高熱劑實(shí)現(xiàn)電路毀傷的試驗(yàn)探究

段英杰，王建華，劉玉存，于雁武，袁俊明

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 太原 030051)

隨著科技的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，目前電子設(shè)備在武器中的運(yùn)用十分常見，因此只要破壞敵目標(biāo)的電子設(shè)備，使其控制系統(tǒng)癱瘓，就能夠達(dá)到在減少人員傷亡的情況下實(shí)現(xiàn)毀傷的效果。隨著含能材料研究的發(fā)展，由一種金屬或者多種金屬或金屬與非金屬的混合物在沖擊碰撞過(guò)程中可自身發(fā)生反應(yīng)(鋁熱劑、金屬間化合物)或與空氣發(fā)生劇烈燃燒而釋放能量的高密度活性材料成為了各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1]。由于鋁熱劑能夠產(chǎn)生高熱，因此在日常生活中通常用于焊接鐵軌、制備復(fù)合陶瓷管以及放射性廢物固化等領(lǐng)域[2]。而吳建坤等人運(yùn)用鐵-鋁鋁熱劑完成了對(duì)彈藥的銷毀[3]。賈栓柱等人采用干法制粒技術(shù)制備可用于銷毀未爆彈藥的金屬基高熱劑[4]。電路板上常見的電子元件主要有：集成電路、電容、電阻、二極管等。絕大多數(shù)集成電路的基本原材料是單晶硅片，主要成分為硅，熔點(diǎn)約為1 414 ℃，而電容、電阻、二極管等元件不耐高溫。因此以Al粉、Fe2O3粉以及SiO2粉為原料，按一定比例混合制備A、B高熱劑，將干燥后的高熱劑藥粉壓成藥柱進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，觀察藥柱的燃燒對(duì)電路板線路及各種元件的破壞效果，并通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量燃燒溫度，分析其高熱劑燃燒對(duì)電路元件造成的毀傷效果，探究高熱劑對(duì)電路造成毀傷的可行性。

1 高熱劑的選擇

高熱劑是指由金屬粉和能與該金屬粉起反應(yīng)的金屬氧化物混制而成,能產(chǎn)生鋁熱反應(yīng)的這一類燃燒劑。高熱劑的燃燒過(guò)程區(qū)別于其他燃燒劑的特征是[5]：

1) 沒(méi)有氣體反應(yīng)生成物，因而燃燒時(shí)沒(méi)有火焰；

2) 燃燒反應(yīng)的溫度較高，大多數(shù)高熱劑的溫度在(2 000～2 800 ℃)范圍內(nèi)；

3) 燃燒時(shí)形成熔融的紅渣。大多數(shù)高熱劑的燃燒溫度都在2 000～2 800 ℃之間，更有甚者在3 000～4 000 ℃之間，能形成高溫液態(tài)產(chǎn)物[6]。常見的高熱反應(yīng)主要是能產(chǎn)生高溫生成熔渣的鋁熱反應(yīng)、鎂熱反應(yīng)，以及少量的金屬間化合反應(yīng)。

在常見的這些高熱反應(yīng)中，由于鎂熱反應(yīng)過(guò)于劇烈甚至?xí)l(fā)生爆炸，而金屬間化合反應(yīng)的反應(yīng)發(fā)條件較高，因此選用相對(duì)安全又較易誘發(fā)反應(yīng)的鋁熱反應(yīng)。其在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)的放熱量可以由式(1)計(jì)算得出：

(1)

