高熱劑實現電路毀傷的試驗探究

段英杰，王建華，劉玉存，于雁武，袁俊明

(中北大學 環境與安全工程學院， 太原 030051)

隨著科技的進步，電子產品的運用也越來越廣泛，目前電子設備在武器中的運用十分常見，因此只要破壞敵目標的電子設備，使其控制系統癱瘓，就能夠達到在減少人員傷亡的情況下實現毀傷的效果。隨著含能材料研究的發展，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程中可自身發生反應(鋁熱劑、金屬間化合物)或與空氣發生劇烈燃燒而釋放能量的高密度活性材料成為了各國學者研究的熱點[1]。由于鋁熱劑能夠產生高熱，因此在日常生活中通常用于焊接鐵軌、制備復合陶瓷管以及放射性廢物固化等領域[2]。而吳建坤等人運用鐵-鋁鋁熱劑完成了對彈藥的銷毀[3]。賈栓柱等人采用干法制粒技術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。絕大多數集成電路的基本原材料是單晶硅片，主要成分為硅，熔點約為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行點火試驗，觀察藥柱的燃燒對電路板線路及各種元件的破壞效果，并通過紅外測溫儀測量燃燒溫度，分析其高熱劑燃燒對電路元件造成的毀傷效果，探究高熱劑對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的金屬氧化物混制而成,能產生鋁熱反應的這一類燃燒劑。高熱劑的燃燒過程區別于其他燃燒劑的特征是[5]：

1) 沒有氣體反應生成物，因而燃燒時沒有火焰；

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

3) 燃燒時形成熔融的紅渣。大多數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，能形成高溫液態產物[6]。常見的高熱反應主要是能產生高溫生成熔渣的鋁熱反應、鎂熱反應，以及少量的金屬間化合反應。

在常見的這些高熱反應中，由于鎂熱反應過于劇烈甚至會發生爆炸，而金屬間化合反應的反應發條件較高，因此選用相對安全又較易誘發反應的鋁熱反應。其在一定溫度下發生反應的放熱量可以由式(1)計算得出：

(1)

目前，關于鋁熱劑的研究很多主要有Al-CuO、Al-MoO3、Al-Fe2O3等。Al-CuO在加熱時能發生激烈的反應，當在1 100 K的條件下發生反應時，根據式(1)計算其放熱量能達到1 249.72 kJ，根據《實用無機物熱力學數據手冊》[7]查得Cu單質的蒸發點為2 574 ℃，高放熱量能使生成的Cu單質發生氣化，因此不利于熔渣的生成，同時還有發生爆炸的危險。Al-MoO3在1 100 K下發生反應時能夠產生的熱量由式(1)計算為1 011.856 kJ，產生的熱量足夠多，但是單質Mo的熔點為2 618 ℃，因此想要通過產生的熱量使得Mo單質全部熔化形成熔渣是比較困難的。

Al-Fe2O3為最常用的鋁熱劑，根據手冊查得單質Fe的熔點為1 536 ℃、沸點為2 862 ℃，因此在發生鋁熱反應產生高溫的時候不會生成氣態鐵，從而生成鐵熔渣。二氧化硅在高溫的條件下能夠與鋁發生氧化還原反應[8]，在鋁熱劑中加入SiO2會適當減緩反應的速率，同時生成熔點為1 410 ℃的Fe-Si合金熔渣在反應體系的高溫下具有一定的流動性。

純鋁熱劑反應方程式為式(2)：

(2)

鋁熱劑中加入SiO2可能發生的反應主要為式(3)～式(5)所示：

(3)

(4)

(5)

根據手冊查得當T=1 100 K時，所需數據如表1所示。

表1 各物質熱力學數據

由指定溫度下反應放熱量的計算式(1)，計算得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，因此在反應過程中Al+Fe2O3+SiO2的燃燒溫度會相對Al+Fe2O3偏低。

2 點火性能試驗

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

選取粒度為微米級的Al粉、Fe2O3粉末、SiO2粉末，其顯微鏡下測得粒度如圖1、圖2、圖3所示，Al粉為球形粒徑為1～3 μm，Fe2O3粉末團聚在一起，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，倒入適量的無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 點火性能試驗

由于鋁熱劑燃燒需要的點火溫度較高，在實驗過程中無法直接點燃，因此采用導火索來引燃藥劑，同時在藥柱下放少許的散裝藥粉，保證點火的順利進行如圖7和圖8所示。

圖6 成型藥柱

圖7 配方A點火性能實驗

圖8 配方B點火性能實驗

在點火性能試驗的過程中，記錄下燃燒反應的過程以及結果如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 配方A燃燒過程

圖10 配方B燃燒過程

圖11 配方B燃燒后結果(正背面)

由以上試驗過程可以看出配方A和配方B的燃燒過程有著明顯的區別，在相同的點火條件下，配方A的燃燒過程更加劇烈，已經接近爆燃，而配方B的燃燒相對來說平緩一些。粗略統計實驗結果，配方A燃燒后對電路的毀傷效果并不明顯，而配方B燃燒后生成熔渣的質量為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。背面灼傷面積為10 cm×13 cm，電路板無法正常工作，達到毀傷的目的。

在點火性能試驗的過程中采用紅外測溫儀測得兩種藥劑在反應過程的溫度變化數據，并將測得的數據采用origin畫成曲線如圖12、圖13所示。

圖12 配方A燃燒時間-溫度曲線

圖13 配方B燃燒時間-溫度曲線

由兩種試劑燃燒反應的時間-溫度曲線可以看出：配方A的燃燒過程中溫度升高和降低都非常快，進一步說明了反應的劇烈，在反應的過程中測溫儀只捕捉到了爆燃一瞬間的溫度，當反應結束溫度也隨之降低，因此配方A燃燒后對于電路板的毀傷效果并不明顯。而配方B的燃燒過程相對平緩一些，在反應開始時溫度迅速升高，隨后由于熔渣的生成使得溫度的降低變得緩慢。同時從曲線中能看出：加入SiO2后會使整個反應體系的溫度有所降低，但基本維持在2 000 ℃左右，超過了Fe-Si合金的熔點(1 410 ℃)，能使得合金熔渣融化。因此配方B燃燒后電路元件長時間與高溫熔渣接觸，使得電路元件遭到了破壞，達到了毀傷的目的。

3 結論

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合金熔點較低，能使得生成的熔渣具有一定的流動性。

2) 同時加入二氧化硅會對鋁熱劑反應產生的熱量有一定的影響，也會使得反應能夠達到的最高溫度有所降低，但是仍然保持在2 000 ℃以上。

3) 運用加入二氧化硅的鋁熱劑作為高熱劑來破壞電路系統，一方面能夠產生高溫燒傷電路，另一方面產生的固體熔渣具有導電性能夠造成電路短路以及斷路，均能破壞電路系統。