專利名稱：孔內嵌導電含能材料的點火器件及其制法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于火工技術，適用于航空航天、民用爆破、微機電系統(tǒng)、自動控制、汽車用安全氣囊等軍民領域，特別是一種孔內嵌導電含能材料的點火器件及其制法。
背景技術：
Michael J. Milor等人發(fā)明的多孔硅基含能材料是通過在多孔硅中填充硝酸鹽、高氯酸鹽、氟化鹽等固態(tài)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積和高表面活性，因此其被氧化時可以釋以出大量的能量，點燃下一級裝藥，與此同時由于多孔硅制備的工藝與MEMS微電子制造工藝具有很好的兼容性，并且硅是半導體工業(yè)中使用最多的原材料之一，因此這些特點使得大規(guī)模成批次制備MEMS含能芯片成為一種可能。德國的Achim Hofmarm等以硅、鍺、鍺化硅、炭化硅、磷化銦、砷化鎵等為基質制得的多孔材料作為燃料，以過氧化氫、堿金屬堿土金屬的氯酸鹽、高氯酸鹽、溴酸鹽、碘酸鹽以及氧化物、過氧化物等作為氧化劑，制備出了新型的具有爆炸性的復合含能材料(Achim Hofmann, Horst Laucht, Dimitri Kovalev, etal. Explosive Composition and its Use.US :2005/0072502)ο上述兩個專利多孔材料由于具有高的比表面積和高的表面活性，因此能夠快速放出大量的能量；且多孔材料的制備工藝和MEMS微電子制造工藝具有很好的兼容性，因此使得大規(guī)模成批次制備成為了可能。但是上述專利中所用材料沒有或少有金屬等導電物質， 因此如果做成點火器件用于電點火系統(tǒng)中時，由于發(fā)火電路不能導通，將不可避免的面臨使用的難題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種孔內嵌導電含能材料的點火器件及其制法，該器件同時具備點火能力強、發(fā)火時間短、制備工藝簡單、能與MEMS工藝兼容、制作成本較低等優(yōu)
點ο實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種孔內嵌導電含能材料的點火器件，包括基底、電極，在基底上設置兩個電極，在兩個電極之間的基底上設置多孔材料。—種孔內嵌導電含能材料的點火器件的制法，在基底上設置兩個電極，在兩個電極之間的基底上進行腐蝕形成多孔材料，在多孔材料中填充能導電的含能材料從而構成電橋，使電橋通電后產生火花。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點(1)在器件電極之間由于有金屬等導電物質的存在，解決了上述兩個專利中點火器件的電流難以導通的難題，使得器件更容易使用。 (2)多孔材料孔內裝填的亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物(也稱為超級鋁熱劑)或炸藥與金屬或金屬化合物反應生成炸藥的金屬鹽等使得器件的能量輸出變大，點火能力強。(3)多孔材料以及在其孔內嵌能導電的含能材料的制備裝填工藝能夠與MEMS制備工藝很好的兼容，因此能夠大規(guī)模成批次制備，生產成本低。(4)由于將亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物(也稱為超級鋁熱劑)裝填到微米特別是納米的多孔材料中，解決了亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物的團聚問題，從而使亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物很好的發(fā)揮其優(yōu)良特性，使其發(fā)火時間短。(5)由于直接將生成的炸藥的金屬鹽原位裝在在電極中間的電橋位置上，省去了含能材料的裝藥等過程，且其裝藥量少，因此其生產的安全性得到了很大的提高。(6)該含能器件的制備工藝使得含能材料更容易器件化和功能化，同時由于含能材料的存在也使微電子芯片的功能更加多樣化。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是本發(fā)明含能點火器件的俯視圖。圖2是本發(fā)明含能點火器件的一種實施例的剖面圖。圖3是本發(fā)明含能點火器件的另一種實施例的剖面圖。
