DE10204834B4 - Explosionsfähige Zusammensetzung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer explosionsfähigen Zusammensetzung mit einem porösen Brennstoff und einem in die Poren des Brennstoffs eingebrachten Oxidator, welches die folgenden Schritte umfasst:
– Bereitstellen des porösen Brennstoffs als einen Festkörper aus Kristallen mit einer mittleren Größe von zwischen 2 und 1000 nm und einer Porosität (Poren /V Probe von zwischen 10 % und 98 % durch elektrochemisches Ätzen oder durch chemische, physikalische oder elektrochemische Abscheidungsverfahren;
– Passivieren des Brennstoffs durch Erwärmen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, insbesondere Luft, oder durch Aufbringen eines inerten Materials, unter Bildung einer Passivierungsschicht auf der inneren Oberfläche des Brennstoffs; und
– Einbringen eines bei Raumtemperatur festen oder flüssigen Oxidators in die Poren des Brennstoffs, wobei wenigstens 50 Gew.-% des Oxidators aus der aus Wasserstoffperoxid, Hydroxylammoniumnitrat, organischen Nitroverbindungen oder Nitraten, Alkalimetall- oder Erdalkalimetallnitraten, und Metallnitriten, -chloraten, -perchloraten, -bromaten, -jodaten, Metalloxiden, Metallperoxiden, Ammoniumperchlorat, Ammoniumnitrat und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine explosionsfähige Zusammensetzung mit einem porösen Brennstoff und einem Oxidator.
  • Explosionsfähige Materialien bestehen stets aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel, die gleichzeitig vorhanden sein müssen. Die bisher bekannten Brennstoffe enthalten zumeist Kohlenstoff und Wasserstoff, während als Oxidationsmittel sauerstoffhaltige Stoffe sowie Fluor oder Chlor verwendet werden. Für zivile Anwendungen ergibt sich eine Forderung nach umweltverträglichen, nichttoxischen Reaktionsprodukten, die während der Explosion freigesetzt werden. Damit ist die Verwendung von sauerstoffhaltigen Stoffen als Oxidationsmittel bevorzugt.
  • Als bekannte explosionsfähige Materialien, die auf diesem Prinzip beruhen, lassen sich beispielsweise Schwarzpulver, ein Gemisch aus Kaliumnitrat, Schwefel und Kohlenstoff, oder organische Sprengstoffe wie Trinitrotoluol (TNT) nennen.
  • Alle diese Zusammensetzungen oder Verbindungen weisen jedoch Nachteile auf, die ihre Anwendbarkeit einschränken. So ist die Stöchiometrie einstoffiger chemischer Verbindungen durch deren chemische Formel festgelegt. In aller Regel ist in diesen Verbindungen aber nicht genügend Sauerstoff vorhanden, um eine vollständige Verbrennung von Kohlenstoff und Wasserstoff zu gewährleisten. Dies führt unter anderem zu giftigen Reaktionsprodukten, wie beispielsweise Kohlenmonoxid. Des weiteren ist eine kritische Masse der chemischen Verbindung notwendig, um eine explosive Reaktion zu bewirken. Schließlich sind Einstoffsysteme hinsichtlich ihrer pyrotechnischen Eigenschaften nicht einstellbar, so daß die Zugabe von Hilfsmitteln und Moderatoren notwendig ist.
  • Aus mehreren Bestandteilen bestehende explosionsfähige Zusammensetzungen sind in ihrer pyrotechnischen Wirkung dagegen abhängig von physikalischen Größen, wie beispielsweise der Korngröße, des Mischungsverhältnisses und der Homogenität der Bestandteile. Alle Zusammensetzungen müssen zudem nach ihrer Herstellung durch Granulieren, Verpressen, Extrudieren oder Gießen in eine handhabbare Form gebracht werden. Des weiteren weisen diese Zusammensetzungen oft eine geringe Strukturfestigkeit auf.
  • Aus Physical Review Letters 87/6 (2001), Seiten 068301/1 bis 068301/4, ist bekannt, daß beim Zusammenbringen von flüssigem Sauerstoff mit porösem Silizium, welches durch elektrochemisches Ätzen von Silizium in einem fluorwasserstoffhaltigen Elektrolyt hergestellt wurde, eine spontane Explosion erfolgt.