目前，關(guān)于鋁熱劑的研究很多主要有Al-CuO、Al-MoO3、Al-Fe2O3等。Al-CuO在加熱時(shí)能發(fā)生激烈的反應(yīng)，當(dāng)在1 100 K的條件下發(fā)生反應(yīng)時(shí)，根據(jù)式(1)計(jì)算其放熱量能達(dá)到1 249.72 kJ，根據(jù)《實(shí)用無(wú)機(jī)物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)》[7]查得Cu單質(zhì)的蒸發(fā)點(diǎn)為2 574 ℃，高放熱量能使生成的Cu單質(zhì)發(fā)生氣化，因此不利于熔渣的生成，同時(shí)還有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。Al-MoO3在1 100 K下發(fā)生反應(yīng)時(shí)能夠產(chǎn)生的熱量由式(1)計(jì)算為1 011.856 kJ，產(chǎn)生的熱量足夠多，但是單質(zhì)Mo的熔點(diǎn)為2 618 ℃，因此想要通過(guò)產(chǎn)生的熱量使得Mo單質(zhì)全部熔化形成熔渣是比較困難的。

Al-Fe2O3為最常用的鋁熱劑，根據(jù)手冊(cè)查得單質(zhì)Fe的熔點(diǎn)為1 536 ℃、沸點(diǎn)為2 862 ℃，因此在發(fā)生鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生高溫的時(shí)候不會(huì)生成氣態(tài)鐵，從而生成鐵熔渣。二氧化硅在高溫的條件下能夠與鋁發(fā)生氧化還原反應(yīng)[8]，在鋁熱劑中加入SiO2會(huì)適當(dāng)減緩反應(yīng)的速率，同時(shí)生成熔點(diǎn)為1 410 ℃的Fe-Si合金熔渣在反應(yīng)體系的高溫下具有一定的流動(dòng)性。

純鋁熱劑反應(yīng)方程式為式(2)：

(2)

鋁熱劑中加入SiO2可能發(fā)生的反應(yīng)主要為式(3)～式(5)所示：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)手冊(cè)查得當(dāng)T=1 100 K時(shí)，所需數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各物質(zhì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)

由指定溫度下反應(yīng)放熱量的計(jì)算式(1)，計(jì)算得Al+Fe2O3的理論放熱量約為Q1=881.912；Al+Fe2O3+SiO2的理論放熱量約為Q2=760.137

可以看出Al+Fe2O3+SiO2的理論放熱量較Al+Fe2O3的放熱量偏小，因此在反應(yīng)過(guò)程中Al+Fe2O3+SiO2的燃燒溫度會(huì)相對(duì)Al+Fe2O3偏低。

2 點(diǎn)火性能試驗(yàn)

2.1 高熱劑的制備

高熱劑的主要成分為Al粉、Fe2O3粉末、SiO2粉末，按以下兩種不同的比例制備高熱劑：

Al∶Fe2O3=1∶2制備A配方

Al∶Fe2O3∶SiO2=1∶1∶2制備B配方

選取粒度為微米級(jí)的Al粉、Fe2O3粉末、SiO2粉末，其顯微鏡下測(cè)得粒度如圖1、圖2、圖3所示，Al粉為球形粒徑為1～3 μm，F(xiàn)e2O3粉末團(tuán)聚在一起，單粒直徑均為500 nm、SiO2粉末為塊狀直徑在50～200 μm之間。

圖1 Al粉SEM圖

按照比例稱取Al粉、Fe2O3粉用于制備A配方高熱劑30 g；以及Al粉、Fe2O3粉末、SiO2粉末用于制備B配方高熱劑30 g。分別放入行星式球磨機(jī)，倒入適量的無(wú)水乙醇以濕混的方式研磨混合30 min，混合好后的藥粉取出放入50 ℃恒溫干燥箱干燥4 h后得到圖4、 圖5所示的混合藥劑，其中A配方高熱劑中各組分外觀無(wú)明顯變化，兩種粉末混合均勻；B配方高熱劑中SiO2粉末直徑明顯變小，3種粉末混合均勻。

圖2 Fe2O3粉SEM圖

圖3 SiO2粉SEM圖

圖4 配方A混合粉末SEM圖

圖5 配方B混合粉末SEM圖

將混合好的藥粉中加入5%黏結(jié)劑，分別稱取10 g藥粉放入直徑20 mm的壓藥模具壓成高15 mm的藥柱備用，如圖6所示。

2.2 點(diǎn)火性能試驗(yàn)

