CN105258580B - 高能微点火芯片及其制备方法和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能微点火芯片及其制备方法和使用方法，它是将纳米金属和纳米金属氧化物先MIC材料，并将炸药原料制成超细炸药颗粒，再将MIC材料和超细炸药颗粒制成MIC‑炸药复合材料，最后用三维打印机把MIC‑炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上得到的，使用时在高能微点火芯片上的SiO2/Cr/Pt/Au微加热器两端通5‑50V电点火即可。采用本发明的制备方法，可以通过调节炸药的使用量来控制反应速度，最终获得多种不同点火能量的高能微点火芯片，MIC‑炸药复合物燃烧效果好，所组成的微点火芯片点火的火焰温度更高、火焰面积更大，从而获得的微点火芯片点火稳定性和成功率高。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及含能材料和微机电系统(MEMS)交叉技术领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种高能微点火芯片及其制备方法和使用方法。
背景技术
火工品是武器装备的功能首发元件，伴随着高新工程技术的发展，对火工品的安全性和可靠性的要求也越来越高。近十年来，纳米含能材料、微机电系统(MEMS)、纳机电系统(NEMS)等科学技术领域取得了巨大进步。近期，这些新兴学科交叉的基础上，逐渐形成了微型含能器件这一重要领域。由于微型含能器件具有高度微型化、集成化、多功能化等特点和优势，受到了国内外广泛的关注。
传统的电火工品是利用金属桥丝通电后，将电能转化为热能，进一步点燃涂覆在电阻丝周围的起爆药剂，如斯蒂芬酸铅点火药等，达到点火的目的。这种方法需手工涂覆点火药剂、难以批量化生产、不容易集成化生产、能量转化效率低，安全性、可靠性、一致性低。为此，国内外对点火桥的设计、制备以及桥丝上的起爆药剂进行了大量的研究工作，取得了较大的进展。但随着应用场合的越来越小型化和智能化，由此带来的点火可靠性问题越发突出。将含能材料集成到芯片等点火器上以提高器件的输出能量，将有效解决点火可靠性的难题，因此产生了集成式微火工品。
近年来出现了一类基于纳米尺度活泼金属和金属氧化物的高能量密度含能体系-亚稳态分子间复合物(Metastable Intermolecular Composites，MIC)。由于氧化组分和还原组分处于纳米尺度，克服了固相化学反应传质距离大的动力学缺陷，其粉体材料具有良好的反应速率(可达约2500m/s)，且临界反应传播直径小(微米级)，具有高能量密度，例如Al-CuO的能量密度为4.08MJ/kg。MIC-炸药复合物的反应速度可达7000m/s，并且改善了炸药临界反应传播直径(毫米级)较大的缺点，有利于火工品的微型化，提高可靠性和安全性，因此利用MIC制备高能微点火芯片具有重要的价值。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种高能微点火芯片及其制备方法和使用方法，以期望可以实现微点火芯片的高可靠性和微型化。
为解决上述的技术问题，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：
一种高能微点火芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)MIC材料的制备
将纳米金属和纳米金属氧化物在溶剂中混合均匀，所述纳米金属的金属单质还原性强于所述纳米金属氧化物中金属元素的金属单质还原性，然后真空干燥，得到MIC材料；
(2)超细炸药颗粒的制备
将炸药原料溶解在溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的非溶剂中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒；
(3)MIC-炸药复合材料的制备
将步骤(1)制得的MIC材料和步骤(2)制得的超细炸药颗粒加入溶剂中，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料；
(4)高能微点火芯片的集成
用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，即得高能微点火芯片。
进一步的技术方案是：所述纳米金属是纳米Al、Mg、Si和B中的一种或多种。
更进一步的技术方案是：所述纳米金属氧化物是FeO、Fe2O3、CoO、NiO、Cu2O、CuO、Sb2O3、MoO2、MoO3、Cr2O3、PbO2、WO2、WO3中的一种或多种。
更进一步的技术方案是：所述纳米金属和纳米金属氧化物的摩尔比为1:2-3:8。
更进一步的技术方案是：所述炸药为BTF、DATB、TATB、DINGU、FEFO、CL-20、HMX、RDX、HNB、HNS、PETN、NC、NQ、Tetryl、TNB、TNT、AP中的一种。
更进一步的技术方案是：步骤(3)所述MIC材料和超细炸药颗粒的质量比为1:99-1:0。
更进一步的技术方案是：所述SiO2/Cr/Pt/Au微加热器的尺寸为1.5×1.5×1mm，电阻为2-10Ω。
更进一步的技术方案是：步骤(1)所述溶剂为环己烷或正己烷，步骤(2)所述溶剂为丙酮、二甲亚砜、乙酸乙酯或乙醇，步骤(2)所述非溶剂为蒸馏水或二氯甲烷，步骤(3)所述溶剂为环己烷或正己烷。
本发明还要求保护采用上述制备方法制得的高能微点火芯片。
上述高能微点火芯片的使用方法是：在所述高能微点火芯片上的SiO2/Cr/Pt/Au微加热器两端通电点火，通电电压为5-50V。
与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：
(1)若芯片上的复合物由Al和CuO组成MIC，当MIC质量百分含量为100％时，通电20伏特，点燃芯片后，火焰持续时间为64毫秒。当芯片上的复合物中Al-CuO(MIC)质量百分含量为50％时，炸药为CL-20且质量百分含量为50％时，通电20伏特，点燃芯片后，火焰持续时间为4毫秒。所以，炸药的添加能加速反应速度，采用本发明的制备方法，可以通过调节炸药的使用量来控制反应速度，最终获得多种不同速度的高能微点火芯片。
