Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine kostengünstig herstellbare und insbesondere für zivile Anwendungen einsetzbare stabile explosionsfähige Zusammensetzung bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird hierzu eine explosionsfähige Zusammensetzung zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge, mit einem Brennstoff aus einem mikro- oder nanostrukturierten porösen Feststoff und einem bei Raumtemperatur festen oder flüssigen Oxidationsmittel vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Oxidationsmittel aus der aus Schwefel, Selen, Tellur, Brom, Jod, Phosphor und Arsen sowie deren Mischungen und sauerstofffreien Verbindungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Vorzugsweise besteht die erfindungsgemäße Zusammensetzung aus dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Oxidationsmittel zeigen eine hohe Bindungsenergie zu Silizium und dabei auch eine ausreichend hohe Explosionswärme. Sie sind zudem leicht verdampfbar oder sublimierbar und lassen sich deshalb gut in Verfahren zur chemischen oder physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD- oder PVD-Verfahren) einsetzen. Eine Reihe der erfindungsgemäß zu verwendenden Oxidationsmittel ist darüber hinaus gut in unpolaren, leicht flüchtigen organischen Lösungsmitteln löslich. Diese Oxidationsmittel, wie beispielsweise Schwefel und Jod, lösen sich darüber hinaus in dem ebenfalls unpolaren Lösungsmittel Kohlendioxid wesentlich besser als die polaren Sauerstoffsalze. Daher können die erfindungsgemäß zu verwendenden Oxidationsmittel sehr einfach unter Verwendung von überkritischem Kohlendioxid in die Poren des mikro- oder nanostrukturierten Brennstoffs eingebracht werden. Nach dem Abdampfen der Lösungsmittel verbleibt rückstandsfrei nur das Oxidationsmittel in der porösen Struktur des Brennstoffs.

Bei Verwendung von Schwefel als Oxidationsmittel ist aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes von 110°C auch das direkte Einbringen des geschmolzenen Oxidationsmittels in die Poren des mikro- oder nanostrukturierten Brennstoffs ohne Verunreinigungen möglich.

Die genannten Oxidationsmittel können somit wesentlich leichter in stöchiometrischen Mengen in den nanostrukturierten Brennstoff eingebracht werden. Sie gewähren somit gleichzeitig eine hohe Explosionswärme und eine gute Handhabbarkeit bei der Befüllung der Poren des nanostrukturierten Brennstoffs.

Übliche sauerstoffhaltige und salzartige Oxidationsmittel zeichnen sich außerdem durch mehr oder weniger stark ausgeprägte Hygroskopizität aus. Diese Stoffe erfordern somit einen hohen verfahrenstechnischen Aufwand, da die Gegenwart von Wasser oder Luftfeuchtigkeit sicher ausgeschlossen werden muß. Darüber hinaus müssen die mit diesen Stoffen hergestellten Zusammensetzungen hermetisch verschlossen werden, um die Funktionsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer der Struktur von bis zu 15 Jahren sicherzustellen. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Oxidationsmittel, insbesondere des nicht hygroskopischen Schwefels, sind auch diese Nachteile sicher beseitigt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen explosionsfähigen Zusammensetzung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Oxidationsmittel in einem Lösungsmittel gelöst und in die Poren des nanostrukturierten Brennstoffs eingebracht wird. Insbesondere die Verwendung eines unpolaren Lösungsmittels stellt eine gute Löslichkeit der gleichfalls unpolaren Oxidationsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung sicher. Das Lösungsmittel soll sich ferner rückstandsfrei aus der porösen Brennstoffstruktur verdampfen lassen. Damit ist die Einstellung stöchiometrischer Zusammensetzungen aus Brennstoff und Oxidationsmittel wesentlich erleichtert. Als Lösungsmittel eignen sich insbesondere überkritisches Kohlendioxid, Schwefelkohlenstoff Tetrachlormethan sowie aromatische und gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe. Allgemein kann davon ausgegangen werden, daß Lösungsmittel mit einer Polarität nach Reichardt von E_T (30)/kcal/mol ≥50 verwendet werden können.

Der mikro- oder nanostrukturierte Brennstoff ist vorzugsweise ein Festkörper mit einem schwammartigen Gerüst aus amorphen, teilkristallinen oder kristallinen Partikeln mit einer Strukturgröße von zwischen etwa 2 nm und 1000 nm, und weist eine Porosität (V_Poren/V_Probe) von zwischen 10 % und 98 %, bevorzugt zwischen 40 und 80% auf. Der Brennstoff kann eine spezifische Oberfläche von bis zu 1000 m²/cm³, bevorzugt zwischen 200 und 1000 m²/cm³ aufweisen.

Die Strukturgröße bzw. die Größe und die Gestalt der Poren, lassen sich dabei in einem weiten Bereich variieren. Die Strukturgröße gibt die durchschnittliche Größe der Partikel an, aus denen der Brennstoff aufgebaut ist, und liegt bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 50 nm, besonders bevorzugt zwischen 2 nm und 10 nm. Die Porengröße liegt bevorzugt in einem Bereich von zwischen 2 nm und 1000 nm.

Der poröse Brennstoff ist vorzugsweise ein Halbleitermaterial, und besonders bevorzugt aus der aus Si, Ge, SiGe, SiC, InP und GaAs bestehenden Gruppe ausgewählt. Die Herstellung von mikro- oder nanostrukturierten porösen Materialien aus diesen Stoffen ist in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben. Als Herstellungsverfahren eignen sich insbesondere chemische oder physikalische Abscheidungsverfahren, wie elektrochemische Abscheidung, CVD, PVD oder Sputtern oder das Verpressen nanofeiner Partikel. Im Falle von Silizium sind diese nanofeinen Partikel durch langsames Verbrennen von Silan erhältlich.

