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。     

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。     

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。     

不同含能添加物对纳米Al/CuO反应性能的影响

为了对比不同含能添加物对纳米铝热剂反应性能的影响程度,采用静电喷雾技术在纳米Al/CuO中分别添加高能炸药、强氧化剂以及含氟化合物等含能添加物,并开展热力学计算、开放式燃烧测试和密闭爆发器测试等。结果表明：含能添加物的小分子量气态产物和协同反应效应是提高纳米Al/CuO反应性能的主要因素,高能炸药的增强效果最佳,高氯酸铵（AP）次之,全氟代十四酸（PFTD）最差。其中,黑索今（RDX）和奥克托今（HMX）将Al/CuO的理论定压火药力提升了64.3%;HMX对Al/CuO峰值压强和增压速率的提升能力最高,分别达到了62%和408%;而AP和PFTD削弱了其燃烧传播速率和增压特性。     

多层Al/Ni含能薄膜在电容放电激励下的能量释放特性和规律

为了研究Al/Ni含能薄膜的能量释放特性和规律,采用微细加工方法制备了双"V"型夹角的Al/Ni含能薄膜换能元。研究了Al/Ni含能薄膜换能元在47μF固体钽电容放电激励下的能量释放特性和规律。电爆炸测试时,用自主研制的ALG-CN1储能放电起爆仪作激励电源。电容器用47μF固体钽电容,充电电压为10～45 V。用高速摄影仪(HG-100K)观察换能元的发火过程。用数字示波器(LeCroy44Xs,4通道)记录换能元发火时电流、电压随时间的变化曲线。结果表明,Al/Ni含能薄膜换能元在电容激励下的电爆过程按照电流变化率(dI/dt)可以分为三个阶段:回路寄生电感的储能,换能元的电爆炸及等离子体加热。与相同桥型的NiCr薄膜换能元比较,所制备的Al/Ni含能薄膜换能元具有输出能量高以及电爆后产生的火花飞溅距离长的特点。发火回路的寄生电感对于换能元的起爆具有重要作用。Al/Ni含能薄膜换能元电爆炸时的输出能量主要来源于两部分:电容的输入能量和含能薄膜释放的化学能。     

集成PN结防护结构的薄膜换能芯片

研究设计了一种平面纵向集成PN结（半导体的空间电荷区）结构二极管的薄膜换能元芯片,并制作了3Ω和4Ω2种桥区电阻,每种电阻制备1.0 mm×1.0 mm、1.5 mm×1.5 mm、2.0 mm×4.0 mm 3种芯片尺寸,每种尺寸设计8,18,28,34 V 4种击穿电压的集成芯片样品,其中1.0 mm芯片对应4种击穿电压的芯片,1.5 mm、2.0 mm芯片对应34 V击穿电压进行静电对比试验。为研究集成防护结构对换能元的爆发性能的影响,对3Ω的1.0 mm集成芯片进行了发火试验测试。结果表明集成薄膜芯片尺寸越大,抗静电能力增强;芯片桥区电阻越大,越容易受到静电干扰损伤,其静电防护性能达500 pF/500Ω/25 kV。PN结结构的击穿电压越小,其旁路电流的能力越大,对换能元爆发性能的影响越大,击穿电压越大,对换能元的静电防护作用越小。对于33μF/16 V作用条件的火工品,选择18 V击穿电压的集成芯片说明集成薄膜芯片应用中需要根据换能元的工作电压选用合适的击穿电压,以保证集成芯片既可以防护静电干扰,不影响产品的正常作用。     

Ni-Cr薄膜换能元刻蚀工艺研究

为得到刻蚀效果好的Ni-Cr薄膜换能元,研究了刻蚀液的配比对刻蚀时间及金属桥膜换能元参数的影响。结果表明:在硫酸高铈的量一定的情况下,当V_(高氯酸):V_水为17:100时,刻蚀效果较为理想,制作的Ni-Cr薄膜换能元桥区尺寸与设计尺寸的偏差控制在了0.9%以内,并在10V、47μF条件下能够发火。     

