Page 51 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019
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            部分学者    ［9-12］ 研究对比了 Cu 爆炸箔和集成了 Al/Ni 含              2.2  Al/Ni 含能薄膜换能元的电爆测试
            能薄膜的爆炸箔对飞片的驱动能力，结果表明调制周                                  用南京理工大学自主研制的 ALG‑CN1 储能放电
            期在纳米级的 Al/Ni 含能薄膜可以提高飞片的速度；                          起爆仪作为激励电源。电容器使用 47 μF 固体钽电容，
            此外，还研究了 Al/Ni 含能薄膜直接作为换能元的电                          充电电压为 10～45 V。用高速摄影仪（HG‑100K）观察
            爆特性   ［13-14］ ，结果表明 Al/Ni 含能桥膜较普通金属桥                 换能元的发火过程，数字示波器（LeCroy44Xs，4 通道）
            膜在电爆时火焰飞溅面更大、持续时间更长，但是研究                             记录换能元发火时的电流、电压随时间变化曲线。测
            涉及的桥型尺寸较大、激励能量较高，电爆发火规律以                             试装置示意图如图 2 所示，测试时，先给电容器充电，
            及机理等有待进一步研究。                                         之后断开充电回路，闭合放电回路，使换能元发火。
                为了适应对未来新型火工品所提出的微型化、集
            成化以及低输入、高输出等要求，本研究采用微细加工
            技术  ［14］ ，在硅基底上批量制备出微型 Al/Ni 含能薄膜
            换能元。使用电容放电的方式激励换能元发火，并且
            与相同桥型的 NiCr 薄膜换能元作对比，研究含能薄膜
            的能量释放特性和规律，为 Al/Ni 含能薄膜在点火换
            能方面的应用提供参考。                                          图 2  换能元电爆测试系统示意图
                                                                 Fig.2 Schematic diagram of the electrical explosion test sys‑
            2   实验部分                                             tem for initiator


            2.1  Al/Ni 含能薄膜换能元的设计和制备                             3  结果与讨论
                采用微细加工技术实现对 Al/Ni 含能薄膜换能元
                                                                 3.1  Al/Ni 含能薄膜的微观结构
            的批量制备。基底材料选择厚度为 500 μm 的单面抛
                                                                     有关 Al/Ni 含能薄膜的成分和热力学分析已经在
            光硅片（Si），利用热氧化方法在表面形成 1 μm 厚度的
                                                                 前期做过公开报道        ［15］ ，本研究只对 Al/Ni 含能薄膜的微
            二氧化硅（SiO ）绝缘层。绝缘层不仅起到电绝缘作
                         2
            用，而且还起到减少桥区发火时热量向基底传导耗散                              观 结 构 进 行 分 析 。 用 场 发 射 电 子 显 微 镜（FESEM，
                                                                 Zeiss Merlin Compact）对 Al/Ni 含能薄膜横截面和单
            的作用。使用循环控制磁控溅射方法和图形反转剥离
                                                                 层 Ni、Al 薄膜表面的微观结构进行表征，结果如图 3 所
            工艺在基底上沉积 Al/Ni 含能薄膜，制备的具体过程
                                                                 示。由图 3 可见，Al 薄膜中的晶粒呈致密的块状结构，
            可参考前期的研究工作            ［14-15］ 。单个换能元的尺寸为
                                                                 而 Ni薄膜中的晶粒呈疏松的细纤维状结构。根据溅射
            1.5 mm×1.0 mm，发火桥区为双“V”型（夹角为 90°），
                                                                                     ［17-18］
                                                                 薄膜构造带模型（SZM）             可以分析造成 Al、Ni 薄膜
            尺寸为 380 μm×80 μm。此结构可以在桥区尖端形成
                                                                 晶粒结构不同的原因：在磁控溅射过程中，从靶材飞溅
            高电流密度区，有利于桥区的发火               ［16］ 。Al/Ni 含能薄膜
                                                                 出来的粒子在沉积到基底表面上时，主要受到表面扩
            中的单层 Al、Ni薄膜厚度分别为 45 nm 和 30 nm，共有
                                                                 散能力和阴影效应的影响。其中阴影效应是指已经沉
            20 个调制周期，总厚度为 1500 nm。换能元的平均电
                                                                 积到表面的粒子团对即将沉积的粒子所造成的遮挡阻
            阻为 0.7 Ω，标准偏差为 0.046 Ω，其外观形貌和结构
                                                                 碍作用。当沉积粒子的表面扩散能力较弱时，粒子受
            如图 1 所示。
                                                                 到阴影效应的影响较强，新沉积粒子只能在已经成核
                                                                 的晶粒顶端继续成核生长，逐渐生长为细纤维或柱状
                                                                 晶粒；当沉积粒子的表面扩散能力较强时，可以逐渐摆
                                                                 脱阴影效应的影响，在基底表面做扩散移动。此时新
                                                                 沉积粒子可以在已经成核的晶粒外表面进行外延生
                                                                 长，逐渐生长为边界致密的块状晶粒。在相同的溅射
                                                                 沉积条件下，沉积粒子的表面扩散能力主要受到基底
                                                                 相对温度（T /T ）的影响，其中 T 是基底的温度，T 是沉
            图 1  Al/Ni 含能薄膜换能元的形貌和结构示意图                                    s  m             s               m
            Fig. 1  Schematic diagrams of the morphology and structure  积 材 料 的 熔 点 。 用 K 型 热 电 偶 测 量 得 到 基 片 温 度
            for the Al/Ni RMFs initiator                         T =350 K。根据物化手册       ［19］ 可以得到 Al 的熔点 T    m，Al =
                                                                  s

            Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.2, 2019（155-161）  含能材料       www.energetic-materials.org.cn
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