Al-CuO復(fù)合薄膜含能點火器件作用機理與點火性能研究.pdf

1、因相比于橋絲式火工品具有更好的點火性能和安全性能，半導(dǎo)體橋(SCB)火工品經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，逐步呈現(xiàn)其大規(guī)模應(yīng)用前景。然而，受限于橋膜本身質(zhì)量與激勵能量，SCB在點燃鈍感藥劑或者藥劑界面與橋界面存在任何空氣間隙時，可能出現(xiàn)點火不可靠的情況。為此，本文在成熟的SCB點火技術(shù)基礎(chǔ)上，采用離子束濺射方法，將Al/CuO納米含能材料復(fù)合薄膜與多晶硅薄膜有機結(jié)合，設(shè)計與制備一種新型的含能點火器件，研究其作用過程與能量轉(zhuǎn)換機理，揭示其點火性能與影響

2、規(guī)律，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)采用紅外顯微熱像技術(shù)以及超高速攝影技術(shù)，分別研究了含能點火器件在不同激勵能量下的作用過程，分析了能量轉(zhuǎn)換機理，結(jié)果表明:低幅值、長脈寬能量激勵時，Al/CuO復(fù)合薄膜與多晶硅薄膜換能機制為熱傳導(dǎo)與熱反饋，復(fù)合薄膜化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量反饋給多晶硅薄膜，加速或推進其進一步作用;而高幅值、短脈寬能量激勵時為熱傳導(dǎo)、對流換熱和輻射傳熱的混合換能機制，復(fù)合薄膜在多晶硅爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波作用下形成飛散粒子

3、;多晶硅薄膜與復(fù)合薄膜之間的能量交換為前期熱傳導(dǎo)和爆發(fā)后對流傳熱的混合機制;無約束情況下還包括強瞬態(tài)輻射傳熱。
　　(2)在電容放電作用過程中，電流僅在多晶硅及電極流動，復(fù)合薄膜的吸熱作用使得達到特征現(xiàn)象的時間相對延后。在47μF30V激勵下，估算得到含能點火芯片硅等離子體擴散速度最高為0.958km/s，復(fù)合薄膜飛散粒子最大飛行速度為2.05km/s。
　　(3)研究了點火器件電爆過程特性電參數(shù)、電爆成長過程、以及發(fā)射光譜

4、等隨激勵能量、橋形、橋區(qū)尺寸等因素的變化規(guī)律，結(jié)果表明:橋膜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致特性電參數(shù)變化過程的差異;爆發(fā)產(chǎn)物的空間尺寸及持續(xù)時間隨著激勵能量的升高而增大;相同激勵能量時，橋區(qū)體積越小的點火器件等離子體空間尺寸越大，Al/CuO飛散粒子量卻隨著橋區(qū)體積增大而增大。含能點火器件在相同激勵條件下，爆發(fā)產(chǎn)物的空間尺寸及持續(xù)時間均高于多晶硅點火器件。電子溫度與電子密度變化趨勢與電爆過程的延時放電相吻合，47μF電容放電激勵下，溫度范圍4700K～700

5、0K，持續(xù)12μs;電子密度范圍(1.6～2.9)×1016·cm-3。
　　(4)采用ANSYS有限元仿真軟件，對點火器件作用過程中各薄膜層表面溫度分布、電流密度分布、熱梯度分布等物理場量進行了仿真模擬，結(jié)果表明:電流流經(jīng)多晶硅層產(chǎn)生焦耳熱，傳遞給襯底、電極以及復(fù)合薄膜;由于絕緣層較強的隔熱效果，復(fù)合薄膜各層溫度遠(yuǎn)低于多晶硅層;復(fù)合薄膜各層之間溫差較小。電流在Ⅴ形尖角處聚集使得電流密度遠(yuǎn)高于橋區(qū)其他區(qū)域，而矩形橋電流分布較為均勻

6、，橋邊沿電流密度稍高;且電流密度隨著橋區(qū)體積增大而減小，即相同激勵能量下，生熱速率與橋膜體積成反比。點火器件熱擾動區(qū)域面積與激勵能量脈寬正相關(guān)，脈沖持續(xù)時間越長，越容易發(fā)生熱反饋。
　　(5)根據(jù)爆發(fā)產(chǎn)物狀態(tài)、作用機理及相關(guān)假設(shè)，建立了電爆點火的一維氣-固兩相流模型，計算硅等離子體與Al/CuO化學(xué)反應(yīng)氣相向藥劑擴散的微觀對流傳質(zhì)、傳熱過程，結(jié)果表明:相比于多晶硅點火器件，含能點火器件由于有進一步的內(nèi)熱源，顆粒表面升溫更快、最高溫

7、度更高、持續(xù)時間更長;氣相溫度、壓力、密度均有所提高;表明含能點火器件具有更好的點火能力。隨著等離子體半徑、等離子體溫度、可凝聚氣體含量、復(fù)合薄膜反應(yīng)速度、藥劑裝填密度、顆粒半徑、導(dǎo)熱系數(shù)的增大，有利于藥劑的著火。
　　(6)以斯蒂芬酸鉛(LTNR)藥劑為例，研究了點火器件在與藥劑緊密接觸時的點火能力，結(jié)果表明:低激勵能量時，復(fù)合薄膜自身吸熱升溫達到反應(yīng)溫度，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放熱量有助于縮短點火時間與降低感度;但是這種助推作用隨

8、著激勵能量升高，等離子體溫度遠(yuǎn)高于化學(xué)反應(yīng)熱而不斷減弱。相同激勵能量時，點火延遲時間隨著橋區(qū)體積增大而升高;Ⅴ形結(jié)構(gòu)設(shè)計有助于降低作用所需能量、減小點火延遲時間。
　　(7)設(shè)計了一種非接觸式裝藥結(jié)構(gòu)，研究了不同間隙距離下，點火器件點燃硫氰酸鉛/氯酸鉀點火藥的點火能力，結(jié)果表明:空氣間隙距離為1.5mm、2.5mm和3.5mm時，含能點火器件全發(fā)火電壓分別為30.22V、40.34V和61.21V;且激勵電壓60V時，3發(fā)樣品在間