Al/CuO肖特基结换能元芯片的非线性电爆换能特性

依据肖特基势垒理论,设计并制备了Al/CuO肖特基结换能元芯片。用击穿电压仪研究了换能元芯片的电击穿性能,用电容放电的激发方式研究了芯片的电爆特性。结果表明,对前者,芯片存在发火阈值,具有整流特性,击穿电压与肖特基结的个数无关,击穿电压为8 V;对后者,芯片也存在发火阈值,发火阈值与肖特基结数呈正相关,芯片还具有发火延迟特性。延迟时间的长短与肖特基结数也呈正相关。同时芯片还具有多次激发而连续发火的特性。显示Al/CuO肖特基结换能元芯片是一种具有非线性电爆换能特性的新型电爆换能元。     

Al基含能薄膜设计及电爆性能研究

为探究不同材料Al基含能薄膜在低能爆炸箔起爆系统中的电爆性能,对Al基含能薄膜的厚度、桥区形状和尺寸进行了仿真设计,优选出最佳桥区形状,在此基础上通过电爆试验及高速摄影对Al/Ni、Al/Ti、Al/Cu、Al/Cu O 4种Al基含能薄膜的电爆性能及发火过程进行了对比研究。结果表明：Al/Ti薄膜综合性能最佳,具有较大的沉积能量、能量利用率和桥区电流密度,同时最佳起爆电压适中、火焰高度较高、持续时间较长;Al/Ni薄膜所需最佳起爆电压最小,但作用能力较差;Al/Cu O薄膜具有最佳作用能力,但所需最佳起爆电压较大;Al/Cu薄膜的电爆性能最不突出。     

纳米Al/CuO含能复合薄膜的反应性研究进展

亚稳态分子间复合物(Metastable Intermolecular Composites,MICs)具有超高的反应速率、高体积能量密度、微米级的临界反应传播尺寸等优点,在微型含能器件和火箭推进剂等领域展现出广阔的应用前景。纳米Al/CuO含能复合薄膜是当前亚稳态分子间复合物领域的研究热点之一,其利用气相沉积方法进行制备,与含能微机电系统(Microelectromechanical Systems,MEMS)的微细加工工艺兼容,在集成化含能器件方面具有极大的应用前景。本文综述了纳米Al/CuO含能复合薄膜的制备、热性能、燃烧性能、反应动力学以及过渡层对其反应性的影响、含能器件(点火器)及其应用技术方面的研究,并对纳米Al/CuO含能复合薄膜的发展方向进行了展望。     

Al/CuO含能薄膜换能芯片薄膜反应的模拟分析

为了探究含能薄膜在换能元火工品点火过程中的点燃机制,建立Al/CuO含能薄膜换能芯片结构的傅里叶传热模型,利用COMSOL仿真软件对不同电压或电容条件下含能薄膜换能芯片的点火过程进行数值模拟,对比分析电容或电压对含能薄膜温升曲线的影响。仿真结果表明：提高电压或电容使得含能薄膜温升曲线峰值增高或延长,两者都能扩大薄膜反应区域;电容与电压增大或减小均影响半导体桥对含能薄膜的传热效率,导致含能薄膜的温升曲线相对于半导体桥具有滞后性与相似性。     

Al/Ni和Al/Ti纳米多层薄膜制备与表征

用磁控溅射法制备了Al/Ni、Al/Ti纳米多层薄膜。用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和X-射线衍射仪(XRD)对其进行了结构表征和成分分析。用差示扫描量热法(DSC)测定了纳米多层薄膜的反应放热量。结果表明: 工作压力为0.4 Pa,Al、Ni、Ti溅射功率分别为200,220,180 W条件下制备的Al/Ni、Al/Ti多层薄膜表面均匀致密,无尖锐峰,层状结构分明,组成成分分别为Al、Ni和Al、Ti单质状态; Al/Ni、Al/Ti多层薄膜放热量分别为1134.64,918.36 J·g-1,达到理论值的82.2%, 80.7%。     

烧结工艺对Ni/Al/W含能反应材料性能的影响

采用粉末冶金工艺制备Ni/Al/W含能反应材料,对比研究550℃烧结温度下烧结时间对Ni/Al/W含能反应材料密度、抗压强度以及显微组织的影响,并通过烧结样品DSC曲线计算得到不同烧结时间Ni/Al/W材料的反应放热量,分析烧结样品的反应放热特征。研究表明,烧结温度为550℃、烧结时间为1~3 h时,Ni/Al/W材料的密度先降低后升高,抗压强度先升高后降低,反应放热量不断减小;烧结时间为2 h时,Ni/Al/W含能反应材料具有相对较高的密度、强度和反应放热量,密度达到9.8 g/cm3,准静态压缩强度为1 150 MPa,反应放热量为121.2 J/g。     