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。     

纳米多孔硅含能芯片性能研究

采用MEMS（Micro-electromechanical Systems）工艺在硅片上加工耐HF酸掩模窗口,结合电化学腐蚀法制备出多孔硅阵列。通过扫描电镜和比表面积测试仪对多孔硅进行了性能表征,结果表明：多孔硅具有均匀的纳米尺度孔径、较大的比表面积以及良好的海绵体的结构特性。通过原位形成多孔硅含能芯片,进行了热发火和机械撞击发火试验,结果表明：在没有壳体限制条件时,纳米多孔硅含能芯片在热和机械能刺激下发生强烈点火或者爆炸。     

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。     

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.     

DNA自组装制备CuO/Al纳米复合含能材料

为了制备结构均匀且热性能优异的纳米复合含能材料,采用脱氧核糖核酸(DNA)自组装法在室温和水相中制备了CuO/Al纳米复合含能材料。采用红外光谱(FT?IR)、动态光散射(DLS)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)以及差示扫描量热仪(DSC)表征了纳米复合含能材料的结构及热反应性能。结果表明,通过DNA自组装法成功制备了一种微观结构更均匀的CuO/Al纳米复合含能材料;DNA自组装样品与同配比物理共混样品相比具有更高的反应热,且当φ=1.6时,自组装样品反应热达到1520 J?g~(-1),比同配比物理共混样品(999 J?g~(-1))提高52.15%。     

冲击作用下CL-20含能共晶的反应分子动力学模拟

共晶技术是降低六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)感度的有效方法之一,研究冲击作用下CL-20共晶的化学反应,有助于理解CL-20共晶的冲击反应机制,对炸药安全评价分析具有重要意义。本研究采用ReaxFF-lg反应力场的分子动力学方法,同时结合非平衡加载方法,对CL-20/2,5-二硝基甲苯(DNT)、CL-20/1,3-二硝基苯(DNB)和CL-20/1-甲基-3,5-二硝基-1,2,4-三唑(MDNT)三种共晶在2～5 km·s^-1冲击速度下的冲击压缩过程进行了分子动力学模拟,获得了含能共晶在冲击作用后的热力学演化特征、初始化学反应路径和产物信息,并与CL-20的情况进行了对比分析。研究发现：CL-20/DNT、CL-20/DNB和CL-20/MDNT 3种共晶都有一定程度的降低冲击感度作用,3种共晶的冲击感度顺序依次为CL-20/MDNT>CL-20/DNB>CL-20/DNT。3种共晶的分解反应均是从CL-20分解开始,且CL-20的分解速度比DNT、DNB和MDNT快。在2 km·s^-1冲击速度下,CL-20共晶首先发生聚...     

KCl无机盐晶化网络增强电泳沉积含能薄膜附着力

电泳沉积技术具有成膜快、薄膜均匀平整、对电极形状要求低、可控性好、成本低廉等优点,近年来在含能材料研究领域备受青睐。电泳沉积薄膜附着力差、硬度低,严重影响含能材料成膜质量。为改善电泳沉积含能薄膜附着力,开发一种便捷的后处理策略。将电泳沉积所得含能薄膜进行0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.5 mol/L不同浓度的KCl溶液浸渍处理,并利用扫描电镜、X射线衍射仪、同步热分析仪、高速摄影机以及美国国家标准ATSM D 3359—17胶带法附着力标准试验方法,对比研究电泳沉积制得的含能薄膜无机盐浸渍处理前后形貌、组分、放热量以及附着力。结果表明：经过处理的Al/CuO含能薄膜表面负载了KCl,而且无机盐溶液在干燥过程中发生重结晶,致密地填充在含能材料粒子间缝隙而形成网络结构,从而将散乱分布的颗粒连接为一体,含能薄膜附着力由1级提升至3级;经过后处理的含能薄膜Al/KCl(0.2 mol/L)/CuO放热量为1 781 J/g,较处理前Al/CuO薄膜放热量1 617 J/g 增加164 J/g;KCl无机盐的填充增加了含能薄膜的致密性,使纳米粒子间接触紧密,提升了Al/KCl/CuO 体系放热量。     

