Page 52 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

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 157

933 K 和 Ni 的熔点 T m，Ni =1728 K。通过计算得到 Al 和 式中，C 为电容，F；V 和 V 为电容的初始电压和放电后
1
0
Ni 粒子的 T /T 分别为 0.38 和 0.20，表明 Al 粒子的表 电 压 ，V；L 为 回 路 的 寄 生 电 感 ，H；I 为 回 路 电 流 ，A；
m
p
s
面 扩 散 能 力 要 强 于 Ni 粒 子 。 由 SZM 模 型 可 知 ，当 I （t）和 U（t）为电流、电压随时间的函数；R 为回路的寄
p
T /T 为 0～0.3，薄膜晶粒主要形成 1 区结构，即疏松 生电阻，Ω。
s
m
的细纤维结构；当 T /T 为 0.3～0.5，薄膜晶粒主要形
m
s
成 2 区结构，即致密的块状结构。因此，本研究所制备
的 Al/Ni 含能薄膜中的 Al 薄膜晶粒主要呈致密的块状
结构，而 Ni 薄膜晶粒主要呈疏松的细纤维状结构。
a. schematic of the capacitive discharge circuit

a. Al/Ni reactive multilayer films（RMFs）consisting of
variable thickness layers

b. single‑layer of Ni and Al film
图 3 Al/Ni 含能薄膜横截面以及单层 Ni、Al 薄膜表面的 SEM 图
Fig. 3 SEM images of the cross section of Al / Ni RMFs and
the surface of single layer of Ni and Al film

3.2 Al/Ni 含能薄膜换能元的电爆特性
b. waveforms from the open‑air electrical explosion tests of
用电容放电方式激励换能元发火的电路可以等效 the Al/Ni RMFs initiator under 30 V/47 μF
为如图 4a 所示的 R‑L‑C 电路，换能元在电路中相当于可
图 4 电容放电的等效回路和 Al/Ni 含能薄膜换能元的典型电
变电阻。图 4b 是 Al/Ni 含能薄膜换能元在电容 47 μF、 爆曲线
充电电压 30 V 的激励条件下发生电爆时得到的典型 Fig.4 Equivalent circuit of the capacitivedis charge and typi‑
电流、电压随时间变化曲线。根据图 4b 中电流变化率 cal electrical explosion curves of the Al/Ni RMFs initiator
（dI/dt）可以将换能元的电爆过程分为三个阶段。
Al/Ni 含能薄膜换能元的桥区在 t 时刻吸收热量
1
Ⅰ阶段，从 t 到 t ，在此阶段，电容释放的能量主要 并且开始融化，电阻迅速增大，此时回路中的电流上升
0
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转换为寄生电感的磁场能量以及换能元和寄生电阻热
率 dI/dt 开始减小，t 时刻回路中的电流达到最大值。
2
能，此过程中的能量转换可以表示为： Ⅱ阶段，从 t 到 t ，也是换能元发生电爆的阶段。
C (V 2 - V ) = 1 L I + t 2 U ( ) t ⋅ I ( ) t d t + 2 4
2
2
2
2 1 0 2 p ∫ t 0 Al/Ni 含能薄膜换能元的桥区在 t 时刻开始汽化，此时
t 2 2 回路中的电流开始减小。t 时刻汽化的桥区材料发生
3
p
∫ t I ( ) t ⋅ R d t （1） 电爆并且生成等离子体，此时伴随有强烈的光信号产
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CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 2 期 （155-161）