Page 50 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019
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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                                             155

            文章编号：1006‑9941（2019）02‑0155‑07

            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


            付 帅，沈瑞琪，朱 朋，叶迎华，马宏玲

           （南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094）

            摘  要： 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 47 μF 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 47 μF 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。
            关键词：Al/Ni 含能薄膜；换能元；电爆性能；输出能量
            中图分类号：TJ45；O76                    文献标志码：A                                    DOI：10.11943/CJEM2018173







                                                                     Al/Ni 含能薄膜在外界能量激励下，例如电、热或
            1   引 言                                             者 激 光 等 ，可 发 生 自 蔓 延 燃 烧 反 应（self‑propagating

                                                                high‑temperature synthesis，SHS），燃 烧 波 的 传 播 速
                含 能 薄 膜 也 称 反 应 性 复 合 薄 膜（reactive multi‑
                                                                度最高可以达到 10 m·s         -1［2］ 。利用 Al/Ni 含能薄膜自
            layer films，RMFs），是一种二维有序材料，由两种可
                                                                蔓延燃烧的特点，可以将其应用在异质材料的焊接 、
                                                                                                             ［3］
            以发生放热反应的薄膜材料交替叠加组成。含能薄
                                                                                         ［5］
                                                                           ［4］
                                                                热电池激活 以及加热点火 等方面。当外界激励能
            膜中反应物的厚度在纳米级，层间接触面积大且接触
                                                                量以较高的能量密度快速加载在 Al/Ni 含能薄膜上，
            紧密、结构有序均匀，因此具有反应迅速、能量密度高
            以及反应波传播稳定等特点。此外，含能薄膜主要使                             并且超过含能薄膜汽化电离所需能量时，含能薄膜可
            用磁控溅射方法制备，与微机电系统（MEMS）中所使                           以发生电爆炸反应并且快速释放出所储存的化学能。
            用的微纳加工技术相兼容。上述优点使含能薄膜材料                             利用 Al/Ni 含能薄膜发生电爆炸反应所具有的输出能
            受到了国内外学者的广泛关注。Al/Ni 含能薄膜是合                          量高、功率大等特点，可以将其应用在点火和起爆换能
            金化反应性薄膜中的一种，绝热反应温度在 1900 K 左                        元中。Al/Ni 含能薄膜应用于换能元的方式主要有两
                                     -1
            右，理论放热量为 1.38 kJ·g ，体积能量密度可以达到                      种：第一种是将 Al/Ni 含能薄膜沉积到金属或者半导
            7.18 kJ·cm -3［1-2］ ，与三硝基甲苯（TNT）相当。                  体桥区表面，利用底层桥区电爆生成的高温等离子体
                                                                或焦耳热点燃含能薄膜并且释放出化学能；第二种是
            收稿日期：2018⁃06⁃27；修回日期：2018‑09⁃13                     将 Al/Ni 含能薄膜直接制备成换能元，利用瞬态大电
            网络出版日期：2018‑11‑29
            基 金 项 目 ：航 天 创 新 基 金 资 助（CASC150710）和 江 苏 省 自 然 科 学 基  流激励 Al/Ni 含能薄膜发生电爆反应，释放出化学能，
            金资助（BK20151486）                                     这也是本文阐述的重点。
            作 者 简 介 ：付 帅（1989-），男 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 含 能 材 料 和 先    目前国内外学者对于 Al/Ni 含能薄膜的研究主要
            进火工品技术研究。e‑mail：fu_shuai2016@163.com
                                                                集中在制备、表征以及扩散反应动力学等方面                     ［2，6-8］ ，而
            通 信 联 系 人 ：沈 瑞 琪（1963-），男 ，教 授 ，主 要 从 事 含 能 材 料 和 先 进
            火工品技术研究。e‑mail：rqshen@njust.edu.cn                  对于其在换能元中的应用研究则相对较少。国内外的
            引 用 本 文 ：付 帅 ,沈 瑞 琪 ,朱 朋 ，等 . 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 [J]. 含 能 材 料 ,2019,27(2): 155-161.
            FU Shuai,SHEN Rui‑qi,ZHU Peng,et al. Characteristics and Laws of Energy Release for Multilayer Al/Ni RMFs Under Capacitive Discharge Excitation[J]. Chinese
            Journal of Energetic Materials（Hanneng Cailiao）,2019,27(2): 155-161.
            CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS              含能材料                2019 年  第 27 卷  第 2 期 （155-161）
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