CN111302301A - 一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，涉及纳米多层膜材料自蔓延反应技术领域，包括三相交流电、电源、初级电缆、变压器、次级电缆、压力装置、上电极杆、上金属箔片、纳米多层膜、下金属箔片、下电极杆和支撑底座；所述三相交流电输出的交流电在所述电源的作用下形成初级电流，所述初级电流通过所述变压器的放大作用形成次级电流。压力由所述压力装置产生，通过电极杆和金属箔片作用在所述纳米多层膜上。在电阻热诱发过程中，所述压力装置带动所述上电极杆向下移动。所述下电极杆被所述支撑底座固定。本发明的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，有助于抑制纳米多层膜反应过程中的热膨胀，减少缺陷的形成。

Description

一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置

技术领域

本发明涉及纳米多层膜材料自蔓延反应技术领域，尤其涉及一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置。

背景技术

纳米多层膜是由两种或两种以上纳米级的金属膜交替沉积而成的薄膜材料，具有能量密度高、熔点低等特点，适用于微纳米单元的连接和其他微机电系统制造工艺的集成。纳米多层膜在特定的诱发条件下，发生自蔓延反应瞬间获得局部高温反应区，借助释放的热量熔化钎料或被连接件，是微纳米材料连接的良好热源之一。

近年来，纳米多层膜自蔓延反应放热作为独立热源辅助连接在微纳米单元、航空航天等领域中有很大的应用潜力。纳米多层膜在激光、电火花等诱发条件下引燃，发生自蔓延反应获得局部高温区域实现连接。虽然诱发方式不同，但纳米多层膜发生自蔓延反应的本质在于达到临界诱发温度。纳米多层膜是由两种或两种以上的金属组成，由于不同金属内部的热能不同，纳米多层膜本身就处于热学不平衡的状态。在诱发过程中，纳米多层膜自身厚度薄，在此方向上剧烈的温度变化会加剧这种不平衡状态，使得纳米多层膜的层状结构发生改变，最终导致在反应产物中出现气孔等缺陷。这种缺陷的形成会严重影响纳米多层膜的使用寿命，成为限制其在高性能电子器件领域应用的重要问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，装置中电极压力的作用会有助于抑制纳米多层膜反应过程中的热膨胀，减少纳米多层膜反应产物中缺陷的形成。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过合理的设计，抑制纳米多层膜反应过程中的热膨胀，减少纳米多层膜反应产物中缺陷的形成。

为实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，包括三相交流电、电源、初级电缆、变压器、次级电缆、压力装置、上电极杆、上金属箔片、纳米多层膜、下金属箔片、下电极杆和支撑底座；所述三相交流电输出的交流电在所述电源的作用下形成初级电流，所述初级电流通过所述变压器的放大作用形成的次级电流，作为电阻热累积的电流条件施加到回路中；电阻热诱发过程中需要的压力由所述压力装置产生，通过所述上电极杆、所述下电极杆、所述上金属箔片和所述下金属箔片作用在所述纳米多层膜上；在电阻热诱发过程中，所述压力装置带动所述上电极杆向下移动。所述下电极杆被所述支撑底座固定，整个过程中保持位置不变；电极压力通过所述上金属箔片将作用力传递到所述上金属箔片、所述下金属箔片与所述纳米多层膜的接合界面处；电阻热诱发过程中所需的热量通过所述上金属箔片、所述下金属箔片与所述纳米多层膜接触界面的电阻产生，所述电阻生热累积达到所述纳米多层膜的临界诱发温度即可发生自蔓延反应。

进一步地，所述上金属箔片和所述下金属箔片的厚度可配置为0.01mm至10mm之间。

进一步地，所述上电极杆和所述下电极杆的端面直径可配置为1mm至20mm之间。

进一步地，所述上金属箔片和下金属箔片的材质可配置为包括铝、铜、镍及其合金材料。

进一步地，所述纳米多层膜的材质可配置为包括Al/Ni、Cu/W金属多层膜，Ti/B非金属多层膜。

进一步地，所述上电极杆与所述下电极杆的材料可配置为包括钨、铜、钼。

进一步地，所述上电极杆与所述下电极杆的端面形状可配置为包括圆形、平面结构。

进一步地，所述压力装置可配置为包括气动压力装置、伺服压力装置。

进一步地，所述电源可配置为包括交流电源和直流电源。

本发明的第二方面，提供了一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的方法，包括：

步骤1、对上金属箔片和下金属箔片进行预处理，保证表面清洁无油污；

步骤2、按照所述上金属箔片、纳米多层膜、所述下金属箔片的顺序放置在上电极杆、下电极杆之间；

步骤3、调整所述纳米多层膜的位置，确保其与所述上电极杆、所述下电极杆同轴；

步骤4、设置电极压力；

步骤5、设置工艺参数包括通电电压、通电电流、通电时间；

步骤6、开启装置电源，观察所述纳米多层膜的自蔓延反应过程。

本发明提供的一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，装置中电极压力的作用会有助于抑制纳米多层膜反应过程中的热膨胀，减少纳米多层膜反应产物中缺陷的形成。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的下电极杆固定装置示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的下电极杆固定装置剖面图；

图4是本发明的一个较佳实施例的紫铜箔片与Al/Ni纳米多层膜的结构布置图；

图5是本发明的一个较佳实施例的Al/Ni纳米多层膜结构示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的纳米多层膜诱发过程的流程示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的Al/Ni纳米多层膜的自蔓延反应开始示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的Al/Ni纳米多层膜的自蔓延反应结束示意图；