  • In Adv. Mater., 2002, 14, Nr. 1, Seiten 38 bis 41 wird berichtet, daß ein mit Gadoliniumnitrat (Gd(NO3)3·6H2O) versetztes, frisch hergestelltes poröses Silizium durch Reiben mit einer Diamantspitze oder durch elektrische Funkenentladung zur Explosion gebracht werden kann. Das mit Gadoliniumnitrat versetzte poröse Silizium wird hier als Energiequelle für die Atomemissionsspektroskopie verwendet.
    •
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare und insbesondere für zivile Anwendungen einsetzbare stabile explosionsfähige Zusammensetzung bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird hierzu ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine explosionsfähige Zusammensetzung gemäß Anspruch 8 bereitgestellt.
  • Die erfindungsgemäße explosionsfähige Zusammensetzung ermöglicht eine Einstellbarkeit ihrer pyrotechnischen Eigenschaften in einem weiten Bereich. So läßt sich beispielsweise die Menge des in den porösen Brennstoff eingebrachten Oxidators über die Porosität des Brennstoffs, d. h., das Verhältnis des Porenvolumens zum Volumen der Probe, festlegen. Die Porosität kann beispielsweise durch elektronenmikroskopische Aufnahmen, gravimetrisch oder mittels TEM bestimmt werden. Bevorzugt beträgt die Porosität zwischen etwa 40 und 80%.
  • Die Strukturgröße bzw. die Größe und die Gestalt der Poren lassen sich ebenfalls in einem weiten Bereich variieren. Die Strukturgröße gibt die durchschnittliche Größe der Nanokristalle an, aus denen der Brennstoff aufgebaut ist, und liegt bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 50 nm, besonders bevorzugt zwischen 2 nm und 10 nm. Die Porengröße liegt bevorzugt in einem Bereich von zwischen 2 nm und 1000 nm.
  • Die geringe Strukturgröße des porösen Brennstoffs führt zu einer hohen spezifischen Oberfläche, die bevorzugt zwischen 200 und 1000 m2/cm3 beträgt. Damit ist ein optimaler Kontakt zwischen Brennstoff und Oxidator gewährleistet.
  • Der poröse Brennstoff ist vorzugsweise aus der aus Si, Ge, SiGe, SiC, InP, GaAs, C, Ti und Metallhydriden bestehenden Gruppe ausgewählt. Die Herstellung nanostrukturierter poröser Materialien aus diesen Stoffen ist in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben. Als Herstellungsverfahren eignen sich insbesondere chemische oder physikalische Abscheidungsverfahren, wie elektrochemische Abscheidung, CVD, PVD oder Sputtern.
  • Besonders bevorzugt ist der Brennstoff poröses Silizium. Die Verwendung von porösem Silizium ermöglicht die Integration in bekannte Halbleiterbauteile. Darüber hinaus steht mit dem elektrochemischen Ätzen von Silizium in fluoridhaltigen Lösungen ein relativ einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung des porösen Siliziums zur Verfügung.
  • Die Porosität und die Strukturgröße des porösen Siliziums können in bekannter Weise durch die Wahl geeigneter Ätzparameter eingestellt werden. So ist beispielsweise aus der WO-A-96/396990 bekannt, daß die Porosität des porösen Siliziums über die Fluoridkonzentration im Elektrolyten und den Anodisierungsstrom (Stromdichte) beeinflußt werden kann. Weitere Parameter sind der pH-Wert des Elektrolyten und die Behandlungsdauer sowie, gegebenenfalls, eine Belichtung des Siliziums während des Ätzens. Die Strukturgröße kann ferner auch über die Auswahl des Ausgangsmaterials (p- oder n-dotiertes Si, stark oder schwach dotiert) beinflusst werden.
  • Über die Ätzparameter kann schließlich auch eine anisotrope Porosität in den Brennstoff eingebracht werden. Dies bedeutet, daß die Porosität dreidimensional strukturiert wird und somit eine Geometrie zur Erzielung einer Richtwirkung des Abbrandes bzw. zur Steuerung der Abbrandgeschwindigkeit aufweist. Insbesondere können auf diese Weise Stege oder Wände in dem porösen Brennstoff erzeugt werden.