Besonders bevorzugt ist der Brennstoff sogenanntes „poröses" Silizium, welches besonders einfach durch elektrochemisches Ätzen von Silizium in fluoridhaltigen Lösungen hergestellt werden kann. Die Verwendung von porösen Halbleitermaterialien, z.B. Silizium, ermöglicht die einfache Integration in bekannte Halbleiterbauteile unter Verwendung üblicher Halbleiterprozeßtechniken.

In vorteilhafter Weise ist der poröse Brennstoff wenigstens teilweise passiviert, das heißt die innere Oberfläche des Brennstoffs ist wenigstens zum Teil mit Sauerstoff abgesättigt oder in anderer Weise so verändert, daß eine zur Reaktion mit dem Oxidator zu überwindende Aktivierungsenergie erhöht ist. Die Passivierung kann beispielsweise durch Erwärmen des Brennstoffs in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oder Luft erfolgen. Durch die Passivierung wird eine weitere Einstellbarkeit der pyrotechnischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, wie beispielsweise deren Anzündbarkeit durch elektrische Entladung oder Einwirkung von UV-Licht, möglich.

Da die chemische Reaktion des porösen Brennstoffes von der Oberfläche aus erfolgt, kann mittels einer weniger reaktiven Schutzschicht auf der Oberfläche der Nanopartikel die für das Zünden des Brennstoffs zu überwindende Aktivierungsenergie erhöht werden. Diese Passivierungsschicht kann nachträglich auf den porösen Brennstoff aufgebracht und aus einem inerten Material (z.B. Teflon) bestehen. Die Passivierungsschicht kann auch mittels thermischer, chemischer, physikalischer bzw. elektrochemischer Behandlung des Brennstoffes aufgebaut werden.

Eine stabile Passivierungsschicht kann z.B. durch Tempern des porösen Siliziums in Luft, vorzugsweise im Anschluß an das elektrochemische Ätzen und vor dem Füllen der Poren mit dem Oxidator, gebildet werden. Erfolgt das Tempern im Bereich von zwischen 150°C und 300°C, bevorzugt bei etwa 200°C, bildet sich nach bis zu ca. 1600 Minuten eine Sauerstoff-Submonolage aus Silizium-Sauerstoff-Bindungen (Si-O), welche eine höhere Bindungsenergie als die Silizium-Wasserstoff-Bindungen aufweisen. Die Oberfläche der Siliziumnanokristalle besteht hier nach dem Tempern aus H-Si-O- Komplexen, da bei etwa 200°C der Wasserstoff an der Oberfläche der Nanopartikel erhalten bleibt und Sauerstoff unter der ersten Monolage an Silizium gebunden wird. Wird das Tempern bei Temperaturen über etwa 300°C durchgeführt (z.B. 700°C, 30 Sekunden), wird der Wasserstoff von der Oberfläche der Nanopartikel abgetrieben und es bilden sich Schichten aus "reinen" Si-O-Bindungen. Derart getemperte und mit Oxidationsmittel gefüllte Proben sind extrem stabil und handhabungssicher, können aber dennoch mittels einer plötzlichen Erwärmung zur Explosion gebracht werden.

Die Passivierung der Oberfläche des porösen Brennstoffs erhöht auch die Langzeitstabilität der explosionsfähigen Zusammensetzung, da eine zeitliche Änderung der Oberflächeneigenschaften des Brennstoffs unter Einfluß des Oxidationsmittels nicht mehr eintreten kann.

Das Oxidationsmittel besteht bevorzugt ganz oder teilweise aus Jod, Schwefel oder sauerstofffreien Schwefelverbindungen. Diese Oxidationsmittel sind in unpolaren organischen Lösungsmitteln leicht löslich und lassen sich rückstandsfrei in die poröse Brennstoffstruktur einbringen. Sie sind zudem auch gegenüber nicht-passiviertem porösen Silizium lagerstabil. Bei diesen Oxidationsmitteln kann somit je nach den bestehenden Anforderungen auf die Erzeugung der oben beschriebenen Passivierungsschicht verzichtet werden.

Der Oxidator und der Brennstoff können etwa in einem stöchiometrischen Verhältnis vorliegen. Je nach Anwendungszweck kann der Oxidator im Verhältnis zum Brennstoff aber auch überbilanziert oder unterbilanziert sein.

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung weist zudem eine hohe Strukturfestigkeit auf, da der Brennstoff als feste, formgebende Matrix vorliegt. Die Zusammensetzung kann somit als tragendes Bauteil in pyrotechnischen Gegenständen, z.B. Anzündern, verwendet werden. Außerdem sind die aus der Halbleitertechnik und Mikromechanik bekannten Herstellungsverfahren anwendbar. Damit besteht die Möglichkeit zu kostengünstiger Produktion unter Verwendung von Standardbauteilen. Insbesondere wird die vollständige Integration der erfindungsgemäßen Zusammensetzung in Halbleiterschaltkreise ermöglicht.

Gegenstand der Erfindung sind somit auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung als Bestandteil eines Anzünders. Dieser Anzünder kann in vorteilhafter Weise in einem Halbleiterschaltkreis integriert sein. Insbesondere kann der Anzünder Bestandteil eines Sicherheitssystems in Fahrzeugen, wie beispielsweise eines Gasgenerators für einen Gurtstraffer oder ein Gassackmodul sein.