纳米多孔硅粉的制备及其在含能材料中的应用

纳米多孔硅粉的制备及其在含能材料中的应用纳米多孔硅(nano porous silicon, nPS)是一种在硅表面形成微纳米多孔结构的硅基底材料,被广泛应用于电子元件、发光元件、生物传感器以及MEMS含能器件中。自20世纪50年代发明以来,受到了广泛的关注。

1992年Bard教授首先发现了nPS的低温爆炸性能,自此nPS被逐步应用于进纳米含能材料。以多晶硅粉为原料,HF、HNO3、NaNO2混合液为腐蚀体系,利用化学腐蚀法制备了nPS粉。

应用氮吸附技术、SEM、DSC-TG以及FTIR技术分别对nPS粉的比表面积、平均孔径、表面形貌、热性能及官能团进行了表征及分析,研究了HN03浓度、腐蚀时间以及原料Si粉粒径对nPS粉理化性质的影响,优化了化学腐蚀条件,得出nPS粉最佳制备方案。以NaC104为氧化剂,制备了nPS/NaClO4复合含能材料,红外热成像仪对复合含能材料的燃烧温度进行测试,利用DSC-TG以及XRD衍射测试对复合含能材料的燃烧机理进行分析。

利用化学沉淀法制备了nPS/BaCrO4延期药,进行了燃速测试并计算了其延期精度,具体研究内容与结果如下：(1)利用化学腐蚀法制备了nPS粉体,SEM测试结果显示,nPS粉体颗粒表面产生了大量的纳米孔洞,氮吸附实验结果表明比表面积得到大幅度提升,FTIR谱图显示nPS表面产生了较高密度的Si-Hx键。腐蚀液体系中HN03浓度是影响孔径大小及分布的主要原因；在相同的腐蚀液浓度下,延长腐蚀时间、减小原料Si粉粒径可以有效的增大nPS粉的比表面积。

确定了nPS粉的最优腐蚀条件,所制备的nPS粉比表面积最大可达到

72.4m2/g。热分析结果显示,当环境中氧气含量充足时,nPS粉氧化反应提前至400℃；(2)按照1：1的质量配比,利用超声波填充技术,制备了nPS/NaClO4复合

含能材料。

该复合含能材料在燃烧过程中会发生多次燃烧现象,最高火焰温度达到2444℃。对比Si/NaCl04,根据DSC-TG测试结果,推论得出nPS/NaClO4的燃烧机理。

固体燃烧产物的XRD检测结果在一定程度上验证了该推论的合理性；(3)与

Si/NaC104含能材料相比,nPS/NaClO4复合含能材料的火焰感度没有发生变化,

摩擦感度发火百分数提高了63.6%,撞击感度发火百分数降低了60%。(4)以化学化学沉淀法制备了nPS/BaCrO4延期药,按照零氧平衡原则制备了5种配方,以

NH3H2O作为pH调节剂,有效提高了延期药组分中BaCrO4的质量分数,使其更接

近于理论投药量。

利用新型微孔道测速模具测试了五组不同配比的延期药在不同环境温度下

的燃烧速度,并计算了延期精度,结果表明当nPS/BaCrO的质量配比为22/78时,延期精度最高,燃速漂移量最小；(5)为了减小环境温度对nPS/BaCrO4延期精度的影响,在高温下对各组分延期药进行了界面稳定化处理,XRD以及FTIR谱图显示：经界面稳定化处理后,延期组分没有发生改变,但其表面的Si-Hx键密度降低。与未经处理的延期药相比,稳定化处理后的延期组分,其延期精度有所提高,燃速受温度影响的程度有所降低,达到了预期目的。