多晶硅与Al/CuO复合薄膜集成的含能点火器件的点火性能

为研究多晶硅桥型与尺寸对Al/Cu O含能点火器件点火性能的影响规律,用多晶硅和Al/Cu O复合薄膜集成制备了6种不同形状和尺寸的含能点火器件,采用尼亚D-最优感度试验法测试了四种尺寸、两种桥形共6种类型(S、M、Lr、Lv、Hr、Hv)点火器件的点火感度。探索了临界爆发电压,得到了点火时间随激励电压的变化规律。采用感度实验和点火实验对比研究了多晶硅点火器件和含能点火器件的点火性能。结果表明,含能点火器件的感度与点火时间随桥膜体积的增大而减小。V形桥膜有助于降低作用时间与作用所需能量。Lv型含能点火器件感度为8.19 V,标准偏差0.14,均低于Lv型多晶硅点火器件(8.70 V、0.53)。Lv型含能点火器件14 V时的点火时间(52.85μs)比多晶硅点火器件点火时间(109.12μs)短,且该差值随激励能量升高而降低。     

Al/Ni爆炸箔电爆特性及驱动飞片能力研究

利用传统的MEMs工艺成功制备出Al/Ni复合爆炸箔,在4k V的充电电压下研究其电爆性能。研究表明,相比于传统的铜爆炸箔,复合爆炸箔的能量利用高,可达18%,而且爆发提前,所需能量较小,爆发能量集中。飞片速度研究表明,爆炸箔的厚度和充电电压会影响飞片的最终速度,飞片的速度随爆炸箔的厚度和电压升高而增大。当爆炸箔的厚度为3μm、充电电压为5k V时,飞片的速度可达3 100m/s。     

多层含能薄膜的制备及性能表征

本文通过设计硼钛多层复合薄膜结构来提高桥箔的点火能力.利用磁控溅射法交替沉积钛和硼制备多层含能薄膜,单层厚度分别为230 nm和250 nm.对含能薄膜进行X射线衍射图谱测试,结果显示其成分为Ti和B单质状态,并采用HS4540MX12高速运动记录系统记录含能薄膜点火过程,结果表明火花溅射距离可达到30 mm左右.可以推断多层含能薄膜用于制作桥膜可提高火工品的点火能力.     

Al/Ni包覆AP复合燃料的制备及其热反应性能

为了解决Al粉点火困难、燃烧团聚的问题,进行了铝粉合金化与氧化剂包覆改性研究。利用声共振混合技术制备了AP@Al/Ni复合燃料,采用氧弹量热仪测试不同高氯酸铵（AP）含量下复合燃料的反应热;采用扫描电镜分析了优选复合燃料的形貌特征;通过同步热分析仪对比研究了AP、Al/AP混合物、Ni/AP混合物及AP@Al/Ni复合燃料热反应特性;并采用非等温动力学法评估了Al、Ni及Al/Ni复合物催化作用下AP分解特性。结果表明,当AP质量含量为38.90%时配方最优,AP@Al/Ni复合燃料的反应热达到最大值。与Al、Ni相比,Al/Ni复合物对AP分解影响最显著,使AP的高温分解峰温降低了76.9 ℃,分解热增加了84.8%;由弗里曼（Friedman）法获得AP@Al/Ni复合燃料中AP的热分解表观活化能为103.9 kJ·mol^-1,且该过程服从三维（A3）成核与核生长物理模型。     

Al/Ni反应多层膜的电爆炸及驱动性能研究

为了研究Al/Ni反应多层膜在爆炸箔起爆系统上应用的可行性,采用磁控溅射法制备了相同厚度的Cu和Al/Ni多层膜桥箔,利用SU-8光刻胶制备一定厚度的加速膛,研究了两类桥箔在相同放电回路中的沉积能量和驱动飞片的平均速度。结果表明:在储能电容电压为1 306V的放电回路中,Al/Ni多层膜的沉积能量为0.120 5~0.127 4J,相比Cu箔提高了近1倍。在电压为1 900V时,多层膜沉积能量比Cu箔提升了18%~58%;多层膜驱动的飞片平均速度高于Cu箔驱动飞片约10%。因此,Al/Ni反应多层膜能降低爆炸箔起爆系统的起爆阈值,提高其冲击起爆的可靠性。     

介电式AI/CuO复合薄膜点火桥的电爆性能

提出了“介电式复合薄膜点火桥”的概念,并以AI膜作电极,CuO膜作电介质层,用微细加工技术制备了介电式Al/CuO复合薄膜点火桥样品,尺寸为2000μm x2000 μm x2.6 μm,电阻值约4Ω.用60 V以上恒压源可激发点火桥发生电爆炸,电爆过程中Al/CuO复合薄膜发生了氧化还原反应,生成的单质Cu使点火桥产...     

