CN102278769A

CN102278769A - 孔内嵌导电含能材料的点火器件及其制法

Info

Publication number: CN102278769A
Application number: CN2011102312767A
Authority: CN
Inventors: 张文超; 田桂蓉; 彭泓铮; 秦志春; 徐振相; 叶家海
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2011-12-14

Abstract

本发明公开了一种孔内嵌导电含能材料的点火器件及其制法，包括基底、电极，在基底上设置两个电极，在两个电极之间的基底上进行腐蚀形成多孔材料，在多孔材料中填充能导电的含能材料从而构成电桥，使电桥通电后产生火花。本发明在器件电极之间由于有金属等导电物质的存在，解决了上述两个专利中点火器件的电流难以导通的难题，使得器件更容易使用，省去了含能材料的装药等过程，且其装药量少，因此其生产的安全性得到了很大的提高。

Description

孔内嵌导电含能材料的点火器件及其制法

技术领域

本发明属于火工技术，适用于航空航天、民用爆破、微机电系统、自动控制、汽车用安全气囊等军民领域，特别是一种孔内嵌导电含能材料的点火器件及其制法。

背景技术

Michael J.Sailor等人发明的多孔硅基含能材料是通过在多孔硅中填充硝酸盐、高氯酸盐、氟化盐等固态氧化物形成的（Michael J. Sailor, Frederic V. Mikulec, Joseph D. Kirtland. Porous Silicon-based Explosive.US:2004/0244889）。由于多孔硅具有高比表面积和高表面活性，因此其被氧化时可以释以出大量的能量，点燃下一级装药，与此同时由于多孔硅制备的工艺与MEMS微电子制造工艺具有很好的兼容性，并且硅是半导体工业中使用最多的原材料之一，因此这些特点使得大规模成批次制备MEMS含能芯片成为一种可能。

德国的Achim Hofmann等以硅、锗、锗化硅、炭化硅、磷化铟、砷化镓等为基质制得的多孔材料作为燃料，以过氧化氢、碱金属碱土金属的氯酸盐、高氯酸盐、溴酸盐、碘酸盐以及氧化物、过氧化物等作为氧化剂，制备出了新型的具有爆炸性的复合含能材料（Achim Hofmann, Horst Laucht, Dimitri Kovalev, etal. Explosive Composition and its Use.US:2005/0072502）。

上述两个专利多孔材料由于具有高的比表面积和高的表面活性，因此能够快速放出大量的能量；且多孔材料的制备工艺和MEMS微电子制造工艺具有很好的兼容性，因此使得大规模成批次制备成为了可能。但是上述专利中所用材料没有或少有金属等导电物质，因此如果做成点火器件用于电点火系统中时，由于发火电路不能导通，将不可避免的面临使用的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种孔内嵌导电含能材料的点火器件及其制法，该器件同时具备点火能力强、发火时间短、制备工艺简单、能与MEMS工艺兼容、制作成本较低等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种孔内嵌导电含能材料的点火器件，包括基底、电极，在基底上设置两个电极，在两个电极之间的基底上设置多孔材料。

一种孔内嵌导电含能材料的点火器件的制法，在基底上设置两个电极，在两个电极之间的基底上进行腐蚀形成多孔材料，在多孔材料中填充能导电的含能材料从而构成电桥，使电桥通电后产生火花。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）在器件电极之间由于有金属等导电物质的存在，解决了上述两个专利中点火器件的电流难以导通的难题，使得器件更容易使用。（2）多孔材料孔内装填的亚稳态分子间化合物（也称为超级铝热剂）或炸药与金属或金属化合物反应生成炸药的金属盐等使得器件的能量输出变大，点火能力强。（3）多孔材料以及在其孔内嵌能导电的含能材料的制备装填工艺能够与MEMS制备工艺很好的兼容，因此能够大规模成批次制备，生产成本低。（4）由于将亚稳态分子间化合物（也称为超级铝热剂）装填到微米特别是纳米的多孔材料中，解决了亚稳态分子间化合物的团聚问题，从而使亚稳态分子间化合物很好的发挥其优良特性，使其发火时间短。（5）由于直接将生成的炸药的金属盐原位装在在电极中间的电桥位置上，省去了含能材料的装药等过程，且其装药量少，因此其生产的安全性得到了很大的提高。（6）该含能器件的制备工艺使得含能材料更容易器件化和功能化，同时由于含能材料的存在也使微电子芯片的功能更加多样化。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明含能点火器件的俯视图。

图2是本发明含能点火器件的一种实施例的剖面图。

图3是本发明含能点火器件的另一种实施例的剖面图。

具体实施方式

结合图1，本发明孔内嵌导电含能材料的点火器件及其制法，包括基底1、电极2，在基底1上设置两个电极2，在两个电极2之间的基底1上设置多孔材料 3，即在基底1上设置两个电极2，在两个电极2之间的基底1上进行腐蚀形成多孔材料3，在多孔材料3中填充能导电的含能材料从而构成电桥，使电桥通电后产生火花。