  • Der poröse Brennstoff ist wenigstens teilweise passiviert, das heißt die innere Oberfläche des Brennstoffs ist wenigstens zum Teil mit Sauerstoff abgesättigt oder in anderer Weise so verändert, daß eine zur Reaktion mit dem Oxidator zu überwindende Aktivierungsenergie erhöht ist. Die Passivierung kann beispielsweise durch Erwärmen des Brennstoffs in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oder Luft erfolgen, wie nachfolgend beschrieben wird. Durch die Passivierung wird eine weitere Einstellbarkeit der pyrotechnischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, wie beispielsweise deren Anzündbarkeit durch elektrische Entladung oder Einwirkung von UV-Licht, möglich.
  • Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, explodiert frisch hergestelltes poröses Silizium, welches mit flüssigem Sauerstoff oder Gadoliniumnitrat versetzt wurde, spontan bzw. bei minimaler Fremdeinwirkung durch Kratzen mit einem Diamantschneider. Diese Reaktion ist aus sicherheitstechnischen Gesichtspunkten problematisch. Darüber hinaus sind zur Zulassung als pyrotechnischer Treibsatz willkürliche Explosionen auszuschließen. Auch bezüglich einer weiteren Verarbeitung der porösen Silizium-Wafer (z.B. Zersägen des Wafers in einzelne Bauelemente oder Einkapseln der Elemente in Gehäuse) ist ein derartig spontanes Zündverhalten in der Praxis unerwünscht.
  • Da die chemische Reaktion des porösen Brennstoffes von der Oberfläche aus erfolgt, kann mittels einer weniger reaktiven Schutzschicht auf der Oberfläche der Nanokristalle die für das Zünden des Brennstoffs zu überwindende Aktivierungsenergie erhöht werden. Diese Passivierungsschicht kann nachträglich auf den porösen Brennstoff aufgebracht und aus einem inerten Material (z.B. Teflon) bestehen. Die Passivierungsschicht kann auch mittels thermischer, chemischer bzw. elektrochemischer Behandlung des Brennstoffes aufgebaut werden.
  • Im Fall des porösen Siliziums besteht die Oberfläche der Siliziumnanokristalle direkt nach dem Ätzen zum überwiegenden Teil aus Silizium-Wasserstoff-Bindungen (Si-H, Si-H2, Si-H3). Die Brennstoff/Oxidator-Reaktion setzt ein wenn eine Si-H-Bindung gebrochen wird und Silizium mit Sauerstoff zu Si-O bzw. Si-O2 unter Energieabgabe reagiert. Die geringe Aktivierungsenergie dieses Prozesses basiert auf der geringen Bindungsstärke der Si-H-Bindung, welche daher leicht gebrochen werden kann.
  • Eine stabile Passivierungsschicht kann z.B. durch Tempern der porösen Siliziumschicht in Luft (im Anschluß an das elektrochemische Ätzen vor dem Füllen mit dem Oxidator) gebildet werden. Abhängig von den Temperaturen bzw. der Dauer des Temperschritts sind verschiedene Passivierungsgrade einstellbar. Erfolgt das Tempern im Bereich von zwischen 150°C und 300°C, bevorzugt bei etwa 200°C, bildet sich nach bis zu ca. 1600 Minuten eine Sauerstoff-Submonolage aus Silizium-Sauerstoff-Bindungen (Si-O), welche eine höhere Bindungsenergie als die Silizium-Wasserstoff-Bindungen aufweisen. Die Oberfläche der Siliziumnanokristalle besteht nach dem Tempern aus H-Si-O-Komplexen, da bei etwa 200°C der Wasserstoff an der Oberfläche der Nanokristalle erhalten bleibt und Sauerstoff unter der ersten Monolage an Silizium gebunden wird. (Messung mit FTIR; siehe z.B.: "The oxidation behavior of silicon nanocrystals in the submonolayer region"; J. Diener, M. Ben-Chorin, D. Kovalev, G. Polisski, F. Koch; Materials and Devices for Silicon-Based Optoelectronics, Symposium. Mater. Res. Soc.; Warrendale, PA, USA, 1998, p. 261-6).
  • Um eine Reaktion des Brennstoffs mit dem Oxidator zu initiieren muß diese Si-O-Schicht aufgebrochen werden. Damit eine Si-O-Bindung in diesem Submonolagenbereich bricht, müssen mehrere Si-H Bindungen an der Oberfläche aufgebrochen werden. Dies erhöht die notwendige Aktivierungsenergie. Derart getemperte und beispielsweise mit Kaliumnitrat gefüllte Proben können mit einem Diamantschneider gekratzt und gebrochen werden, ohne zu explodieren. Sie sind auch weitestgehend stoßunempfindlich. Die Explosion läßt sich aber durch plötzliche Erwärmung, elektrische Entladung oder Einwirkung von UV-Licht auslösen.
