CN107121035B - 一种高能量转换率复合含能薄膜桥 - Google Patents

一种高能量转换率复合含能薄膜桥 Download PDF

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Abstract

本发明属于火工品领域，具体涉及一种高能量转换率复合含能薄膜桥。该高能量转换率复合含能薄膜桥(爆炸箔)，从下至上依次包括基片、金属膜桥和含能薄膜层，还包括聚四氟乙烯PTFE薄膜层和二个电极焊盘。金属膜桥设置在基片之上，其上方直接接触的为一聚四氟乙烯薄膜层；含能薄膜层最少一层，且与金属膜桥不直接接触；聚四氟乙烯薄膜层最少一层，位于金属膜桥上方，不同聚四氟乙烯薄膜层之间不直接接触，结构上通过含能薄膜层隔开；二个电极焊盘分别与聚四氟乙烯薄膜层和含能薄膜层两端实现电接触，置于金属膜桥之上。本发明具有体积小、起爆能量低、能量转换率高的优异效果。

Description

一种高能量转换率复合含能薄膜桥
技术领域
本发明属于火工品领域，涉及一种冲击片雷管用爆炸薄膜桥，具体涉及一种高能量转换率复合含能薄膜桥。
背景技术
雷管作为各类点火装置中的重要换能元件，广泛应用于航空、航天、导弹发射、矿山爆破等军用和民用领域。目前广泛使用的电雷管，采用热丝点火方式，雷管和主药球无法隔离，对电磁干扰、静电、射频、杂散电流等十分敏感，安全性差。冲击片雷管作为一种新型雷管，具有爆炸箔与炸药不直接接触，耐机械冲击、抗射频、静电、杂散电流及电磁干扰、且作用迅速可靠。爆炸箔作为冲击片雷管的核心部件之一，其作用原理是当高压脉冲电流通过金属桥箔时，桥区由于热效应迅速地由固态转变为气态，形成高温高压的等离子体，等离子体剪切桥箔上的冲击片(聚酰哑胺薄膜层或其他电介质层)形成飞片，飞片以极高的速度撞击高能火药，实现冲击片雷管的点火功能。该过程要求飞片速率快，飞片速率过低则无法引爆高能火药，导致冲击片雷管工作稳定性差。目前冲击片雷管一般采用Cu薄膜桥作为爆炸箔，其采用单一电能加热膜桥，起爆电压较大(3000V左右)，起爆能量高，电能转换为飞片动能的能量转换率偏低，不利于装备系统小型化和低能化发展。
反应多层膜是一种叠层式纳米含能薄膜材料，由两种或两种以上不同的组元材料按一定的厚度(通常满足某个化学反应的计量比)，沿垂直于衬底方向周期性地沉积，其单个周期膜厚可从几纳米到几百纳米，总周期数可从几到上百，多层膜的总厚度可达到几十微米。反应多层膜在热能或电能作用下可发生化学或合金化反应，反应过程中伴随着物质的扩散、热量的传递、等离子体的形成等。复合含能薄膜桥通过在金属膜桥上集成反应多层膜，将电能与化学能相结合，实现电-化学复合爆炸，通过电爆炸的等离子体与纳米叠层含能薄膜的化学爆炸共同作用，以获得更高的起爆效能。在(Rapid initiation ofreactions in Al/Ni multilayers with nanoscale layering.Journal of Physics andChemistry of Solids,2010.71(2):p.84-89)中Morris等在Cu箔上集成Al/Ni反应多层膜以提升飞片速率，但起爆电压较大，飞片速率提升效果不明显。在(Influence of Al/CuOreactive multilayer films additives on exploding foil initiator.Journal ofApplied Physics,2011.110(9):p.094505)中，周翔等在Cu箔上集成了Al/CuO反应多层膜，能够提升电爆时等离子体温度，但电爆时间与含能材料反应时间不匹配，没有提升飞片动能。如何有效提高冲击片雷管爆炸箔电能转换为飞片动能的能量转换效率，进而提高飞片动能是提高冲击片雷管性能的有效手段。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种高能量转换率复合含能薄膜桥(爆炸箔)。
一种高能量转换率复合含能薄膜桥(爆炸箔)，从下至上依次包括基片、金属膜桥和含能薄膜层，还包括聚四氟乙烯PTFE薄膜层和二个电极焊盘。
金属膜桥设置在基片之上，其上方直接接触的为一聚四氟乙烯薄膜层。含能薄膜层最少一层，且与金属膜桥不直接接触。聚四氟乙烯薄膜层最少一层，位于金属膜桥上方，不同聚四氟乙烯薄膜层之间不直接接触，结构上通过含能薄膜层隔开。
二个电极焊盘分别与聚四氟乙烯薄膜层和含能薄膜层两端实现电接触，置于金属膜桥之上。
所述含能薄膜层材料选用Al/CuO、Al/Ni、B/Ti或Al/NiO。
所述基片采用陶瓷基片、硅基片或者玻璃基片。
所述金属膜桥的材料选Cu、Au或Pt。
所述电极焊盘的材料选Cu、Au或Ag。
本发明复合含能薄膜桥发生电爆生成等离子体的过程中，伴随有能量的扩散和热传递等现象，很大部分的电能和化学能并没有转换为飞片的动能，而是以热能或光能等形式消耗掉。相比于传统的复合含能薄膜桥，本发明做出了以下改进：(1)在含能薄膜区两端增设了与每一层含能薄膜层电接触的电极焊盘，高压脉冲电流可以同时通过金属膜桥区和含能薄膜区，使得金属膜桥区的电爆炸反应和含能薄膜区的化学爆炸同时进行，有效解决了金属膜桥区与与含能薄膜区材料反应时间不匹配的问题，降低了能量由金属膜桥区向含能薄膜区传递过程中的能量损失，从而降低了起爆电压和起爆能量，提高了薄膜桥的能量转换效率。(2)在金属膜桥上方，多层含能薄膜不同调制周期之间沉积了一层或多层PTFE薄膜。PTFE薄膜层可以吸收薄膜桥反应产生的能量，分解产生大量的气体，气体急剧膨胀对冲击片做功(机械能)，从而降低薄膜桥反应时的能量损失，提高电能转换为飞片动能的能量转换效率。(3)和金属膜桥接触的PTFE薄膜层还起到一个绝缘金属膜桥与含能薄膜层的作用。
本发明通过在金属薄膜桥上集成含能薄膜层以及PTFE薄膜，综合利用电能、化学能和机械能，有效提高电能转换为飞片动能的能量转换效率，显著降低雷管起爆能量和起爆电压，减小雷管系统体积，提高冲击片雷管系统的可靠性和稳定性。
因此，当在本发明的含能薄膜桥两端施加高压电场时，金属膜桥发生电爆炸释放能量、含能薄膜层发生化学反应释放能量、PTFE薄膜发生分解反应产生气体膨胀做功，即相比于现有的复合含能薄膜桥，该薄膜桥在电能-化学能-机械能三者的共同作用下，反应过程中能量损失更低，飞片具有的动能更高，从而提高电能转换为飞片动能的能量转换效率，进而实现降低雷管的起爆能量和起爆电压，减小雷管系统体积，提高冲击片雷管系统的可靠性和稳定性。
综上可见，本发明具有体积小、起爆能量低、能量转换率高的优异效果。
附图说明
图1为冲击片雷管结构示意图；
图2为本发明复合含能薄膜桥的俯视示意图：
图3为本发明的截面结构示意图；
图4为实施例制备工艺流程示意图；
附图标记：1-药柱，2-加速腔，3-冲击片，4-爆炸箔，5-基板，6-基片，7-金属膜桥区，8-多层含能薄膜区，9-电极焊盘，10-PTFE薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例选用：Cu为金属膜桥、Al/Ni薄膜为含能薄膜层、Cu为电极。
(1)选取半径3英寸的高纯度氧化铝基片，先后采用丙酮、酒精、去离子水、超生波依次清洗干净，然后利用磁控溅射技术在基片表面沉积2μm厚的Cu薄膜。
(2)利用双面对准接触式光刻机和光刻胶PR1-4000A对Cu薄膜进行光刻，将光刻后的样品置于1mol/L的Fecl3溶液中进行腐蚀，得到图形化的Cu薄膜桥区。
(3)在图形化后的Cu桥上旋涂AZ-5200光刻胶，通过初次曝光和反转曝光两次曝光以及显影在Cu桥上生成倒梯形的凹槽。
(4)利用磁控溅射的方法在生成凹槽的Cu桥上沉积一层200nm厚的PTFE薄膜，再交替沉积16层Al/Ni多层膜(Al，60nm；Ni,40nm)。
(5)再利用掩模图形化的方法，在全部的含能薄膜层和PTFE薄膜两端沉积2μm厚Cu电极焊盘。
(6)最后用划片机将基片切割得到高能量转换率复合含能薄膜桥。
其层次结构为基片-Cu桥-PTFE薄膜层-Al/Ni薄膜层。