孔内嵌能导电的含能材料的多孔材料的含能器件的剖面图如图2所示。孔内嵌能导电的含能材料的多孔阵列的含能器件的剖面图如图3所示。基底1的材料与多孔材料3相同，为硅、镁、铝、钛、铜中的一种或两种以上组合构成多孔或孔的阵列。电极2为Ag、Al、Ba、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Fe、Hf、In、Mg、Pb、Mo、Ni、Zr、Zn或Ti/Pt/Au金属或上述金属的合金。多孔材料3的孔径为2nm-10um。多孔材料3的孔内嵌能导电的含能材料。作为骨架的多孔材料或阵列可以作为亚稳态分子间化合物的成分之一或炸药的金属盐的反应材料。多孔材料中还可以装填其它氧化物或炸药等含能材料作为改善其输出性能的物质。含能材料为亚稳态分子间化合物（也称为超级铝热剂）、或者炸药与金属反应生成炸药的金属盐、或者炸药与金属化合物反应生成炸药的金属盐。其中亚稳态分子间化合物是金属氧化物与活性金属形成的亚稳态分子间化合物，其中金属氧化物为氧化铜、氧化铁、氧化钼或氧化铬，活性金属为镁、铝或钛。炸药与金属反应生成炸药的金属盐，其中炸药为硝基酚类化合物、叠氮酸或叠氮化氢中的一种或一种以上的组合，金属为铁、铝、铅、铜、镁、锌、钡的一种或一种以上的组合，金属化合物为上述金属的对应的化合物。

实施例1

本发明的第一步是制备无序或阵列式多孔材料，具体到本实施例中是制备阵列式的多孔硅。制备多孔硅有多种方法，比如化学气相沉积、物理气相沉积、分子束外延、电化学腐蚀、化学腐蚀、水热腐蚀、化学刻蚀等，本实施例采用电化学腐蚀的方法制备出特定形状和结构的多孔硅器件。

通常情况下微孔道多孔硅阵列的制作是常规的电化学腐蚀法，然而常规电化学腐蚀法制备微孔道多孔硅阵列需要进行基底背面打磨和抛光薄化的工艺，该工艺耗时，成本高，不适合大规模生产，并且在抛光薄化过程中会产生众多粒子从而堵塞多空阵列的微孔道，从而最终影响到其在应用中的性能。本专利采用改进的电化学腐蚀法，利用稀释的HF/DMF溶解为电解液一步制备微孔道多孔硅阵列薄片，从而可以成功地避免上述工艺中可能遇到的问题。具体步骤如下：首先通过热氧化作用在硅基底表面形成一定厚度的二氧化硅氧化层，然后利用标准的光刻工艺将二氧化硅氧化层刻蚀成一定的图形，随后在HF缓冲溶液当中进行湿法刻蚀以打开刻蚀窗口。然后在四甲基氢氧化铵的溶液中化学刻蚀30min，形成了作为阳极氧化孔洞中心锥体样的刻痕。之后在稀释的HF/DMF溶液当中通过电化学腐蚀，刻蚀掉二氧化硅层并形成微孔道结构。

本发明的第二步是将亚稳态分子间化合物（也称为超级铝热剂）制备及装填到已制好的多孔材料中，首先是将金属氧化物制备及装填到多孔材料中，具体到本实施例是将氧化铁制备及装填到多孔材料中。制备氧化铁的方法有水热合成法、溶胶凝胶法、电化学法等，本实施例采用溶胶凝胶的方法制备出微纳米的氧化铁，并将制得的氧化铁装填入多孔硅器件中。具体步骤为：将一定比例的硫酸铁和硝酸铁溶入水中，并加热到80℃，然后将C₆H₈O₇·H₂O的氨水溶液滴加到上述的铁盐溶液中，直至PH值为9，然后在升温到180℃保持数小时即得到氧化铁溶胶。将制得的多孔硅器件浸入到氧化铁溶胶中保持数小时后取出，并在450℃下真空退火24小时，即得到含有氧化铁的多孔硅器件。然后将上述材料在含有纳米铝粉的溶液中浸泡并超声3小时，然后真空干燥即得含有纳米铝和氧化铁的多孔硅器件。

实施例2

本发明的第一步是制备无序或阵列式多孔材料，具体到本实施例中是制备多孔镁。本实施例采取金属镀覆工艺制备多孔镁，该工艺主要经过硬化、化学预镀和电镀三个步骤，将金属镁镀覆在聚氨基甲酸乙酯材料上，然后将酯基体用热分解法去除从而得到多孔金属镁。然后将上述材料在含有纳米氧化铬的溶液中浸泡并超声3小时，然后真空干燥即得含有多孔镁和氧化铬的含能点火器件。