(2)当芯片上的复合物由MIC-炸药复合物组成时，燃烧火焰明亮，温度高。例如芯片上的复合物由Al和CuO组成MIC，当MIC质量百分含量为100％时，通电20伏特，点燃芯片后，火焰温度为1250摄氏度，火焰面积为12平方毫米。当芯片上的复合物中Al-CuO(MIC)质量百分含量为50％时，炸药为CL-20且质量百分含量为50％时，通电20伏特，点燃芯片后，火焰温度为2180摄氏度，火焰面积为120平方毫米。所以，MIC-炸药复合物燃烧效果更好，从而构成的微点火芯片点火的火焰温度更高、火焰面积更广。
附图说明
图1为本发明高能微点火芯片的俯视图。
图2为本发明高能微点火芯片的侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1和图2为本发明高能微点火芯片的结构示意图，图中包括硅基底1、镀金层2、SiO2/Cr/Pt/Au加热层3、MIC-炸药复合材料4，镀金层2用作接电电极，SiO2/Cr/Pt/Au加热层3在通电后发热点燃复合含能材料。
实施例1
MIC材料的制备：按照摩尔比为1:2称取纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO，将纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为20V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为64毫秒，火焰面积为12平方毫米。
实施例2
MIC材料的制备：按照摩尔比1:3称取纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO，将纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药CL-20溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC质量百分含量为90％，超细炸药颗粒质量百分含量为10％，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为20V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为9.7毫秒，火焰面积为90平方毫米。
实施例3
MIC材料的制备：按照摩尔比3:8称取纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO，将纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药CL-20溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC质量百分含量为70％，超细炸药颗粒质量百分含量为30％，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为20V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为5毫秒，火焰面积为100平方毫米。
实施例4
MIC材料的制备：按照摩尔比为2:3称取纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO，将纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药CL-20溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC质量百分含量为50％，超细炸药颗粒质量百分含量为50％，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为20V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为4毫秒，火焰面积为120平方毫米。
实施例5
MIC材料的制备：按照摩尔比为2:3称取纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO，将纳米金属Al和纳米金属氧化物CuO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药CL-20溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC质量百分含量为30％，超细炸药颗粒质量百分含量为70％，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为20V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为30毫秒，火焰面积为50平方毫米。
实施例6
MIC材料的制备：按照摩尔比为1:1称取纳米金属Mg和纳米金属氧化物FeO，将纳米金属Mg和纳米金属氧化物FeO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药RDX溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC质量百分含量为50％，超细炸药颗粒质量百分含量为50％，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为20V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为10毫秒，火焰面积为70平方毫米。
实施例7
MIC材料的制备：按照摩尔比为1:2称取纳米Mg和纳米金属氧化物NiO，将纳米金属Mg和纳米金属氧化物NiO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药TNT溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC质量百分含量为70％，超细炸药颗粒质量百分含量为30％，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为30V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为40毫秒，火焰面积为30平方毫米。
