多层Al_Ti纳米含能桥膜的电爆性能研究.pdf

2 0 1 5 年2 月 多层A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆性能研究杨程．等 d o i 1 0 ．3 ％9 ／j ．i s s n ．1 ∞1 彤5 2 ．2 0 1 5 ．0 1 ．∞8 多层A l ／T i 纳米含能桥膜的电爆性能研究崇 杨程胡艳沈瑞琪叶迎华 南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要] 利用磁控溅射法制备了不同调制周期的多层A L ／T i 纳米含能桥膜，并在电容放电激励下对其电爆性能 进行测试，A L ／T i 纳米含能桥膜的爆发时间随着电压的增大而降低，而等离子体持续时间随着电压的增加而增大。 高速摄影仪记录的A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆过程表明，在相同的激励电压下，A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆现象明 显比A l 桥膜和T i 桥膜剧烈，且伴随着高温粒子四处飞溅，飞溅高度约有4 ．6m m ，同时A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆 持续时间均长于A l 桥膜和T i 桥膜的电爆持续时间，这与伏安特性曲线得出的结论一致。 [ 关键词]纳米含能桥膜；A ∥T i ；调制周期；电爆性能 [ 分类号] T J 4 5 ；T Q 5 6 0 ．7 引言 在现代武器弹药系统中，火工品作为重要的组 成部分和首发元件具有不可替代的作用．火工品是 武器系统中的最敏感部分，其安全性、可靠性直接影 响武器系统的安全性和可靠性。随着科学技术的发 展，现代战争所面临的苛刻环境对火工品提出了更 高的要求。 常用的多晶硅⋯、C r [ 2 ] 等电阻加热式单层桥 膜，存在着点火输入能量较高而能量转换效率较低 的缺点。新型的纳米含能薄膜火工品[ 3 _ 5 ] 在一定的 电压激励下，可以引起含能薄膜材料的化学反应．桥 膜在电能和化学能共同作用下，可以实现更高能量 的输出，从而提高换能元的点火能力、发火的可靠性 以及火工品的安全性。 目前，纳米含能薄膜材料领域的研究主要集中 在A L ／C u 0 ⋯0 | ，A L ／N i [ 1 1 。14 | ，B ／T i [ 1 5 ‘1 6 1 等材料，A L ／T i 纳米含能材料的研究相对较少。本文利用磁控溅射 法制备了不同调制周期的多层A L ／T i 纳米含能桥 膜，并在电容放电激励下对其电爆性能进行了研究。 通过高速摄影仪记录了A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆 历程。 1 试验 1 ．1A L ／T i 纳米含能薄膜的制备 A L ／T i 在电加热时能激烈地发生反应。发生燃烧 或爆炸，并且放出大量的热量。 化学反应式如下 A l T i } A l T i 。 1 由式 1 可以求得A L ／T i 纳米含能薄膜中，单层 A l 薄膜和单层T i 薄膜的比值约为1 比1 ，由此设计 的多层A L ／T i 纳米含能薄膜，不同调制周期的参数 如表1 所示。 表1不同调制周期的A L ／T i 纳米 含能薄膜的厚度 7 r a b ．1 B i l a y e rt h i c k n e s so fA L ／T in a n o e n e 唱e t i c f i l m sw i t hd i 虢r e n tm o d u l a t i o n s 制备的点火桥形状如图1 所示。点火桥形状为 典型的蝶式结构，桥长和桥宽相同，均为1m m ，桥膜 厚度为2 斗m 。 图l 点火桥形状 F i g ．1I m a g eo f 确d g e6 l m 睾收稿日期2 0 1 4 _ 0 5 1 2 5 基金项目江苏省自然科学基金青年基金项目 B l 2 0 1 4 0 7 8 8 ；总装预研基金 9 1 4 0 A o 姗0 1 1 4 B Q 哪3 作者简介杨程 1 9 8 7 一 ，男，博士研究生，从事A L ／N i 和A L ／T i 等合金化桥膜的研究。E m d y m g c h e “盱a s h u a 1 2 6 ．c o m 通信作者沈瑞琪 1 9 6 3 一 ，男，博导，教授，主要从事含能材料点火与起爆技术、火工技术、激光辐射效应研究。E ．m a i l r q s h e n m a i l ．n j u 8 t ．e d u ．c n 万方数据 3 4 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第1 期 1 ．2 电爆性能测试 纳米含能桥膜电爆性能的测试电路示意图如图 2 ，主要包括电容储能放电起爆装置 其中电容为 1 0 0 心 、L e C r o y4 4 x S A 示波器、P P 0 0 9 电压探头、 C w T3 0 Bm i n iR 0 9 0 w s k i 线圈和合金化点火桥膜。 