  • Die Passivierung der Oberfläche des porösen Brennstoffs erhöht auch die Langzeitstabilität der explosionsfähigen Zusammensetzung, da eine zeitliche Änderung der Oberflächeneigenschaften des Brennstoffs unter Einfluß des Oxidators nicht mehr eintreten kann.
  • Wird das Tempern bei Temperaturen über etwa 300°C durchgeführt (z.B. 700°C, 30 Sekunden), wird der Wasserstoff von der Oberfläche der Nanokristalle abgetrieben und es bilden sich Schichten aus "reinen" Si-O-Bindungen. Um eine Reaktion des Brennstoffs mit dem Oxidator zu initiieren, muß diese Si-O-Schicht aufgebrochen werden. Da keine Si-H-Bindungen mehr vorhanden sind, die dies erleichtern, erhöht sich die Aktivierungsenergie nochmals. Darüber hinaus kann über die Temperzeit die Si-O-Schichtdicke eingestellt werden, da mit zunehmender Temperzeit die Schichtdicke wächst. Derart getemperte und mit Kaliumnitrat gefüllte Proben sind extrem stabil und handhabungssicher, können aber dennoch mittels einer plötzlichen Erwärmung zur Explosion gebracht werden.
  • Ein weiterer Vorteil einer solchen Passivierungsschicht mit vollständiger Sauerstoffbedeckung ist die Wirkung als Diffusionsbarriere gegenüber dem Sauerstoffüberschuss in den Poren, da neben explosionsartig verlaufenden Brennstoff/Oxidator-Reaktionen auch langsam ablaufende Oxidationsprozesse stattfinden können. Diese Degradation des pyrotechnischen Materials wird durch die Passivierung sicher verhindert und damit die Haltbarkeit der explosionsfähigen Zusammensetzung erhöht.
  • Der Oxidator besteht bevorzugt ganz oder teilweise aus Verbindungen, die aus der Gruppe der Alkalimetallnitrate und -perchlorate, Erdalkalimetallnitrate und -perchlorate, Ammoniumnitrat, Ammoniumperchlorat und deren Mischungen ausgewählt sind. Besonders bevorzugt ist der Oxidator ein Alkalimetallnitrat, wie Lithiumnitrat, Natriumnitrat und Kaliumnitrat, oder ein Erdalkalimetallnitrat, wie Strontiumnitrat. Bevorzugt liegt der Anteil dieser Verbindungen im Oxidator bei wenigstens 70 Gew.-%. Vorteilhafterweise werden solche Verbindungen verwendet, die eine ausreichende Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln, wie Alkoholen, Ethern und Ketonen, aufweisen.
  • Der Oxidator und der Brennstoff können etwa in einem stöchiometrischen Verhältnis vorliegen. Je nach Anwendungszweck kann der Oxidator im Verhältnis zum Brennstoff aber auch überbilanziert oder unterbilanziert sein.
  • Beispiele für einen Oxidator aus der Gruppe der organischen Nitroverbindungen sind Dinitromethan, Trinitromethan, Tetranitromethan, Dinitrofurazan, Nitroglyzerin oder 2,2,2-Trinitroethanol. Als organische Nitrate können Verbindungen verwendet werden, die eine Sauerstoffbilanz von größer als – 30 %, bevorzugt größer als – 20 % und besonders bevorzugt von größer als 0 % aufweisen. Geeignet sind insbesondere Glycerintrinitrat, 1,2,3,4-Butantetroltetranitrat, Aminotetrazolnitrat, Pentaerythrittetranitrat und Ethylendiamindinitrat. Mit "Sauerstoffbilanz" wird diejenige Menge an Sauerstoff (in Gewichtsprozent) bezeichnet, die bei vollständiger Umsetzung einer Verbindung zu CO2, H2O, etc. frei wird (O2-Überbilanzierung) oder fehlt (O2-Unterbilanzierung). Die Fehlmenge wird mit negativen Vorzeichen angegeben.
