轻稀土氢化物的微观结构与燃烧特性及其在芯片自毁中的应用

《Materials Today Communications》：Microstructure and combustion properties of light rare earth hydrides and the application in chip self-destruction

稀土氢化物自毁芯片技术研究中，通过氢爆炸合成LaH、CeH、NdH并分析其微观结构、晶体结构及燃烧特性。发现CeH燃烧热值最高（13014.5 J/g），产物为CeO2，且在激光点火下可实现芯片快速自毁。

　　

王然|李红阳|曾圣涛|李红|徐文琦|谢瑞玲|罗翠|吴建民|刘颖

北京工业大学材料学院，中国北京

摘要

通过氢爆炸法合成了三种不同的轻稀土氢化物：LaH、CeH和NdH。利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和氧弹量热法研究了这三种轻稀土氢化物的微观结构、燃烧热及燃烧产物的特性。选择CeH作为金属燃料，并通过激光点火和高速摄影分析了CeH复合燃料的点火和燃烧过程。此外，还进行了基于CeH复合燃料的芯片自毁点火燃烧实验。实验结果表明，三种稀土氢化物的粉末在微观层面呈不规则形状，LaH的粒径约为8–20 μm，CeH为10–40 μm，NdH为3–10 μm，并伴有不同程度的氧化现象，其中LaH的氧化程度更为明显。所有三种轻稀土氢化物均具有晶体结构，而CeH的衍射峰较宽，表明其晶格存在一定畸变。LaH、CeH和NdH的燃烧热分别为9761.3 J/g、13014.5 J/g和9551.4 J/g，燃烧产物分别为La(OH)3、CeO2和Nd(OH)3。镧和钕氢化物的燃烧产物与空气中的水蒸气反应，导致固体物质分解为粉末颗粒，其表面可见明显的空洞。铈氢化物复合燃料的点火过程可分为五个阶段：点火、燃烧增长、稳定燃烧、逐渐衰减和熄灭。在稳定燃烧阶段，火焰大小相对稳定，但颜色温度从白色变为红橙色，并逐渐降低。这种变化主要是由于氢化物释放出的氢气参与燃烧并释放额外热量所致。在稳定燃烧阶段后期，随着燃料中储存的氢气消耗殆尽，只有稀土金属参与氧化还原反应，导致火焰颜色温度进一步下降。在芯片自毁过程中，芯片的电气信号路径在极短时间内被破坏，导致芯片完全烧毁。CeH/AP复合燃料对芯片造成了不可逆的物理损伤。

引言

随着电子技术的蓬勃发展，信息安全问题日益突出，引起了广泛关注[1]、[2]、[3]。在当今高度互联的社会环境中，个人隐私和商业秘密等敏感信息面临越来越多的威胁。为应对这些挑战，芯片自毁技术受到了极大关注。通过采用自毁机制，可以在面临潜在安全威胁时迅速有效地销毁芯片内的关键信息，从而从根本上降低信息泄露的风险[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。

燃烧破坏作为芯片自毁的关键技术之一，能够在接收到特定刺激或指令时引发芯片内部的燃烧反应，从而对芯片造成不可逆的损坏。这种技术能够确保芯片内的数据和信息在短时间内被彻底销毁，防止未经授权的人员或实体访问或利用。其特点是能够实现对芯片的不可逆和完全的物理破坏[9]、[10]、[11]、[12]。

稀土氢化物作为金属燃料，在芯片燃烧自毁技术中展现出独特的优势和应用潜力。它们具有较高的热值和快速的能量释放速率。充分利用稀土氢化物的能量释放速度和燃烧特性，可以在面临威胁时确保芯片快速自毁，有效防止关键信息被盗或被恶意使用[13]、[14]。

氢化物的能量释放过程与其物理化学结构密切相关。微观形态、晶体结构和化学成分等因素直接影响能量存储和释放过程[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。不同元素的组合和比例会显著改变氢化物的燃烧特性，从而影响其在芯片自毁过程中的性能。因此，深入研究氢化物的物理化学结构及其与能量释放特性的关系对于优化其在芯片自毁技术中的应用至关重要[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。

铈氢化物、钕氢化物和镧氢化物作为常用的轻稀土氢化物，在芯片自毁技术中展现出广阔的应用前景[25]、[26]、[27]、[28]。然而，由于它们的化学成分和结构特性不同，其燃烧性能存在显著差异。目前关于这三种轻稀土氢化物的点火和燃烧过程以及相关燃烧反应机制的研究还不够充分，这限制了对其燃烧特性、反应速度和能量释放模式的全面理解，进而影响了它们在芯片自毁技术中的应用[29]、[30]、[31]、[32]。

鉴于此，本研究重点研究了铈氢化物、钕氢化物和镧氢化物，利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）对其结构特征进行了分析，并通过量热法测定了它们的燃烧热值，同时分析了燃烧产物的特性。最终，选择燃烧性能优异的铈氢化物，进一步探讨其与高氯酸铵和激光点火结合对芯片自毁过程的影响。本研究旨在为稀土氢化物的燃烧性能研究及基于稀土氢化物的芯片自毁技术发展提供有益参考。

实验材料制备

轻稀土金属的活化温度约为600°C，在此温度下，活化后的稀土金属可与氢气发生氢化反应。因此，将轻稀土金属置于600°C的高温环境中，并在一定的氢气压下使其与氢气发生反应，生成稀土金属氢化物。

在本研究中，选择了LaH、CeH和NdH作为实验对象

稀土氢化物的形态与晶体结构

图1显示了LaH、CeH和NdH三种样品的SEM图像。这些图像表明，三种稀土氢化物粉末的微观结构均由不规则的固体颗粒组成。LaH主要由粒径在8 μm至20 μm之间的不均匀颗粒构成；CeH主要由较大的颗粒组成，较小颗粒较少，粒径约为10 μm至40 μm；相比之下，NdH颗粒相对较小

结论

通过氢爆炸法制备了三种不同的轻稀土氢化物，利用SEM、EDS、XRD和氧弹量热法研究了它们的微观结构、晶体结构、燃烧热及燃烧产物的特性。选择CeH作为金属燃料，并进行了芯片自毁的激光点火实验。研究得出以下结论：

• 1.
  三种稀土氢化物粉末在微观层面均呈不规则形状，

CRediT作者贡献声明

王然：概念构思、研究设计、数据分析、初稿撰写。李红阳：概念构思、方法论设计、数据分析、审稿与编辑。曾圣涛：数据收集与数据分析。李红：数据收集与数据分析。徐文琦：数据收集与数据分析。谢瑞玲：数据收集与数据分析。罗翠：数据收集与数据分析。吴建民：数据收集与数据分析。刘颖：项目监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。