开 关 图2 测试电路不意图 F i g ．2 C i r c u i tt e s ts c h e m a t i c 2 试验结果与讨论 2 ．1 A L ／T i 纳米含能桥膜的伏安特性曲线研究 桥膜电爆一般发生在电流曲线头l ／4 周期，即 电流上升段．因此。国内外学者通常把桥箔两端电压 曲线峰值对应的时间￡．定义为桥膜的爆炸时间；桥 膜电爆结束的时间即为电流曲线结束的时刻幻。等 离子体持续时间是从￡，时刻开始，一直持续到电流 曲线结束时刻￡，即乱 ￡一 ，。 经测试得到了A l 桥膜、T i 桥膜、调制周期5 0 n mA L ／T i 纳米含能桥膜、调制周期1 0 0n mA L ／T i 纳 米含能桥膜和调制周期2 0 0n mA L ／T i 纳米含能桥膜 电容放电激励 激励电压为1 4 0V ，电容为1 0 0p F 下的伏安特性曲线，并由此得出A L ／T i 系列纳米含 能桥膜的爆发时间和等离子体持续的时间与充电电 压之间的关系，如图3 和图4 所示。 由图3 和图4 可知，A L ／T i 系列纳米含能桥膜的 爆发时间随着电压的增大而降低。这是因为电容的 时间常数丁 尺c ，电容放电一般在3 r ～5 r 时间后结 束，电容充电电压升高，电容存储的能量增大，则单 位时间作用于桥区的能量变大，因此，当充电电容值 图3A L ／T i 纳米含能桥膜的爆发 时间与电压之间的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t b I ℃a kt i m ea n d v o l t a g eo fA L ／T in a n o - e n e r g e t i c 妯d g ef i l m s 图4A L ／T i 纳米含能桥膜的等离子 体持续时间与电压之间的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e np l a s m al a s t i n gt i m e a n dv o l t a g eo fA L ／T in a n o e n e r g e t i cb r i d g e 仃1 m s 一定时，桥膜的爆发时间仅与充电电压有关，随着充 电电压增加，爆发时间逐渐减小。 而等离子体持续时间却是随着电压的增加而增 大。这是由于在桥区尺寸和桥膜厚度一定时，爆发 能量一定．所以随着充电电压的增大，后期等离子体 放电所需的能量就变大，因此放电时间延长。 3 种调制周期的A L ／T i 纳米含能桥膜在充电电 压一定时。等离子体持续的时间均大于A 1 桥膜和T i 桥膜。且持续时间差距较大，最大的持续时间大约有 6 0 斗s ，其中，调制周期2 0 0 砌A L ／T i 纳米含能桥膜 在充电电压为1 4 0V 时的等离子体持续时间最长， 为2 6 4 斗s 。 2 ．2A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆现象分析 图5 。图9 分别为A l 桥膜、T i 桥膜、调制周期 5 0n mA L ／T i 纳米含能桥膜、调制周期1 0 0n mA L ／T i 纳米含能桥膜和调制周期2 0 0n mA L ／T i 纳米含能桥 膜在点火电压1 4 0V 下的电爆过程，高速摄影图中 每张照片之间的间隔为2 0 斗s 。 从图5 ～图9 中可以看出，在相同的激励电压 条件下触发的5 种点火桥膜都出现了剧烈的电爆， 但A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆现象明显不同于A 1 桥膜和T i 桥膜。A L ／T i 纳米含能桥膜的等离子体形 成的时间小于A l 桥膜和T i 桥膜的等离子体的形成 图5 灿桥膜的电爆过程 F i g ．5 P l a s mi m a g eo fA lb r i d g ef i l m 万方数据 2 0 1 5 年2 月 多层A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆性能研究杨程．等 3 5 图6T i 桥膜的电爆过程 F i g ．6 P l a s m ai m a g eo f ’r ib r i d g e6 l m 图75 0n mA L ／T i 纳米含能桥膜的电爆过程 F i g ．7 P l a s m ai m a g eo fA L ／T in a n o e n e r g e t i c b r i d g en l m sw i t hb i l a y e rt h i c k n e s so f5 0n m 图81 0 0n mA L ／T i 纳米含能桥膜的电爆过程 F i g ．8 P l a s m ai m a g eo fA L ／T in a n o - e n e r g e t i c b r i d g ef i l m s 埘t hb i l a y e rt h i c k n e s so f1 0 0n m 图9 2 0 0n mA L ／T i 纳米含能桥膜的电爆过程 F i g ．