实施例3

本发明的第一步是制备无序或阵列式多孔材料，具体到本实施例中是制备多孔硅。制备多孔硅有多种方法，比如化学气相沉积、物理气相沉积、分子束外延、电化学腐蚀、化学腐蚀、水热腐蚀、化学刻蚀等，本实施例采用电化学腐蚀的方法制备出特定形状和结构的多孔硅器件。

本发明的第二部是制备氧化铜并将制得的氧化铜装入多孔硅器件中。制备氧化铜的方法有沉淀转化法、室温固相反应法、溶胶凝胶法等，本实施例采用溶胶凝胶的方法制备出微纳米的氧化铜，并将制得的氧化铜装填入多孔硅器件中。具体步骤为：分别配置一定浓度的硝酸铜和柠檬酸溶液，然后在强力搅拌情况下将柠檬酸溶液缓缓加入到硝酸铜溶液中，之后再向混合溶液中滴加氨水溶液至一定的PH值，再次在上述溶液中加入适量的聚乙二醇后在80℃静置数小时后形成溶胶。将制得的多孔硅器件浸入到溶胶中保持数小时后取出，并在300℃下真空退火12小时，即得到含有氧化铜的多孔硅器件。然后将硝基酚类化合物、叠氮酸或叠氮化氢中的一种或多种溶液滴入含有氧化铜的多孔硅器件中，本实施例是将含有叠氮化氢的溶液滴入器件中，最终形成了含有叠氮化铜的含能器件。

实施例4

本发明的第一步是制备无序或阵列式多孔材料，具体到本实施例中是制备多孔铝。本实施例采取两步阳极氧化制备微纳米尺度的多孔铝。选用高纯的铝片，先将铝片按一定形状掩膜，然后将铝片做阳极，铜或铂做阴极，在一定浓度的草酸液中利用恒压或恒流电源，在较低的温度下电解，电解时间根据需要腐蚀的厚度决定。氧化完成进行电化学抛光，然后再按上述条件进行进一步氧化，最终制备成微纳米孔径的多孔铝。然后将硝基酚类化合物、叠氮酸或叠氮化氢中的一种或多种溶液滴入多孔铝中，本实施例是将含有硝基酚类化合物中的一种：苦味酸的溶液滴入器件中，最终形成了含有苦味酸铝的含能器件。

Claims

1.一种孔内嵌导电含能材料的点火器件，包括基底[1]、电极[2]，其特征在于：在基底[1]上设置两个电极[2]，在两个电极[2]之间的基底[1]上设置多孔材料 [3]。

2.根据权利要求1所述的孔内嵌导电含能材料的点火器件，其特征在于：多孔材料[3]为硅、镁、铝、钛、铜中的一种或两种以上组合构成多孔或孔的阵列。

3.根据权利要求1或2所述的孔内嵌导电含能材料的点火器件，其特征在于：多孔材料[3]的孔径为2nm-10um。

4.根据权利要求1或2所述的孔内嵌导电含能材料的点火器件，其特征在于：多孔材料[3]的孔内嵌能导电的含能材料。

5.根据权利要求1或2所述的孔内嵌导电含能材料的点火器件，其特征在于：含能材料为亚稳态分子间化合物、或者炸药与金属反应生成炸药的金属盐、或者炸药与金属化合物反应生成炸药的金属盐。

6.根据权利要求5所述的孔内嵌导电含能材料的点火器件，其特征在于：亚稳态分子间化合物是金属氧化物与活性金属形成的亚稳态分子间化合物，其中金属氧化物为氧化铜、氧化铁、氧化钼或氧化铬，活性金属为镁、铝或钛。

7.根据权利要求5所述的孔内嵌导电含能材料的点火器件，其特征在于：炸药与金属反应生成炸药的金属盐，其中炸药为硝基酚类化合物、叠氮酸或叠氮化氢中的一种或一种以上的组合，金属为铁、铝、铅、铜、镁、锌、钡的一种或一种以上的组合，金属化合物为上述金属的对应的化合物。

8.一种孔内嵌导电含能材料的点火器件的制法，其特征在于：在基底[1]上设置两个电极[2]，在两个电极[2]之间的基底[1]上进行腐蚀形成多孔材料[3]，在多孔材料[3]中填充能导电的含能材料从而构成电桥，使电桥通电后产生火花。

9.根据权利要求8所述的孔内嵌导电含能材料的点火器件的制法，其特征在于：基底[1]的材料与多孔材料[3]相同，为硅、镁、铝、钛、铜中的一种或两种以上组合构成多孔或孔的阵列。

10.根据权利要求8所述的孔内嵌导电含能材料的点火器件的制法，其特征在于：含能材料为亚稳态分子间化合物、或者炸药与金属反应生成炸药的金属盐、或者炸药与金属化合物反应生成炸药的金属盐。