具體實施例方式結合圖1，本發(fā)明孔內嵌導電含能材料的點火器件及其制法，包括基底1、電極2， 在基底1上設置兩個電極2，在兩個電極2之間的基底1上設置多孔材料3，即在基底1上設置兩個電極2，在兩個電極2之間的基底1上進行腐蝕形成多孔材料3，在多孔材料3中填充能導電的含能材料從而構成電橋，使電橋通電后產生火花?？變惹赌軐щ姷暮懿牧系亩嗫撞牧系暮芷骷钠拭鎴D如圖2所示?？變惹赌軐щ姷暮懿牧系亩嗫钻嚵械暮芷骷钠拭鎴D如圖3所示?；?的材料與多孔材料3 相同，為硅、鎂、鋁、鈦、銅中的一種或兩種以上組合構成多孔或孔的陣列。電極2為Ag、Al、 Ba、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Fe、Hf、In、Mg、Pb、Mo、Ni、Zr、Zn 或 Ti/Pt/Au 金屬或上述金屬的合金。多孔材料3的孔徑為2nm-10um。多孔材料3的孔內嵌能導電的含能材料。作為骨架的多孔材料或陣列可以作為亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物的成分之一或炸藥的金屬鹽的反應材料。多孔材料中還可以裝填其它氧化物或炸藥等含能材料作為改善其輸出性能的物質。含能材料為亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物(也稱為超級鋁熱劑)、或者炸藥與金屬反應生成炸藥的金屬鹽、或者炸藥與金屬化合物反應生成炸藥的金屬鹽。其中亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物是金屬氧化物與活性金屬形成的亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物，其中金屬氧化物為氧化銅、氧化鐵、氧化鉬或氧化鉻， 活性金屬為鎂、鋁或鈦。炸藥與金屬反應生成炸藥的金屬鹽，其中炸藥為硝基酚類化合物、 疊氮酸或疊氮化氫中的一種或一種以上的組合，金屬為鐵、鋁、鉛、銅、鎂、鋅、鋇的一種或一種以上的組合，金屬化合物為上述金屬的對應的化合物。實施例1
本發(fā)明的第一步是制備無序或陣列式多孔材料，具體到本實施例中是制備陣列式的多孔硅。制備多孔硅有多種方法，比如化學氣相沉積、物理氣相沉積、分子束外延、電化學腐蝕、化學腐蝕、水熱腐蝕、化學刻蝕等，本實施例采用電化學腐蝕的方法制備出特定形狀和結構的多孔硅器件。通常情況下微孔道多孔硅陣列的制作是常規(guī)的電化學腐蝕法，然而常規(guī)電化學腐蝕法制備微孔道多孔硅陣列需要進行基底背面打磨和拋光薄化的工藝，該工藝耗時，成本高，不適合大規(guī)模生產，并且在拋光薄化過程中會產生眾多粒子從而堵塞多空陣列的微孔道，從而最終影響到其在應用中的性能。本專利采用改進的電化學腐蝕法，利用稀釋的HF/ DMF溶解為電解液一步制備微孔道多孔硅陣列薄片，從而可以成功地避免上述工藝中可能遇到的問題。具體步驟如下首先通過熱氧化作用在硅基底表面形成一定厚度的二氧化硅氧化層，然后利用標準的光刻工藝將二氧化硅氧化層刻蝕成一定的圖形，隨后在HF緩沖溶液當中進行濕法刻蝕以打開刻蝕窗口。然后在四甲基氫氧化銨的溶液中化學刻蝕30min，形成了作為陽極氧化孔洞中心錐體樣的刻痕。之后在稀釋的HF/DMF溶液當中通過電化學腐蝕，刻蝕掉二氧化硅層并形成微孔道結構。本發(fā)明的第二步是將亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物(也稱為超級鋁熱劑)制備及裝填到已制好的多孔材料中，首先是將金屬氧化物制備及裝填到多孔材料中，具體到本實施例是將氧化鐵制備及裝填到多孔材料中。制備氧化鐵的方法有水熱合成法、溶膠凝膠法、電化學法等，本實施例采用溶膠凝膠的方法制備出微納米的氧化鐵，并將制得的氧化鐵裝填入多孔硅器件中。具體步驟為將一定比例的硫酸鐵和硝酸鐵溶入水中，并加熱到80°C，然后將 C6H8O7 · H2O的氨水溶液滴加到上述的鐵鹽溶液中，直至PH值為9，然后在升溫到180°C保持數(shù)小時即得到氧化鐵溶膠。將制得的多孔硅器件浸入到氧化鐵溶膠中保持數(shù)小時后取出， 并在450°C下真空退火M小時，即得到含有氧化鐵的多孔硅器件。然后將上述材料在含有納米鋁粉的溶液中浸泡并超聲3小時，然后真空干燥即得含有納米鋁和氧化鐵的多孔硅器件。實施例2
本發(fā)明的第一步是制備無序或陣列式多孔材料，具體到本實施例中是制備多孔鎂。本實施例采取金屬鍍覆工藝制備多孔鎂，該工藝主要經過硬化、化學預鍍和電鍍三個步驟，將金屬鎂鍍覆在聚氨基甲酸乙酯材料上，然后將酯基體用熱分解法去除從而得到多孔金屬鎂。然后將上述材料在含有納米氧化鉻的溶液中浸泡并超聲3小時，然后真空干燥即得含有多孔鎂和氧化鉻的含能點火器件。實施例3