9 P l a s m ai m a g eo fA L ／T in a n o e n e 理r e t i c b r i d g ef i l m sw i t hb i l a y e rt h i c k n e s so f2 0 0n m 时间，而A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆持续时间却要 长于A l 桥膜和T i 桥膜的电爆持续时间，这与伏安 特性曲线中得出的结论一致。 3 种不同调制周期的A L ／T i 纳米含能桥膜不但 存在着剧烈的燃烧现象．还明显伴随着高温产物粒 子四处飞溅，形成了天女散花的景象，如图7 中电爆 强度最高时，光亮度如同白昼一般，表明了电爆过程 中A L ／T i 纳米含能薄膜间发生了反应。这种飞散的 现象对于实现微系统的隔离点火有非常重要的研究 意义。依据图中探针触角的尺寸。可以推测出高温 粒子的飞溅距离约有4 6m m 。由高速摄影图可 知，3 种调制周期的A L ／T i 纳米含能桥膜等离子体由 产生到膨胀再到最大所需时间约为1 0 0 斗s ，因此，等 离子的轴向膨胀速度约为4 0 6 0 - n ／s 。 3 结论 本文利用磁控溅射法制备了多层A L ／T i 纳米含 能桥膜．并在电容放电激励下对其电爆性能进行测 试，得到了其伏安特性曲线；此外，还通过高速摄影 仪研究了A L ／T i 纳米含能桥膜电爆的整个过程．得 到的结论如下 1 A L ／T i 纳米含能桥膜的爆发时间随着电压的 增大而降低，而等离子体持续时间随着电压的增加 而增大。 2 在相同的激励电压条件下触发的5 种点火 桥膜都出现了剧烈的电爆，且3 种不同调制周期的 A L ／T i 纳米含能桥膜的电爆比A l 桥膜和T i 桥膜更 为剧烈，还明显伴随着高温粒子四处飞溅，飞溅距离 约有4 ～6m m 。 参考文献 [ 1 ] L e w i sJDH ，J a n s o nsw ，c o h e nRB ，e ta 1 ．D i 百t a l m i c m p m p u l s i o n [ J ] ． s e n s o 璐a n dA c t u a t o 璐A P h y s i c a l ， 2 0 0 0 ，8 0 2 1 4 3 1 5 4 ． [ 2 ]徐超．M E M s 固体微推进器的设计与制备[ D ] ．长沙 国防科学技术大学．2 0 0 6 ． [ 3 ] s o nsF ，A s a yBw ，F b l e yTJ ，e ta 1 ．c o m b u s t i o no f n a n o s c a l e A L ／M 0 0 3 t h e 丌1 1 i t ei n m i c m c h 彻n e l s [ J ] ． J o u m a lo fP m p u l s i o na n dP o w e r ，2 0 0 7 ，2 3 4 7 1 5 - 7 2 1 ． [ 4 ] P r a k a s hA ，M c c o 珊i c kAV ，z a c h a r i a hMR ．A e r o s o l - g e l s y l l t h e s i s0 fn 粕o p o m u si m n - o x i d ep a n i c l e s ap o t e n t i a l o x i d i z e rf o r n a n o e n e r g e t i cm a t e r i a l s [ J ] ．c h e m i s t r yo f M a t e r i a l s ，2 0 0 4 ，1 6 8 1 4 6 6 - 1 4 7 1 ． [ 5 ] R o s s ic ，z h a n gK a i l i ，D a f l i e lE ，e ta I ．N a n o e n e r g e t i c m a t e r i a l sf o rM E M s ar e v i e w [ J ] ．J o u m a lo fM i c r o ． e l e c t r 0M e c h 锄i c a lS y s t e m s ，2 0 0 7 ，1 6 4 9 1 9 - 9 3 1 ． [ 6 ] z h uP e n g ，S h e nR u i q i ，Y e Y i n g h u a ，e t a 1 ． E n e r g e t i c i g n i t e r s r e a l i z e d b yi n t e g m t i n g A L ／C u Or e a c t i v e m u l t i l a y e rf i l m sw i t hc rf i l m s [ J ] ．J o u m a lo fA p p l i e d P h y s i c s ，2 0 1l ，1 1 0 0 7 4 5 1 3 ． [ 7 ] z h uP e n g ，s h e nR u i q i ，Y eY i n g h u a ，e ta 1 ．