  • Das Einbringen des Oxidators in den porösen Brennstoff erfolgt vorzugsweise durch Auftragen des Oxidators als Flüssigkeit oder in Lösung, wobei die Flüssigkeit bzw. die Lösung über Kapillarkräfte in den Poren gehalten wird. Anschließend kann das Lösungsmittel verdampft werden, so daß der Oxidator in fester Form in den Poren verbleibt. Als Lösungsmittel werden bevorzugt Wasser, Alkohole, Ether, Ketone oder deren Gemische verwendet. Ferner kann das Einbringen des Oxidators auch durch Auftrag als Schmelze mit anschließender Erstarrung in den Poren, oder durch elektrochemische Abscheidungsverfahren erfolgen. Weiterhin ist das Einbringen des Oxidators auch durch chemisches Aufdampfen (CVD, MOCVD) oder physikalisches Aufdampfen (PVD) möglich.
  • Die erfindungsgemäße Zusammensetzung weist den Vorteil auf, daß für den Abbrand keine Verdampfung von Brennstoff und/oder Oxidator notwendig ist, da die Reaktanden bereits auf atomarer oder molekularer Ebene homogen miteinander vermischt sind. Damit wird eine herausragende Homogenität des pyrotechnischen Satzes bzw. des explosionsfähigen Materials erreicht.
  • Die erfindungsgemäße Zusammensetzung weist zudem eine hohe Strukturfestigkeit auf, da der Brennstoff als feste, formgebende Matrix vorliegt. Die Zusammensetzung kann somit als tragendes Bauteil in pyrotechnischen Gegenständen, z. B. Anzündern, verwendet werden. Im Falle der Verwendung von porösem Silizium als Brennstoff sind außerdem die aus der Halbleitertechnik und Mikromechanik bekannten Herstellverfahren anwendbar. Damit besteht die Möglichkeit zu kostengünstiger Produktion unter Verwendung von Standardbauteilen. Insbesondere wird die vollständige Integration der erfindungsgemäßen Zusammensetzung in Halbleiterschaltkreise ermöglicht.
  • Gegenstand der Erfindung sind somit auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung als Zündmittel bzw. als Bestandteil eines Anzünders. Dieser Anzünder kann in vorteilhafter Weise in einem Halbleiterschaltkreis integriert sein. Insbesondere kann der Anzünder Bestandteil eines Sicherheitssystems in Fahrzeugen, wie beispielsweise eines Gasgenerators für einen Gurtstraffer oder ein Gassackmodul sein.
  • Darüber hinaus ist denkbar, die explosionsfähige Zusammensetzung gemäß der Erfindung als Bestandteil eines mikromechanischen Antriebs zu verwenden. Auch dieser mikromechanische Antrieb kann vorteilhafterweise in einen Halbleiterschaltkreis integriert sein.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
    •
  • Zur Herstellung der erfindungsgemäßen explosionsfähigen Zusammensetzung wird zunächst poröses, nanostrukturiertes Silizium bereitgestellt. Grundsätzlich stehen für die technische Herstellung dieses Materials eine Vielzahl von Technologien zur Verfügung. Hierzu zählen Verfahren, die auf der Abscheidung des Siliziums aus der Gasphase beruhen, wie beispielsweise MOCVD, MBE, CVD, PVD oder Sputtern. Diese Verfahren sind jedoch komplex und kostenintensiv und deshalb weniger bevorzugt.
  • Erfindungsgemäß wird das poröse Silizium hier durch elektrochemisches Ätzen gemäß dem in Materials Science and Engineering B 69 – 70 (2000) 11- 22 oder Phys. Rev. Lett. (2001), 87, 68 301 ff., beschriebenen Verfahren bereitgestellt. Hierzu wird ein Siliziumsubstrat in einer Ätzzelle als Anode geschaltet und in einem fluorwasserstoffhaltigen Elektrolyten, beispielsweise einem Gemisch aus gleichen Volumenanteilen von Ethanol und konzentrierter Fluorwasserstoffsäure (50 %ig) bei einem Anodisierungsstrom von zwischen 20 und 70 mA/cm2 behandelt. Das Siliziumsubstrat ist in diesem Fall p-dotiert, kann aber auch n-dotiert oder undotiert sein. Das Volumenverhältnis von HF und Ethanol variiert bevorzugt im Bereich zwischen 3:1 und 1: 3. Die Porosität des so erhaltenen Siliziums lag im Bereich zwischen 40 % und 80 %. Die Strukturgröße variierte zwischen 2 und 10 nm.
