． [ 4 ]K o v a h v ，VY uT i m o s h e n k o ，NK u m e r ．e ta 1 ．S t r o n g e x p l o s i v ei n t e r a c t i o no fh y d r o g e n a t e d p o r o u ss i l i c o nw i t h o x y g e na tc r y o g e n i ct e m p o r a t u n ％[ J ] ．P h y s i c a lR e v i e w L c t t e r a ，2 0 0 1 ．8 7 6 1 1 - 1 4 ． [ 5 ] D ．C l e m e n t ，JD i e n e r ，EG r c s s ，e t c ．H i g h l ye a p f o e i v e n a n o e i l l e o n - b a s e dc o m p o s i t em t e f i a l s [ J 】．P h y a i e as t a t u s s o l i d i 8 。2 0 0 5 ，2 0 2 8 1 3 5 7 - 1 3 6 4 ． [ 6 ] 郁卫飞．黄辉，聂福德。等．纳米多孔硅复合材料爆炸 反应的实验与理论研究[ J 】．古能材料 增刊 ，2 0 0 4 4 7 6 - - 4 8 1 ． [ 7 ] 黎学明，胡欣，陈建文．多孔硅／高氯酸钠复合材料的 合成与爆炸特性研究[ J ] ．舍能材料，2 0 0 8 。1 6 6 7 2 7 7 3 0 ． [ 8 ] 薛艳，卢斌．任小明，等．纳米多孔硅吉能材料性能研 究[ J ] ．含能材料．2 0 1 0 。1 s 5 5 2 3 - 5 2 6 ． [ 9 】王守旭，沈瑞琪，叶迎华．多孔硅含能芯片的制备工艺 和性能研究[ J ] ．古能材料，2 0 1 0 ，1 8 5 5 2 7 - 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p o r es i z e s ，a b o u t2 0m m 。c o u l db ef o r m e db yd o u b l e ．c e l l e l e c t m c h e m l c a le t c h i n g ．T h ep o r o u ss i l i c o ne n e r g e t i cm a t e r i e lo b t a i n e db yi n - s i t um e t h o dc o u l de x p l o d es t r o n o yi no p e n 8 p ∞，∞w d l ∞w i t ht h ee f f e c mo fv i o l e n th e a t ，m e c h a I I i c a ls t i m u l a t i o n ，e l e c t r i ce n e r g yO rl a s e re n e r g y ． [ K E YW O R D S ] n a n o - p o r es i l i c o n ，e n e r g e t i cm a t e r i a l ，c h a r a c t e r i z a t i o n ，e x p l o d e 万方数据