基于多孔硅含能材料研究进展.ppt

基于多孔硅的含能材料研究进展 CONTENTS 1.硅复合含能材料的提出 3.多孔硅的应用 2.多孔硅的原理 4.多孔硅的制备 5.基于多孔硅的含能材料研究 1.硅复合含能材料的提出 目前的含能材料大多为混合物，一般包括氧化剂、可燃剂和功能添加剂。含能密度的高低一般取决于氧化剂和可燃剂的固有特性。 多孔硅的含能材料是将硅元素作为此含能材料的可燃剂。硅是碳的同族元素，理论上较之碳具有更高能量密度，并且硅较之碳在同等条件下具有更高的化学稳定性。新型含能材料的研究主要有两个方面。 一是深入研究高能量密度的含能材料，如以C60、N60原子簇及以多孔硅为基础的含能材料和ADN氧化剂及GAP等； 二是基于安全因素和更为广泛的应用的因素，研制具有较高和可靠的能量释放激活门槛的含能材料。 其中硅在自然界具有极为稳定的存在形态，所以理论上多孔硅的含能材料在一个宽泛的外界环境和条件下具有较之基于C60、N60原子簇等含能材料更为可靠的能量释放激活门槛。 1. 硅复合含能材料的提出 多孔硅是一种具有以纳米硅原子簇为骨架的海绵状结构的新型功能材料，它有着极其丰富的形貌特征，而且与本征硅的性质有很大的差异，如比面积大(102 m2/cm3 )、电阻率高、生物相容性好等， 基于多孔硅的含能材料具备如下优点： 一、含能密度较高； 二、具有较高的能量释放激活门槛。 1. 硅复合含能材料的提出 自1990年L.T.Canham首次发现了多孔硅的发光性能后，多孔硅的研究开始引起人们的极大兴趣如在高能多孔硅含能材料方面的研究. 1992年美国的Bardd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. 后来S.K.Lazarouk等发现多孔硅在空气中的高速氧化过程表现为燃烧或爆炸. 2007年D.P.Monuko发现以多孔硅为基体的高能含能材料，其后W.Churaman等又对相关多孔硅含能材料进行了更为深入的研究。 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. 1. 硅复合含能材料的提出 近年来人们发现多孔硅能够成为燃烧反应材料 根据测量燃烧反应的时间尺度在毫秒量级。 在低温液氧多孔硅氧化炸药的爆炸中约有1000次的高速反应。后来另一种多孔硅固体合成系统展示了在室温下的爆炸操作。 多孔硅的特殊形态极大地增加了关键爆炸反应的氧化反应速率和在限定空间内可能的关键爆炸反应次数。 1. 硅复合含能材料的提出 基于硅含能材料的高效炸药的基本原理是:利用多孔硅和特定氧化剂的混合来形成爆炸组分。要保证纳米硅含有尽可能多的有效爆炸反应表面积。 多孔硅的表面积增加爆炸反应的氧化反应速率，多孔硅层可以产生在纳米大小的晶体中，并且具有大的内部表面积（102 m2/cm3） ，决定表面积的关键因素是孔隙率，其数值大小直接影响到多孔硅的性能。 晶体硅进行电化学蚀刻形成多孔硅，对于工业应用存在两个关键参数，层厚度和层生长速率。 利用Witten和Sanders提出了扩散限制模型及Parkhutik提出的设置蚀刻参数模型。 大多数多孔硅层保持机械稳定性的最大深度为百微米量级。 至此，硅复合含能材料的概念已经初具轮廓，并且展现了作为一种新型含能材料被应用到诸多相关领域的可能。 2. 多孔硅的原理 多孔硅是一种具有以纳米硅原子簇为骨架的海绵状结构的新型功能材料， 其中多孔硅层是由硅构成的孔结构和硅构成的支撑结构组成的，孔结构由包含大到微米级的大孔和小到纳米级的小孔的海棉状结构组成。支撑结构的形状及其强度在一定程度上决定了多孔硅层的孔隙率和孔深度。 多孔硅的孔径大小由制备时的相关条件决定，如：蚀刻液浓度、蚀刻电流密度、蚀刻电流方式、硅片类型、硅片前处理方式和后处理方式等条件。 直至今日，对于多孔硅的形成机理存在争论。不同学者提出了主要包括研究模型：扩散限制模型、场强化模型、表面弯曲模型、耗尽层模型和量子限制模型。 2. 多孔硅的原理（研究模型） 扩散限制模型：Witten和Sander认为，空穴通过扩散运动到硅表面并参与表面硅原子的氧化反应形成孔，体硅中一个扩散长度内的空穴不断产生并向Si/HF酸溶液界面扩散，是维持电化学腐蚀过程不断进行的前提。 孔底优先生长是由于空穴的扩散运动是随机的，界面凹陷处获取空穴的几率最大，所以增强那里的腐蚀并形成正反馈，孔壁获取空穴的几率较小而溶解减慢直至停止。已用该模型并利用计算机模拟得到了多孔硅的微结构。 耗尽层模型：Beale认为，硅原子在HF酸溶