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。     

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.     

调制周期对Al/MoO3反应薄膜热性能和发火性能的影响

为了考察调制周期对反应薄膜性能的影响,采用磁控溅射技术制备了厚度为3μm,调制周期为50,150 nm和300 nm的Al/MoO3反应薄膜,采用差示扫描量热仪(DSC)探索了调制周期对Al/MoO3反应薄膜放热过程和反应活化能的影响;使用高速摄影和激光点火技术研究了三种调制周期反应薄膜的燃烧速率,通过与半导体桥和桥丝融合形成含能点火器件,考察了调制周期对电流和电压发火感度的影响。结果显示调制周期由50 nm增加到300 nm时,Al/MoO3反应薄膜燃烧速率由5.35 m·s^-1降低到1.75 m·s^-1。三种调制周期(50,150,300 nm)Al/MoO3反应薄膜半导体桥点火器件的50%电流发火电流分别为1.44,1.74 A和1.87 A;Al/MoO3反应薄膜桥丝点火器件的50%发火电流分别为0.08,0.65 A和1.02 A;将Al/MoO3反应薄膜与半导体桥和桥丝换能元结合形成点火器件,在点火间隙为1 mm的情况下,能够点燃钝感点火药硼-硝酸钾(B-KNO3)药片,提升点火系统的点火能力和可靠性。     

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。     

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。     

基于Al/CuOx复合薄膜半导体桥间隙点火性能研究

为了提升半导体桥(SCB)的点火能力,尤其是点燃钝感药剂的能力,采用磁控溅射技术将Al/CuO_x复合薄膜与半导体桥相融合,形成含能点火器件,并研究了该含能点火器件的发火感度和点火能力。采用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线能谱仪(EDS)、X-射线衍射仪(XRD)研究了Al/CuO_x复合薄膜的微观形貌和组成。结果表明,在溅射过程中氧化铜薄膜主要以黑铜矿(Cu_2~(1+)Cu_2~1+O_3)形式存在;复合薄膜中Al、Cu、O三种元素质量分数分别为28.8%,32.5%和38.7%,且Al与Cu原子比例接近于理论比1:1;差示扫描量热仪(DSC)显示Al/CuO_x复合薄膜放热量约为2175.4J·g~(-1);高速摄影技术测试Al/CuO_x复合薄膜的燃烧速率约为3.0m·s~(-1);兰利法测得该含能点火器件50%发火电压为8.45 V,99.9%发火电压为12.39 V。点火能力实验表明,在点火间隙为4 mm时,该含能器件能够点燃钝感点火药硼-硝酸钾(B/KNO_3)药片,显著提升了半导体桥的点火能力。     

Ni-Cr薄膜换能元点火性能研究

针对微火工品和微推进器集成化的发展需求,以及制作工艺与MEMS、半导体工艺相兼容并能实现低能发火的要求,对Ni-Cr薄膜换能元进行了研究,设计制作了几种不同桥区尺寸和薄膜厚度的Ni-Cr薄膜换能元,并对其电发火性能进行了测试.结果表明:在同一桥区尺寸的条件下,Ni-Cr薄膜发火感度随桥膜厚度的增加而升高;在相同的桥膜厚...     

半导体桥电爆过程的能量转换测量与计算

对电容激励模式下半导体桥(SCB)的电流、电压以及光的变化进行了测试,从能量的角度对半导体桥电爆换能过程进行了分析,并对电爆换能过程中硅桥物质形态的变化进行了量化分析,在电容为22μF、充电电压为45 V的情况下,SCB上电压为最低时(2.18μs,10 V)有61.1%的桥区熔化,SCB上电压为最高时(3.48μs,43 V)桥区有14.5%气化,在SCB发火光强最亮时(17.60μs)有70.3%的半导体硅桥电离。     

MEMS用含能薄膜研究现状及进展

在综合分析国内外含能薄膜相关文献的基础上,认为金属复合含能薄膜桥、含能半导体桥及纳米多孔硅/氧化剂复合薄膜制作工艺与微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)器件制备技术具有良好的兼容性,在此基础上阐述了上述三种薄膜材料的制备方法及输出特性,认为MEMS火工装置为火工技术的发展提供了一个重要的研究方向。     

铝薄膜含量对RDX基铝薄膜炸药水下爆炸性能影响

将传统含铝炸药中的铝粉用铝薄膜代替,得到铝薄膜炸药。用水下爆炸对比实验得到了铝薄膜含量为10%~40%的混合炸药与黑索今(RDX)在不同位置的压力-时程曲线。经过分析与计算得到了不同铝薄膜含量混合炸药的压力峰值、冲量、比冲击波能、比气泡能。结果表明:铝薄膜含量为10%时,铝薄膜炸药冲击波冲量相对于RDX提高了9%~9.5%,铝薄膜炸药比冲击波能相对于RDX提高了9%~12%。铝含量对铝薄膜炸药水下爆炸性能的影响不同于传统含铝炸药,主要由铝薄膜炸药的药柱结构与铝薄膜反应程度引起。     

桥区参数对Ni-Cr薄膜换能元发火性能的影响

依据GJB/z 377A-94感度试验川兰利法,对设计制作的不同桥区参数的Ni-Cr薄膜换能元进行了发火感度测试.结果显示:当桥区尺寸、形状一定时,随着桥膜厚度的增加,换能元的发火电压减小,当桥膜的厚度增加到0.9μm,换能元发火电压又有增加的趋势;当桥膜厚度、桥区形状一定时,随着桥区宽度减小,发火电压降低,但当桥区宽度小于0.10mm时,发火电压反而上升;当桥膜厚度、桥区宽度一定时,桥区长度越长,发火电压越高,而且不同桥区形状对换能元发火感度有明显的影响.     