  • Das so erhaltene poröse Silizium wurde mit einer Kaliumnitratlösung getränkt und anschließend an Luft getrocknet. Mit Hilfe eines elektrischen Funkens konnte eine starke Explosion ausgelöst werden. Theoretische Berechnungen ergaben für die Explosion eine Energiefreisetzung im Bereich von 28 kJ/g. Die berechneten Verbrennungstemperaturen lagen im Bereich zwischen 2900 und 4100 K.
  • Geeignete explosionsfähige Zusammensetzungen sind in der folgenden Tabelle angegeben. Bevorzugt weisen diese Zusammensetzungen etwa 20 bis 50 Gew.-% poröses Silizium und etwa 50 bis 80 Gew.-% eines Alkalimetallnitrats als Oxidationsmittel auf.
  • Figure 00110001
  • Die Ergebnisse zeigen, daß sich das System poröses Silizium/Kaliumnitrat zur Verwendung als explosionsfähiges Material eignet. Über die Porosität des porösen Siliziums kann die Stärke der Explosion gesteuert werden, da das Porenvolumen die Menge des eingebrachten Oxidationsmittels und damit die Stöchiometrie der Reaktionspartner festlegt. Die über die Stromdichte bzw. die Fluoridkonzentration beim Ätzen leicht zu kontrollierende Porosität ermöglicht eine Optimierung der Sprengkraft mit einfachen Mitteln. Gleichzeitig kann durch das so vorgegebene Verhältnis von Brennstoff zu Oxidationsmittel der gesamte Bereich der Oxidationsreaktion von der Verbrennung über die Verpuffung bis zur Explosion mit nur einer Zusammensetzung abgedeckt werden. Die Oxidation erfolgt im Gegensatz zu dem System poröses Silizium/flüssiger Sauerstoff nicht spontan, sondern läßt sich beispielsweise durch einen Stromimpuls gezielt auslösen.
  • Durch die Verwendung von porösem Silizium als Ausgangsmaterial ist es ferner möglich, die explosive Zusammensetzung auf der Grundlage von porösem Silizium zusammen mit der Ansteuerelektronik kompakt auf einem Chip zu integrieren. Damit ist die Verwendung der erfindungsgemäßen explosionsfähigen Zusammensetzung als Zündmittel bzw. als in einen Halbleiterschaltkreis integrierten Anzünder vorgegeben. Hierdurch wird eine Miniaturisierung bereits bekannter Systeme ermöglicht, deren Funktionsprinzip auf einer Explosion beruht. Der so hergestellte Anzünder kann in einem Sicherheitssystem für Fahrzeuge, beispielsweise einem Gassackmodul oder einem Gurtstraffer, eingesetzt werden.
  • Mit Schichten aus der erfindungsgemäßen explosionsfähigen Zusammensetzung auf der Grundlage von porösem Silizium können darüber hinaus Muster in anderen Materialien erzeugt werden. Die Schichten können mit einer lateralen Ausdehnung von einigen hundert Mikrometern hergestellt werden, wobei die Schichtdicke im Bereich von einigen Mikrometern liegt. Die resultierende zweidimensionale Geometrie ergibt bei der Explosion eine gerichtete Druckwelle, die sich senkrecht zur Schicht ausbreitet. Damit werden gezielt räumliche Bereiche deformiert und Muster erzeugt, die benachbarten Gebiete jedoch nicht beeinflußt. In Verbindung mit der Maskentechnologie der Mikroelektronik können so die unterschiedlichsten Geometrien der auf porösem Silizium beruhenden explosionsfähigen Zusammensetzung und damit die unterschiedlichsten Druckwellenprofile hergestellt werden. Kleine Mengen der explosionsfähigen Zusammensetzung lassen eine Strukturierung im Mikrometerbereich zu.