c h a r a c t e r i z a 万方数据 3 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e 曲l s 第4 4 卷第1 期 t i o no fA L ／C u 0n a n o e n e r g e t i cm u l t i l a y e rf i l m si n t e 铲a t e d w i t hs e m i c o n d u c t o rb r i d g ef o ri n i t i a t o ra p p l i c a t i o n s [ J ] ． J o u m a lo f A p p l i e dP h y s i c s ，2 0 1 3 ，1 1 3 1 8 1 - 5 ． [ 8 ] B l o b a u mKJ ，R e i s sME ，P l i t z k oJM ，e ta 1 ．D e p o s i t i o n a n dc h 啪c t e r i z a 土i o no fa s e l f - p r o p a g 砒i n g C u O ∥A l t h e ⅡI l i t er e a c t i o ni nam u l t i l a y e rf o i lg e o m e t r y [ J ] ．J o u m a l o fA p p l i e dP h y s i c s ，2 0 0 3 ，9 4 5 2 9 2 3 2 9 2 9 ． [ 9 ] P e t r a n t o n iM ，R o s s ic ，c o n 甜6 mV ，e ta 1 ．s y n t h e 8 i s p r o c e s so fn 粕。衍r e dA L ／c u 0t h e 丌I l i t e [ J ] ． J o u m a lo f P h y s i c sa n dC h e m i s t r yo fS o l i d s ，2 0 1 0 ，7 1 2 8 0 - 8 3 ． [ 1 0 ] 朱朋，周翔，沈瑞琪，等．介电式A L ／c u 0 复合薄膜 点火桥的电爆性能[ J ] ．含能材料，2 叭1 ，1 9 4 3 6 6 ．3 6 9 ． Z h uP e n g ，Z h o uX i a n g ，S h e nR u i q i ，e ta 1 ．E l e c t r i c e x p l o s i o np e r f b 珊a n c eo fd i e l e c t r i cs t m c t u r ep y r o t e c h n i c i n i t i a t o r s p r e p a r e db yA L ／C u 0r e a c t i v em u l t i l a y e r6 1 m s [ J ] ．c h i n e s eJ o u m a lo fE n e F g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 1 1 ，1 9 4 3 6 6 _ 3 6 9 ． [ 1 1 ] M o r r i scJ ，M a r yB ，z a k a rE ，e ta 1 ．R a p i di n i t i a t i o no fr e a c t i o n si nA L ／N im u l t i l a y e r s 而t hn a I l o s c a l e1 a y e r i n g [ J ] ． J o u m a l0 fP h y s i c sa I l dC h e m i s 时o fS o l i d s ，2 0 1 0 ，7 1 2 8 4 - 8 9 ． [ 1 2 ]Q i ux ，T a n gR ，L i uR ，e ta 1 ．Am i c r oi n i t i a t o rr e a l i z e d b yr e a c t i v eN ∥A ln a n o l 锄i n a t e sf o rM E M S 印p l i c a t i o n s [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] lCj ／／1 6 t hI n t e m a t i o n a lS o l i d S t a t eS e n s o r s ，A c t u a t o r s a n dM i c r o s y s t e m sC o n f e r e n c e t r a n s d u c e r s ，B e i j i n g ， 2 0 1 1 1 6 6 5 1 6 6 8 ． 王亮，何碧，蒋小华，等．A L ／N i 多层膜中反应波传播 速度的理论研究[ J ] ．含能材料，2 0 0 9 ，1 7 2 2 3 3 2 3 5 ． W a n gL i a n g ，H eB i ，J i a n gX i a o h u a ，e ta 1 ．