多孔硅含能芯片的能量釋放特性和規(guī)律研究.pdf

1、多孔硅內(nèi)嵌氧化劑后形成一類新型納米結(jié)構(gòu)含能材料。由于其制備工藝與MEMS工藝兼容，適合作為含能芯片的含能材料。目前這種納米結(jié)構(gòu)的含能材料已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于點(diǎn)火裝置，但是應(yīng)用的基礎(chǔ)研究仍然十分薄弱，能量控制和釋放規(guī)律的認(rèn)識(shí)還比較淺顯。本文針對(duì)多孔硅納米結(jié)構(gòu)含能材料在微推進(jìn)方面的應(yīng)用，開(kāi)展了材料制備、芯片封裝和輸出特性及規(guī)律的研究，初步掌握了多孔硅含能材料的能量控制和釋放規(guī)律。主要的研究成果如下:
　　采用電化學(xué)腐蝕技術(shù)制備了多孔硅薄膜。

2、通電時(shí)間和電流強(qiáng)度的提高均會(huì)導(dǎo)致膜厚度的增大。當(dāng)電流強(qiáng)度0.1A、通電時(shí)間15min時(shí)制得的多孔硅薄膜表面平整，平均粗糙度僅為2.7nm，而厚度則達(dá)到25μm，可作為實(shí)驗(yàn)中制備多孔硅薄膜的最佳條件。采用MEMS工藝在多孔硅薄膜基礎(chǔ)上制備了多孔硅納米含能材料。通過(guò)X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，填充的高氯酸鈉是以一水合高氯酸鈉的形式存在于孔隙中，同時(shí)也證實(shí)孔隙表面有Si-O-H的存在，說(shuō)明多孔硅表面有被氧化的跡象。熱分析實(shí)驗(yàn)表明高氯酸鈉在熔融后與多孔

3、硅發(fā)生反應(yīng)，放熱量達(dá)到689.5J·g-1。
　　使用高速攝影記錄芯片的電點(diǎn)火過(guò)程，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到毫秒級(jí)。采用光纖探測(cè)法研究芯片的延遲時(shí)間，發(fā)現(xiàn)電點(diǎn)火情況下芯片的延遲時(shí)間在微秒級(jí)。這表明多孔硅具有良好的發(fā)火可靠性，同時(shí)還具有較長(zhǎng)的作用時(shí)間。為了研究芯片的輸出壓力，設(shè)計(jì)制作了微型密閉爆發(fā)器。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輸出壓力隨著點(diǎn)火電壓的增大而增大。在點(diǎn)火電壓為80V時(shí)僅有0.22MPa的輸出壓力，當(dāng)電壓達(dá)到200V時(shí)輸出壓力升高到17.99M

4、Pa。使用扭擺沖量測(cè)試裝置研究芯片在不同點(diǎn)火電壓下的反應(yīng)沖量。結(jié)果表明，多孑孔硅含能芯片的沖量一般在微牛秒級(jí)，表明多孔硅含能芯片有望用于微推進(jìn)領(lǐng)域中。
　　為研究多孔硅含能芯片在約束條件下的反應(yīng)性能，設(shè)計(jì)了直孔和收斂-擴(kuò)張孔兩種噴孔結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低點(diǎn)火電壓時(shí)，兩種封裝結(jié)構(gòu)對(duì)沖量的提升都不明顯，但是在高電壓下，收斂-擴(kuò)張噴孔能夠大幅提高反應(yīng)沖量，在200V時(shí)達(dá)到了近2mN·s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直孔時(shí)的914.52μN(yùn)·s和無(wú)噴孔時(shí)的728