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。     

斯蒂芬酸铅的半导体桥点火试验研究

通过对半导体桥(Semiconductor Bridge,SCB)装药条件下发火电压、发火电容及积分能量对点火时间影响的对比,结合不同点火条件下,桥体两端电压曲线、电流曲线和电流二次峰出现时间的比较,研究了斯蒂芬酸铅(LTNR)的半导体桥点火机理。试验发现特定的点火电路下,SCB点火时间存在一个临界值,且SCB等离子体形成的快慢直接影响点火时间。在充电电压从大到小的点火过程中,在桥与药剂之间存在2种不同的点火机理,在较高点火电压下为等离子体点火机理,在低电压为热点火机理。     

Ti/B多层结构含能点火元件的制备与表征

设计了含能桥的结构,采用磁控溅射方法制备硼/钛多层含能桥。对含能薄膜进行X射线衍射图谱测试,并用扫描电镜对含能桥进行了断面和表面形貌观察,可以看到多层连续结构。用HS4540MX12高速摄像系统记录下来含能桥发火过程,火花溅射距离可达到30 mm左右。进行了含能桥对BNCP药柱的点火试验,成功隔离点火。     

瞬态电压抑制二极管对半导体桥换能元电爆特性影响的模拟

为了解决瞬态电压抑制二极管(TVS)用于半导体桥火工品抗静电设计的参数优化问题,采用电路模拟和试验相结合的方法,构建了电容放电发火测试电路等效模型和半导体桥PSpice电子器件模型,研究了TVS参数对半导体桥换能元电爆特性的影响。结果表明,当钽电容等效串联电阻为288 mΩ,钽电容等效串联电感为0.68μH,导线电感为40 nH和回路电阻为3.3 mΩ时,22μF/16 V电容放电发火电路的等效电路模型和实际吻合。以阻抗-能量列表模型的方式创建的半导体桥PSpice电子器件模型模拟曲线和实际曲线吻合,且模拟电爆数据偏差小于3%。模拟和试验结果表明,TVS对半导体桥电爆性能的影响程度随着其击穿电压的升高而降低。当TVS的击穿电压在8～12 V之间时,即使TVS击穿电压低于半导体桥发火电压,半导体桥仍能正常爆发,TVS击穿造成的分流导致半导体桥爆发延迟(2μs),且延迟时间随着TVS击穿电压的降低而延长。     

不同调制比的Al/MoO_3含能半导体桥电爆特性研究

调制比是薄膜制备中体现材料化学计量比的重要参数,直接影响含能复合薄膜的反应性能。为了研究Al/MoO_3含能复合薄膜在半导体桥上复合的最佳调制比,采用磁控溅射工艺分别制备了3种调制比的Al/MoO_3含能复合薄膜和Al/MoO_3含能半导体桥。研究了薄膜的形貌、热反应性能与Al/MoO_3含能半导体桥在不同充电电压下的电爆过程。结果表明适当调整调制比可以减小临界激发能量,缩短临界激发时间,提高含能半导体桥的燃烧时间。     

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。     

复合半导体桥的电爆特性

针对半导体桥小型化带来的点火可靠性问题,制备了复合半导体桥,采用高速存贮示波器对其在22μF电容不同充电电压下的电爆过程进行了研究,并与多晶硅半导体桥的电爆性能进行了对比。结果显示:在电爆过程爆发前,复合半导体桥和多晶硅半导体桥的电爆过程基本一致;爆发后特别是在高压时(50 V),与多晶硅半导体桥相比,复合半导体桥上电流下降缓慢,爆发所需时间稍偏长,作用于等离子体上的能量稍多;爆发后3μs内,复合半导体桥作用于等离子体上的能量增加较多,因此复合半导体桥点火可靠性更高。复合半导体桥上金属薄膜的存在是造成上述结果差异的原因。     

半导体桥点火电路的设计与仿真

根据半导体桥的点火机理,设计了电容充放电式点火电路,采用了绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为充放电过程的开关器件,对电容充放电过程的数学模型进行了建立,并对电路参数的选择进行了详细的介绍.对所设计的电路进行了仿真,通过分析电路中各参数对半导体桥点火性能的具体影响,得出了对点火性能产生影响的主要因素.输出的仿真结果证明,该电路的设计可以安全有效地实现半导体桥点火,为今后做进一步的电路设计和研究奠定了一定的基础.     

叠氮肼镍半导体桥点火研究

研究了一种新型高威力起爆药叠氮肼镍(nickel hydrazine azide,NHA)的半导体桥(semiconductor bridge,SCB)点火性能,确定了其最佳的点火参数为压药压力60MPa,电容47μF,药剂粒度49μm。研究其电压-时间曲线和电压-点火能量曲线发现:在高电压下,半导体桥产生等离子体将药剂点燃,低电压下,半导体桥产生的焦耳热可以在炸药中形成热点,将药剂点燃。