基于含能復(fù)合薄膜的非線性電爆換能元.pdf

1、非線性電爆換能元具有良好的安全性和可靠性，是火工品的基礎(chǔ)部件。含能復(fù)合薄膜是一種新結(jié)構(gòu)形式的含能材料，其中Al/CuO、Al/MoO3和Al/Fe2O3三種放熱量較高。本文研究了三種含能復(fù)合薄膜材料的制備和表征，在此基礎(chǔ)上研究了基于含能復(fù)合薄膜的非線性電爆換能元。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)使用磁控濺射方法制備了微米和納米級調(diào)制周期的Al/CuO、Al/MoO3和Al/Fe2O3三種含能薄膜材料。使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(

2、FESEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射儀(XRD)、光電子能譜儀(XPS)和差示掃描量熱儀(DSC)等分析和表征方法研究了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)性能。研究結(jié)果表明:制備的含能復(fù)合薄膜表面平整無缺陷，層狀結(jié)構(gòu)清晰、層與層之間連接緊密;Al薄膜主要以正方晶系存在，CuO薄膜中含有弱的多晶CuO和Cu2O，MoO3薄膜主要以非晶狀態(tài)存在，主要由MoO3、Mo2O5和MoO2組成，F(xiàn)e2O3薄膜中含有弱的多晶Fe

3、2O3和FeO。含能復(fù)合薄膜熱穩(wěn)定性良好，可長期保存，激發(fā)后反應(yīng)迅速，反應(yīng)產(chǎn)物主要是單晶態(tài)的金屬和非晶的Al2O3。
　　(2)以半導(dǎo)體橋(SCB)為基礎(chǔ)，分別將Al/CuO和Al/MoO3納米含能復(fù)合薄膜集成到SCB上，制備了SCB-Al/CuO和SCB-Al/MoO3兩種非線性電爆換能元。并聯(lián)有熱敏電阻芯片(NTC)的換能元可防射頻、防靜電、滿足1A/1W/5min不發(fā)火要求。并聯(lián)NTC對換能元電爆性能無顯著性影響。
　

4、　(3)在電容放電條件下，分別對SCB，SCB-Al/CuO和SCB-Al/MoO3的電爆換能規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究。研究發(fā)現(xiàn)，換能元的發(fā)火時間和發(fā)火能量與SCB橋區(qū)的固有性質(zhì)有關(guān)，趨于一穩(wěn)定值，與激發(fā)條件沒有顯著關(guān)系，三種換能元的發(fā)火時間和發(fā)火能量無顯著性差別。SCB-Al/CuO和SCB-Al/MoO3的電容作用總時間、總能量和輸入能量利用率小于SCB。但由于納米含能復(fù)合薄膜的放熱反應(yīng)提高了輸出能量，SCB-Al/CuO和SCB-

5、Al/MoO3的輸出能量效率高于SCB，并具備間隙點(diǎn)火的能力。
　　(4)基于電容放電和傳熱學(xué)原理，分別建立了含能SCB電爆換能模型、含能復(fù)合薄膜的溫度分布模型和自蔓燃燒反應(yīng)模型。得出了含能SCB發(fā)火時間和發(fā)火電壓的理論表達(dá)式，分析了電爆過程中含能復(fù)合薄膜的溫度分布和含能復(fù)合薄膜的自蔓燃燒反應(yīng)。所建模型較好的從理論上解釋了含能SCB的電爆換能特性，為含能SCB的設(shè)計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)和計算方法。
　　(5)CuO是半導(dǎo)體材

6、料，Al薄膜和CuO薄膜可以形成面接觸肖特基結(jié)，以此為切入點(diǎn)，從理論上分析了Al/CuO肖特基電爆換能元(S-Al/CuO)的可行性。設(shè)計、制備了S-Al/CuO和S-Al/CuO/Cr兩種結(jié)構(gòu)形式的非線性電爆換能元。電容放電激發(fā)時，S-Al/CuO具有直流封堵和延遲放電特性，肖特基結(jié)擊穿后，呈現(xiàn)熱功率增大的正反饋效應(yīng)。恒壓激發(fā)時，S-Al/CuO/Cr在實(shí)現(xiàn)電擊穿后的全發(fā)火電壓為40V。兩種換能元在電激發(fā)時不僅產(chǎn)生焦耳熱，還可以激發(fā)A