Claims (25)

  1. Verfahren zur Herstellung einer explosionsfähigen Zusammensetzung mit einem porösen Brennstoff und einem in die Poren des Brennstoffs eingebrachten Oxidator, welches die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen des porösen Brennstoffs als einen Festkörper aus Kristallen mit einer mittleren Größe von zwischen 2 und 1000 nm und einer Porosität (Poren /V Probe von zwischen 10 % und 98 % durch elektrochemisches Ätzen oder durch chemische, physikalische oder elektrochemische Abscheidungsverfahren; – Passivieren des Brennstoffs durch Erwärmen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, insbesondere Luft, oder durch Aufbringen eines inerten Materials, unter Bildung einer Passivierungsschicht auf der inneren Oberfläche des Brennstoffs; und – Einbringen eines bei Raumtemperatur festen oder flüssigen Oxidators in die Poren des Brennstoffs, wobei wenigstens 50 Gew.-% des Oxidators aus der aus Wasserstoffperoxid, Hydroxylammoniumnitrat, organischen Nitroverbindungen oder Nitraten, Alkalimetall- oder Erdalkalimetallnitraten, und Metallnitriten, -chloraten, -perchloraten, -bromaten, -jodaten, Metalloxiden, Metallperoxiden, Ammoniumperchlorat, Ammoniumnitrat und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff aus der aus Si, Ge, SiGe, SiC, InP, GaAs, C, Be, Mg, Al, Ti und Metallhydriden sowie Kombinationen und Verbindungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff durch elektrochemisches Ätzen hergestelltes poröses Silizium bereitgestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierung durch Tempern an Luft unter Bildung einer Sauerstoff-Submonolage erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern bei einer Temperatur von zwischen 150 und 300 °C erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierung durch Tempern an Luft bei einer Temperatur von über 300 °C unter Bildung einer von Si-H Bindungen freien inneren Oberfläche des porösen Siliziums erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator durch Auftragen als Flüssigkeit, Schmelze oder gelöst in einem Lösungsmittel in die Poren des Brennstoffs eingebracht wird.
  8. Explosionsfähige Zusammensetzung mit einem porösen Brennstoff und einem Oxidator, wobei der Brennstoff ein Festkörper aus Kristallen mit einer mittleren Größe von zwischen 2 nm und 1000 nm und einer Porosität (Poren / V Probe) von zwischen 10 % und 98 % ist und aus der aus Si, Ge, SiGe, SiC, InP, GaAs, C, Ti und Metallhydriden sowie Kombinationen und Verbindungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und wobei der bei Raumtemperatur feste oder flüssige Oxidator in die Poren des porösen Brennstoffs eingebracht und zu wenigstens 50 Gew. %, bezogen auf die Gesamtmenge des Oxidators, aus der aus Wasserstoffperoxid, Hydroxylammoniumnitrat, organischen Nitroverbindungen oder Nitraten, Alkalimetall- oder Erdalkalimetallnitraten und Metallnitriten, -chloraten, -perchloraten, -bromaten, -jodaten, Metalloxiden, -peroxiden, Ammoniumperchlorat, Ammoniumnitrat und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des Brennstoffs wenigstens zum Teil mit Sauerstoff abgesättigt oder in anderer Weise so verändert ist, daß eine zur Reaktion mit dem Oxidator zu überwindende Aktivierungsenergie erhöht ist.
  9. Zusammensetzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Größe der Kristalle zwischen 2 nm und 50 nm liegt.
  10. Zusammensetzung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff eine innere (spezifische) Oberfläche von bis zu 1000 m2/cm3 aufweist.
  11. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch elektrochemisches Ätzen hergestelltes poröses Silizium ist.
  12. Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des porösen Siliziums eine Passivierungsschicht aus einer Sauerstoff-Submonolage aufweist.
  13. Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, das die innere Oberfläche des porösen Siliziums frei von Si-H Bindungen ist.
  14. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 50 und 100 Gew.-% des Oxidators aus einer Verbindung besteht, die aus der aus den Alkalimetallnitraten und -perchloraten, Erdalkalimetallnitraten und -perchloraten, Ammoniumnitrat, Ammoniumperchlorat und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  15. Zusammensetzung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator ein Alkalimetallnitrat oder Erdalkalimetallnitrat ist.
  16. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff eine anisotrope Porosität aufweist.
  17. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator und der Brennstoff etwa in einem stöchiometrischen Verhältnis vorliegen.
  18. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator im Verhältnis zum Brennstoff überbilanziert ist.
  19. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator im Verhältnis zum Brennstoff unterbilanziert ist.
  20. Verwendung der explosionsfähigen Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 8 bis 19 als Zündmittel.
  21. Verwendung der explosionsfähigen Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 8 bis 19 als Bestandteil eines Anzünders.
  22. Verwendung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Anzünder in einen Halbleiterschaltkreis integriert ist.
  23. Verwendung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Anzünder Bestandteil eines Sicherheitssystems in Fahrzeugen ist.
  24. Verwendung der explosionsfähigen Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 8 bis 19 als Bestandteil eines mikromechanischen Antriebs.
  25. Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der mikromechanische Antrieb in einen Halbleiterschaltkreis integriert ist.
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