本發(fā)明的第一步是制備無序或陣列式多孔材料，具體到本實施例中是制備多孔硅。制備多孔硅有多種方法，比如化學氣相沉積、物理氣相沉積、分子束外延、電化學腐蝕、化學腐蝕、水熱腐蝕、化學刻蝕等，本實施例采用電化學腐蝕的方法制備出特定形狀和結構的多孔硅器件。本發(fā)明的第二部是制備氧化銅并將制得的氧化銅裝入多孔硅器件中。制備氧化銅的方法有沉淀轉化法、室溫固相反應法、溶膠凝膠法等，本實施例采用溶膠凝膠的方法制備出微納米的氧化銅，并將制得的氧化銅裝填入多孔硅器件中。具體步驟為分別配置一定濃度的硝酸銅和檸檬酸溶液，然后在強力攪拌情況下將檸檬酸溶液緩緩加入到硝酸銅溶液中，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適量的聚乙二醇后在80°C靜置數(shù)小時后形成溶膠。將制得的多孔硅器件浸入到溶膠中保持數(shù)小時后取出，并在300°C下真空退火12小時，即得到含有氧化銅的多孔硅器件。然后將硝基酚類化合物、疊氮酸或疊氮化氫中的一種或多種溶液滴入含有氧化銅的多孔硅器件中，本實施例是將含有疊氮化氫的溶液滴入器件中，最終形成了含有疊氮化銅的含能器件。實施例4本發(fā)明的第一步是制備無序或陣列式多孔材料，具體到本實施例中是制備多孔鋁。本實施例采取兩步陽極氧化制備微納米尺度的多孔鋁。選用高純的鋁片，先將鋁片按一定形狀掩膜，然后將鋁片做陽極，銅或鉬做陰極，在一定濃度的草酸液中利用恒壓或恒流電源， 在較低的溫度下電解，電解時間根據(jù)需要腐蝕的厚度決定。氧化完成進行電化學拋光，然后再按上述條件進行進一步氧化，最終制備成微納米孔徑的多孔鋁。然后將硝基酚類化合物、 疊氮酸或疊氮化氫中的一種或多種溶液滴入多孔鋁中，本實施例是將含有硝基酚類化合物中的一種苦味酸的溶液滴入器件中，最終形成了含有苦味酸鋁的含能器件。
權利要求
1.一種孔內嵌導電含能材料的點火器件，包括基底[1]、電極[2]，其特征在于在基底 [1]上設置兩個電極[2]，在兩個電極[2]之間的基底[1]上設置多孔材料[3]。
2.根據(jù)權利要求1所述的孔內嵌導電含能材料的點火器件，其特征在于多孔材料[3] 為硅、鎂、鋁、鈦、銅中的一種或兩種以上組合構成多孔或孔的陣列。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的孔內嵌導電含能材料的點火器件，其特征在于多孔材料[3]的孔徑為2nm-10um。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的孔內嵌導電含能材料的點火器件，其特征在于多孔材料[3]的孔內嵌能導電的含能材料。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的孔內嵌導電含能材料的點火器件，其特征在于含能材料為亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物、或者炸藥與金屬反應生成炸藥的金屬鹽、或者炸藥與金屬化合物反應生成炸藥的金屬鹽。
6.根據(jù)權利要求5所述的孔內嵌導電含能材料的點火器件，其特征在于亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物是金屬氧化物與活性金屬形成的亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物，其中金屬氧化物為氧化銅、氧化鐵、氧化鉬或氧化鉻，活性金屬為鎂、鋁或鈦。
7.根據(jù)權利要求5所述的孔內嵌導電含能材料的點火器件，其特征在于炸藥與金屬反應生成炸藥的金屬鹽，其中炸藥為硝基酚類化合物、疊氮酸或疊氮化氫中的一種或一種以上的組合，金屬為鐵、鋁、鉛、銅、鎂、鋅、鋇的一種或一種以上的組合，金屬化合物為上述金屬的對應的化合物。
8.—種孔內嵌導電含能材料的點火器件的制法，其特征在于在基底[1]上設置兩個電極[2]，在兩個電極[2]之間的基底[1]上進行腐蝕形成多孔材料[3]，在多孔材料[3] 中填充能導電的含能材料從而構成電橋，使電橋通電后產生火花。
9.根據(jù)權利要求8所述的孔內嵌導電含能材料的點火器件的制法，其特征在于基底 [1]的材料與多孔材料[3]相同，為硅、鎂、鋁、鈦、銅中的一種或兩種以上組合構成多孔或孔的陣列。
10.根據(jù)權利要求8所述的孔內嵌導電含能材料的點火器件的制法，其特征在于含能材料為亞穩(wěn)態(tài)分子間化合物、或者炸藥與金屬反應生成炸藥的金屬鹽、或者炸藥與金屬化合物反應生成炸藥的金屬鹽。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種孔內嵌導電含能材料的點火器件及其制法，包括基底、電極，在基底上設置兩個電極，在兩個電極之間的基底上進行腐蝕形成多孔材料，在多孔材料中填充能導電的含能材料從而構成電橋，使電橋通電后產生火花。本發(fā)明在器件電極之間由于有金屬等導電物質的存在，解決了上述兩個專利中點火器件的電流難以導通的難題，使得器件更容易使用，省去了含能材料的裝藥等過程，且其裝藥量少，因此其生產的安全性得到了很大的提高。
文檔編號F23Q3/00GK102278769SQ20111023127
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權日2011年8月12日
發(fā)明者葉家海, 張文超, 彭泓錚, 徐振相, 田桂蓉, 秦志春 申請人:南京理工大學