由于鋁熱劑燃燒需要的點(diǎn)火溫度較高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法直接點(diǎn)燃，因此采用導(dǎo)火索來(lái)引燃藥劑，同時(shí)在藥柱下放少許的散裝藥粉，保證點(diǎn)火的順利進(jìn)行如圖7和圖8所示。

圖6 成型藥柱

圖7 配方A點(diǎn)火性能實(shí)驗(yàn)

圖8 配方B點(diǎn)火性能實(shí)驗(yàn)

在點(diǎn)火性能試驗(yàn)的過(guò)程中，記錄下燃燒反應(yīng)的過(guò)程以及結(jié)果如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 配方A燃燒過(guò)程

圖10 配方B燃燒過(guò)程

圖11 配方B燃燒后結(jié)果(正背面)

由以上試驗(yàn)過(guò)程可以看出配方A和配方B的燃燒過(guò)程有著明顯的區(qū)別，在相同的點(diǎn)火條件下，配方A的燃燒過(guò)程更加劇烈，已經(jīng)接近爆燃，而配方B的燃燒相對(duì)來(lái)說(shuō)平緩一些。粗略統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，配方A燃燒后對(duì)電路的毀傷效果并不明顯，而配方B燃燒后生成熔渣的質(zhì)量為12.62 g，電路板正面熔渣毀傷面積最大為30 cm×45 cm，其中有效毀傷面積為15 cm×20 cm，燒毀電路元件包含電容器、電阻、三極管、電位器等共17個(gè)。背面灼傷面積為10 cm×13 cm，電路板無(wú)法正常工作，達(dá)到毀傷的目的。

在點(diǎn)火性能試驗(yàn)的過(guò)程中采用紅外測(cè)溫儀測(cè)得兩種藥劑在反應(yīng)過(guò)程的溫度變化數(shù)據(jù)，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)采用origin畫成曲線如圖12、圖13所示。

圖12 配方A燃燒時(shí)間-溫度曲線

圖13 配方B燃燒時(shí)間-溫度曲線

由兩種試劑燃燒反應(yīng)的時(shí)間-溫度曲線可以看出：配方A的燃燒過(guò)程中溫度升高和降低都非?？?，進(jìn)一步說(shuō)明了反應(yīng)的劇烈，在反應(yīng)的過(guò)程中測(cè)溫儀只捕捉到了爆燃一瞬間的溫度，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束溫度也隨之降低，因此配方A燃燒后對(duì)于電路板的毀傷效果并不明顯。而配方B的燃燒過(guò)程相對(duì)平緩一些，在反應(yīng)開始時(shí)溫度迅速升高，隨后由于熔渣的生成使得溫度的降低變得緩慢。同時(shí)從曲線中能看出：加入SiO2后會(huì)使整個(gè)反應(yīng)體系的溫度有所降低，但基本維持在2 000 ℃左右，超過(guò)了Fe-Si合金的熔點(diǎn)(1 410 ℃)，能使得合金熔渣融化。因此配方B燃燒后電路元件長(zhǎng)時(shí)間與高溫熔渣接觸，使得電路元件遭到了破壞，達(dá)到了毀傷的目的。

3 結(jié)論

1) 往鋁熱劑中加入適量二氧化硅有利于熔渣的生成，而且形成的Fe-Si合金熔點(diǎn)較低，能使得生成的熔渣具有一定的流動(dòng)性。

2) 同時(shí)加入二氧化硅會(huì)對(duì)鋁熱劑反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有一定的影響，也會(huì)使得反應(yīng)能夠達(dá)到的最高溫度有所降低，但是仍然保持在2 000 ℃以上。

3) 運(yùn)用加入二氧化硅的鋁熱劑作為高熱劑來(lái)破壞電路系統(tǒng)，一方面能夠產(chǎn)生高溫?zé)齻娐罚硪环矫娈a(chǎn)生的固體熔渣具有導(dǎo)電性能夠造成電路短路以及斷路，均能破壞電路系統(tǒng)。