Al/Ni类含能结构材料冲击压缩特性细观模拟

为了研究含能结构材料冲击响应特性,开展了以Al/Ni为代表的含能结构材料冲击压缩细观模拟研究。结合扫描电子显微镜照片分析了三种典型Al/Ni类含能结构材料的细观结构特性,研究了材料配比、制备工艺对材料细观结构的影响规律。从细观结构照片和细观颗粒初始形态入手,分别建立了Al/Ni类含能结构材料冲击压缩细观模型,计算并比较了该类材料在冲击压缩过程中的颗粒变形、压力响应、冲击温度分布及冲击波传播特性。结果表明：Al/Ni粉末复合材料的细观颗粒主要以Ni为基体,且Al颗粒随着其含量的上升而发生团聚;而Al/Ni多层复合材料主要以Al为基体,Ni近似于平行分布其中。Al/Ni类含能结构材料细观结构存在不均匀特性,导致其在冲击压缩过程中产生局部高压和热点,而这一特性无法由基于材料初始颗粒形态建立的均匀化细观模型得到。     

含能毁伤元冲击引爆模拟战斗部试验研究

为提高战斗部的毁伤效能,对氟聚物基含能反应材料进行了研究。对氟聚物基含能材料配方改进并制备了一种Φ26mm×60mm的含能毁伤元。将含能毁伤元装入特定结构壳体后进行了冲击引爆模拟战斗部试验。采用高速录像观察含能毁伤元冲击侵彻模拟战斗部后的爆炸情况并测试爆炸后空气冲击波超压。考察了含能毁伤元不同速度下对B炸药和PBX-9404炸药的引燃引爆能力。设置了B炸药模拟战斗部静爆试验作为对比。在试验的基础上,通过测量爆炸后空气冲击波超压进行了TNT当量等效对比分析。试验研究表明,在735m·s~(-1)的侵彻速度下,氟聚物基含能毁伤元可冲击引爆B炸药模拟战斗部。在962m·s~(-1)的侵彻速度下,能引发PBX-9404炸药模拟战斗部爆燃反应。     

含能材料的一种非等温反应动力学处理方法

提出了用非等温ＤＳＣ曲线上的两个特征点的四个参数，求解含能材料的非等温反应动力学参数的两点法，定义了判别含能材料非等温ＤＳＣ曲线的两个峰形抬数Ｈ。和τ，发现只有峰形指数同时满足０．１＜Ｈ＿ｗ＜１．Ｏ和１．８×１Ｏ￣（－２）＜τ＿ｍ＜９．８×１０￣（－２）时，该峰才可用动力学处理；给出了选择合理动力学参数及最可几机理函数的六条判断。用本文提出的两点法与其它八种常用的动力学处理方法进行了对比，给出了典型计算实例。     

多孔硅含能芯片的制备工艺和性能研究

采用电化学双槽腐蚀法在P型单晶硅片表面生长多孔硅膜。利用超声强化原位装药技术,在多孔硅膜中填充高氯酸铵或高氯酸钠制备多孔硅含能芯片。试验表明:采用电化学双槽腐蚀法可以制备厚度达90~100μm的不龟裂多孔硅厚膜;该多孔硅膜能够承受超声填充高氯酸铵和高氯酸钠等氧化剂时的冲击,得到多孔硅含能芯片。该多孔硅含能芯片在450~470℃的热作用下,可在开放空间发生猛烈爆炸。高氯酸铵比高氯酸钠更适合制备多孔硅含能芯片。