实施例8
MIC材料的制备：按照摩尔比为1:2称取纳米Mg和纳米金属氧化物NiO，将纳米金属Mg和纳米金属氧化物NiO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药TNT溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC与超细炸药颗粒质量比为1:99，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为30V的电，点燃芯片后，火焰不能持续，无火焰。
实施例9
MIC材料的制备：按照摩尔比为1:2称取纳米Mg和纳米金属氧化物NiO，将纳米金属Mg和纳米金属氧化物NiO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药TNT溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC与超细炸药颗粒质量比为99:1，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为30V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为30毫秒，火焰面积为25平方毫米。
实施例10
MIC材料的制备：按照摩尔比为3:8称取纳米Mg和纳米金属氧化物NiO，将纳米金属Mg和纳米金属氧化物NiO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药TATB溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC与超细炸药颗粒质量比为99:1，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为5V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为30毫秒，火焰面积为20平方毫米。
实施例11
MIC材料的制备：按照摩尔比为3:8称取纳米Mg和纳米金属氧化物PbO，将纳米金属Mg和纳米金属氧化物PbO在适量环己烷溶剂中混合均匀，然后真空干燥，得到MIC材料。
超细炸药颗粒的制备：将炸药TNB溶解在适量丙酮溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的适量非溶剂如蒸馏水中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒。
MIC-炸药复合材料的制备：将制得的MIC材料和制得的超细炸药颗粒加入适量环己烷溶剂中，MIC与超细炸药颗粒质量比为99:1，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料。
高能微点火芯片的集成：用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，得到高能微点火芯片。
在所述芯片的镀金层两端电极通电压为50V的电，点燃芯片后，火焰持续时间为25毫秒，火焰面积为20平方毫米。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (9)
1.一种高能微点火芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)MIC材料的制备
将纳米金属和纳米金属氧化物在溶剂中混合均匀，所述纳米金属的金属单质还原性强于所述纳米金属氧化物中金属元素的金属单质还原性，然后真空干燥，得到MIC材料；
(2)超细炸药颗粒的制备
将炸药原料溶解在溶剂中获得炸药溶液，然后将炸药溶液滴加入炸药原料的非溶剂中，搅拌析出炸药颗粒，再真空干燥得到超细炸药颗粒；
(3)MIC-炸药复合材料的制备
将步骤(1)制得的MIC材料和步骤(2)制得的超细炸药颗粒加入溶剂中，混合均匀，然后真空干燥，得到MIC-炸药复合材料；
(4)高能微点火芯片的集成
用三维打印机把MIC-炸药复合材料集成到SiO2/Cr/Pt/Au微加热器上，即得高能微点火芯片。
2.根据权利要求1所述的高能微点火芯片的制备方法，其特征在于所述纳米金属是纳米Al、Mg、Si和B中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高能微点火芯片的制备方法，其特征在于所述纳米金属氧化物是FeO、Fe2O3、CoO、NiO、Cu2O、CuO、Sb2O3、MoO2、MoO3、Cr2O3、PbO2、WO2、WO3中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的高能微点火芯片的制备方法，其特征在于所述纳米金属和纳米金属氧化物的摩尔比为1:2-3:8。
5.根据权利要求1所述的高能微点火芯片的制备方法，其特征在于所述炸药为BTF、DATB、TATB、DINGU、FEFO、CL-20、HMX、RDX、HNB、HNS、PETN、NC、NQ、Tetryl、TNB、TNT、AP中的一种。
6.根据权利要求1所述的高能微点火芯片的制备方法，其特征在于步骤(3)所述MIC材料和超细炸药颗粒的质量比为1:99-1:0。
7.根据权利要求1所述的高能微点火芯片的制备方法，其特征在于所述SiO2/Cr/Pt/Au微加热器的尺寸为1.5×1.5×1mm，电阻为2-10Ω。
8.根据权利要求1所述的高能微点火芯片的制备方法，其特征在于步骤(1)所述溶剂为环己烷或正己烷，步骤(2)所述溶剂为丙酮、二甲亚砜、乙酸乙酯或乙醇，步骤(2)所述非溶剂为蒸馏水或二氯甲烷，步骤(3)所述溶剂为环己烷或正己烷。
9.采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的高能微点火芯片。
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| GR01 | Patent grant |