内嵌炸药MIC纳米阵列的构建及其微尺寸燃爆特性

Nanoarrays of metalstable intermolecular composites (MIC) materials have shown great potential for applications in micro/nano energetic devices. However, the reaction velocity at micro-scale decreases significantly, and the output of high energetic plasma or shock wave is largely restricted due to the lack of high pressure gas products formation. Besides, the combustion and detonation reaction mechanism under such micro-scale entironment needs an imperative understanding. In this project, the explosive-inside MIC nanoarrays will be fabricated based on the colloidal monolayer templates of nano metalllic oxide. Therefore, the explosives will be embedded and fixed in the voids of the MIC nanoarrays. The combustion and detonation properties of this material at micro-scale will be also studied, thus the correlations between the structure and composition features, and the behaviors of combustion-detonation will be demonstrated. From this point, an important MEMS-compatible synthesis technique will be provided for the intergration of energetic materials on chips, and a remarkable improvement of reaction velocity and pressure output will be obtained under such micro-scale conditions. Moreover, this work will cause a better understanding of related physical problems and mechanism, such as the energy losses and reacion propagation at micro-scale. The relative data and conclusions drawn in this project will provide useful imformation for micron/nano energetic device applications..

MIC纳米阵列材料在微纳米含能器件中具有重要的应用前景，但在微尺寸下其反应速度显著降低，且缺乏高压气体产物，难以输出高能等离子体或冲击波；与此同时，微含能器件这种微尺寸环境下材料的燃烧-爆炸反应规律远未得到深入认识。本项目提出以单层胶体晶体模板为基础来构建MIC纳米阵列，同时将炸药嵌入并固定在阵列空隙，形成内嵌炸药的MIC纳米阵列材料；另外还将以该材料为基础，开展微尺寸下的燃烧-爆炸反应行为研究，获得材料结构、组成特点与其微尺寸下燃烧-爆炸反应行为之间的关系和规律。本项目的研究不但能为兼容MEMS工艺的含能材料集成提供一种重要的技术途径，还能获得一种在微尺寸下反应速率和压力输出得到大幅度提升的含能材料，同时对其反应规律的认识也有利于深入理解微尺寸下含能材料反应的基础物理问题，如能量损失与传播机制等。因此本项目有望为满足微纳米含能器件能量需求的材料设计提供重要的指导原则和理论依据。

MIC纳米阵列材料在微纳米含能器件中具有重要的应用前景，但在微尺寸下其反应速度显著降低，且缺乏高压气体产物，难以输出高能等离子体或冲击波；与此同时，微含能器件这种微尺寸环境下材料的燃烧-爆炸反应规律远未得到深入认识。本项目研究中，主要针亚稳态分子间复合物（Metastable intermolecuar Composite，MIC）纳米阵列材料在微纳米含能器件中的应用需求，重点从MIC材料在微尺寸下的燃烧爆炸反应规律、微含能器件中的材料设计两个方面开展研究工作，以在MIC纳米中嵌入高能炸药为核心创新技术，对对MIC材料的反应原理、兼容MEMS工艺的核心材料设计与制备技术、微含能器件化集成方法等各个方面给出了完整、系统的解决方案。本研究系统发展了MIC材料及其微器件应用的基础反应原理，为材料设计提供指导原则。首先提出了MIC燃烧加速过程中反应机理的研究方法，并获得了不同阶段的热传播控制机制；率先对MIC在宏-微观尺寸下反应速度的巨大损失建立了压力损失理论模型和补偿方案，为高反应速率的微含能器件设计指出含高压气态产物的MIC材料这一新的发展方向；原创性地提出了将DDT加速至起爆药水平的设计方案，为MIC材料实现如爆轰波、高温等离子体等更高级能量输出形式提供了材料设计方案。在MIC材料的MEMS兼容制备技术方面，本项目开发出了合成MIC纳米阵列含能材料的新技术，如空心球状CuO与纳米Al复合的MIC材料、超晶格PTFE-Al、核壳型PTFE/Al、Co3O4/ Al等系列纳米复合含能阵列材料，另外开展了基于纳米微球模板的MIC材料制备研究，有效解决了MIC材料基底结合力差、界面反应速度低、反应能量输出低等难题。