M o d e l i n gt h e p r 叩a g a t i n gv e l o c i t y o fr e a c t i o nw a V e si nA L ／N i m u l t i l a y e r 矗l m s [ J ] ． c h i n e s eJ o u m a lo f E n e r g e t i c M a t e r i a l s ，2 0 0 9 ，1 7 2 2 3 3 _ 2 3 5 ． Y a n gC h e n g ，H uY a n ，S h e nR u i q i ，e ta 1 ． F a b r i c a t i o n a n dp e r f b 珊a 1 1 c ec h a r a c t e r i z a t i o no fA L ／N i m u l t i l a y e r e n e r g e t i c6 1 m s [ J ] ．A p p l i e dP h y s i c sA ，2 0 1 4 ，11 4 4 5 9 - 4 6 4 ． 王丽玲，蒋小华，何碧，等．多层含能薄膜的制备及 性能表征[ J ] ．火工品，2 0 0 9 1 9 1 1 ． W a n gL i l i n g ，J i a n gX i a o h u a ，H eB i ，e ta 1 ．F a b r i c a t i o n a n dp e 而瑚明c ec h a r a c t e r i z a t i o no fm u l t i l a y e re n e r g e t i c 6 l m s [ J ] ．I n i t i a t o r s 绷dP y m t e c h n i c s ，2 0 0 9 1 9 1 1 ． T a n a k aS ，K o n d oK ，H a b uH ，e ta 1 ．T e s to fB ／T i m u l t i l a y e rr e a c t i v ei g n i t e r sf o ram i c r os o l i dm c k e ta n ．a y t h m s t e r [ J ] ．s e n s o r sa n dA c t u a t o r sA P h y s i c a l ，2 0 0 8 ， 1 4 4 2 3 6 1 ．3 6 6 ． S t l l d y 蚰E l e c t r oE x p l o s i 伽P e r f b 珊锄艘o fA L ／N i №肿- e n e r g e 廿cM l l l 僦a y e rB n d g eF i l 础 Y A N GC h e n g ，H UY a n ，S H E NR u i q i ，Y EY i n g h u a S c h 0 0 lo fC h e m i c a lE n 西n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e 锄dT e c h n 0 1 0 9 y J i a n g s uN 卸j i n g ，2 1 0 ∞1 4 [ A B S T R A C T ]M u h i 1 a y e r e dA L ／T in a n o - e n e r g e t i cb r i d g ef i l m sw e r ep r e p a r e db yR Fm a g n e t m ns p u t t e r i n gw i n ld i ＆r e n t m o d u l a t i o np e r i o d ．E l e c t r i ce x p l o s i o np e 怕珊a I l c e sw e r ei n v e s t i g a t e dw h e nA L ／T in a n 0 - 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锄p e r ec h 锄c t e r i s t i c C U r V e S ． [ I E Yw 0 R D s ]n a n o - e n e r g e t i c d g ef i l m s ；A L ／r I ’i ；m o d u l a t i o np e r i o d ；e l e c t r i ce x p l o s i o np e r f b 珊粕c e 山东天宝化工股份有限公司 起爆具自动浇注装配线通过工信部成果鉴定 2 0 1 4 年9 月1 0 日一1 1 日，工业和信息化部在山东天宝化工股份有限公司组织召开了起爆具自动浇注装配线科技成果鉴 定会，与会专家和代表听取了研制单位的研制工作汇报，审查了技术文件，考查了生产现场的运行情况，抽检了试产的起爆具 产品。专家组认为，该生产线实现了起爆具生产过程中熔药、混药、浇注、计量、壳体步进、冷却、退冒口、退模、去冒口药、清理、 贴标生产工序的连续化、自动化和智能化，总体技术达到了国际先进水平。 张英豪、陈成芳 万方数据