爆炸作用下Al/Mg/CuO活性壳体的释能特性

为了研究Al/Mg/CuO活性壳体战斗部的爆炸能量释放特性,通过超高速转镜摄像机以及冲击波超压测试,得到了活性壳体在爆炸加载作用下的破碎过程图像以及不同尺寸样弹在典型距离处的冲击波超压,分析了活性壳体参与爆炸的反应时间、活性材料粒径对冲击波超压的影响,获得了冲击波超压随比例距离的变化规律.结果表明:活性壳体在爆炸加载下能够参与爆炸反应,释放能量时间相对于爆轰反应有微秒级延迟,在比例距离2.52～3.15 m?kg-1/3范围内,提高了冲击波超压,火球持续燃烧时间延长1倍以上.粒径7μm活性材料制成的活性壳体样弹比粒径20μm活性材料制成的样弹冲击波超压提高了13.3％～14.4％,较小粒径的活性材料更容易与爆轰产物反应;与裸装药和铝壳样弹相比,活性壳体样弹的冲击波超压、冲量均有明显提高,在比例距离2.1～8.4 m?kg-1/3范围,冲击波超压提高了6％～32％,冲量提高了13％～38％.     

Al/Ni多层膜中反应波传播速度的理论研究

为了研究Al/Ni反应多层膜在微纳米点火器件中的应用,采用扩展Mann模型,计算了反应多层膜中反应波的传播速度.定义单层厚度比为δ(2b-1)δ,将现有模型扩展至可计算任意多层膜中反应波的传播速度;计算了Al/Ni多层膜中反应波的传播速度,与试验结果吻合较好,验证了扩展模型.计算结果表明存在一个临界厚度δcr.当对层厚度δbi＜δcr时,速度与δbi成正比;当δbi＞δcr时,速度与δbi成反比.     

PTFE/Al反应多层膜的制备及力学性能

以铝(Al)为可燃物质,聚四氟乙烯(PTFE)为氧化剂,利用射频磁控溅射法制备了不同厚度,交替沉积的PTFE/Al反应多层膜。采用原子力显微镜(AFM)、X-射线衍射仪(XRD)研究了溅射功率对薄膜表面形貌的影响规律,得到了PTFE/Al反应多层膜适宜的制备工艺,利用纳米压痕仪研究了PTFE/Al反应多层膜的力学性能。结果表明,当射频溅射功率分别为50 W和150 W时,制得的PTFE薄膜和Al薄膜的平均粗糙度与均方根粗糙度均较低。当PTFE/Al反应多层膜总厚度约为300 nm时,与相同厚度的纯PTFE膜和纯Al膜相比,PTFE/Al反应多层膜具有较高的硬度和弹性模量,分别为5.8 GPa和120.0 GPa。     

铝-氧化铜复合薄膜化学反应性能

用磁控溅射的方法制备了铝-氧化铜复合薄膜,采用差热分析(DSC)方法研究了其化学反应性能。研究结果表明:铝-氧化铜复合薄膜在一定的条件下,可以发生氧化还原反应,化学反应热为ΔH=-1197.5kJ.mol-1,与标准状态下的ΔH0=-1203.8kJ.mol-1十分接近。用Kissinger方法计算了第二步反应的活化能为565.146kJ.mol-1,说明在无外界刺激的情况下,薄膜材料可以稳定存在。理论推导出,反应可以达到的最高温度是2573℃(即铜的沸点),薄膜间的化学反应分两步进行。     

Al/CuO复合半导体桥静电安全性研究

为了研究Al/CuO复合半导体桥(简称Al/CuO-SCB)的静电安全性,分别对不同桥型的Al/CuO-SCB进行静电放电实验及研究。结果发现:在500pF、5kΩ、25kV静电放电条件下,不同桥型的Al/CuO-SCB均未发火;小尺寸的Al/CuO-SCB在相同静电作用下桥膜容易受到损伤,并且经过静电放电后的Al/CuO-SCB的爆发时间和爆发所需能量均没有发生显著性差异。比较Al/CuO-SCB和未加Al/CuO含能薄膜层的半导体桥静电实验结果,得出Al/CuO含能薄膜层没有影响半导体桥的静电安全性。