Claims (5)

1.一种高能量转换率复合含能薄膜桥，从下至上依次包括基片、金属膜桥和含能薄膜层，其特征在于：还包括聚四氟乙烯PTFE薄膜层和二个电极焊盘；
金属膜桥设置在基片之上，其上方直接接触的为一聚四氟乙烯薄膜层；
所述聚四氟乙烯薄膜层最少一层，位于金属膜桥上方；
所述含能薄膜层最少一层，与金属膜桥不直接接触；
不同聚四氟乙烯薄膜层之间不直接接触，结构上通过含能薄膜层隔开；
二个电极焊盘分别与聚四氟乙烯薄膜层和含能薄膜层两端实现电接触，置于金属桥膜之上。
2.如权利要求1所述高能量转换率复合含能薄膜桥，其特征在于：所述含能薄膜层材料选用Al/CuO、Al/Ni、B/Ti或Al/NiO。
3.如权利要求1所述高能量转换率复合含能薄膜桥，其特征在于：所述基片采用陶瓷基片、硅基片或者玻璃基片。
4.如权利要求1所述高能量转换率复合含能薄膜桥，其特征在于：所述金属膜桥的材料选Cu、Au或Pt。
5.如权利要求1所述高能量转换率复合含能薄膜桥，其特征在于：所述电极焊盘的材料选Cu、Au或Ag。
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