图9是本发明的一个较佳实施例的Al/Ni纳米多层膜的反应产物；

其中，1-三相交流电，2-电源，3-初级电缆，4-变压器，5-次级电缆，6-压力装置，7-上电极杆，8-上金属箔片，9-纳米多层膜，10-下金属箔片，11-下电极杆，12-支撑底座，13-紫铜箔片，14-Al/Ni纳米多层膜，15-金属铝，16-金属镍。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明的一个较佳实施例的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，包括三相交流电1、电源2、初级电缆3、变压器4、次级电缆5、压力装置6、上电极杆7、上金属箔片8、纳米多层膜9、下金属箔片10、下电极杆11、支撑底座12；三相交流电1输出的高频交流电在电源2的作用下形成初级电流，流经初级电缆3在变压器4的放大作用形成的次级电流，通过次级电缆5作用在上电极杆7、下电极杆11上形成闭合回路；压力装置6产生反应过程所需的压力，再通过上电极杆7、上金属箔片8作用在纳米多层膜9上。反应过程中，压力装置6带动上电极杆7向下移动与纳米多层膜9接触产生自蔓延反应过程所需的压力，下电极杆11被支撑底座12固定(如图2与图3所示)，整个过程中保持位置不变。电阻热诱发过程中所需的热量通过上金属箔片8、纳米多层膜9、下金属箔片10之间的两个接触界面电阻产生，热量累积达到纳米多层膜9的临界诱发温度，诱发纳米多层膜9发生自蔓延反应。

如图4所示，本发明的一个较佳实施例的紫铜箔片与Al/Ni纳米多层膜的结构布置图，采用的纳米多层膜为Al/Ni纳米多层膜14，金属箔片为紫铜箔片13。

如图5所示，本发明的一个较佳实施例的Al/Ni纳米多层膜结构示意图，本实施例中，所采用的Al/Ni纳米多层膜14的双分子层厚度为40nm，组成成分为金属铝15和金属镍16，周期数为100层，总厚度为40μm。上电极杆7和下电极杆11采用直径为5mm的钨铜电极，端面形状为圆形。压力装置6采用气动压力装置，电源2采用380V交流电源。

如图6所示，本发明的一个较佳实施例的纳米多层膜诱发过程的流程示意图：

步骤1、对上金属箔片8和下金属箔片10表面进行预处理，保证表面清洁无油污；

步骤2、按照上金属箔片8、待诱发的纳米多层膜9、下金属箔片10的顺序放置在上电极杆7和下电极杆11之间；

步骤3、检查纳米多层膜9的位置是否与上电极杆7、下电极杆11同轴；如不是，调整纳米多层膜9至与上电极杆7、下电极杆11同轴状态；

步骤4、调节压力装置6的压力值，设置电极压力为50N；

步骤5、通过控制器设置通电电流为3kA，通电时间为15ms；

步骤6、通过高速摄像观察纳米多层膜9的自蔓延反应放热过程，结果如图7和8所示，其中采用的是Al/Ni纳米多层膜14。

步骤7、通过金相观察纳米多层膜9的反应产物，结果如图9所示,其中采用的是Al/Ni纳米多层膜14。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，包括三相交流电、电源、初级电缆、变压器、次级电缆、压力装置、上电极杆、上金属箔片、纳米多层膜、下金属箔片、下电极杆和支撑底座；所述三相交流电输出的交流电在所述电源的作用下形成初级电流，所述初级电流通过所述变压器的放大作用形成的次级电流，作为电阻热累积的电流条件施加到回路中；电阻热诱发过程中需要的压力由所述压力装置产生，通过所述上电极杆、所述下电极杆、所述上金属箔片和所述下金属箔片作用在所述纳米多层膜上；在电阻热诱发过程中，所述压力装置带动所述上电极杆向下移动；所述下电极杆被所述支撑底座固定，整个过程中保持位置不变；电极压力通过所述上金属箔片将作用力传递到所述上金属箔片、所述下金属箔片与所述纳米多层膜的接合界面处；电阻热诱发过程中所需的热量通过所述上金属箔片、所述下金属箔片与所述纳米多层膜接触界面的电阻产生，所述电阻生热累积达到所述纳米多层膜的临界诱发温度即可发生自蔓延反应。

2.如权利要求1所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，所述上金属箔片和所述下金属箔片的厚度可配置为0.01mm至10mm之间。

3.如权利要求2所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，所述上电极杆和所述下电极杆的端面直径可配置为1mm至20mm之间。

4.如权利要求3所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，所述上金属箔片和下金属箔片的材质可配置为包括铝、铜、镍及其合金材料。

5.如权利要求4所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，所述纳米多层膜的材质可配置为包括Al/Ni、Cu/W金属多层膜，Ti/B非金属多层膜。

6.如权利要求5所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，所述上电极杆与所述下电极杆的材料可配置为包括钨、铜、钼。

7.如权利要求6所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，所述上电极杆与所述下电极杆的端面形状可配置为包括圆形、平面结构。

8.如权利要求7所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，所述压力装置可配置为包括气动压力装置、伺服压力装置。

9.如权利要求8所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置，其特征在于，所述电源可配置为包括交流电源和直流电源。

10.一种利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的方法，采用如权利要求1-9任一项所述的利用电阻热诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置进行自蔓延反应，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、对上金属箔片和下金属箔片进行预处理，保证表面清洁无油污；

步骤2、按照所述上金属箔片、纳米多层膜、所述下金属箔片的顺序放置在上电极杆、下电极杆之间；

步骤3、调整所述纳米多层膜的位置，确保其与所述上电极杆、所述下电极杆同轴；

步骤4、设置电极压力；

步骤5、设置工艺参数包括通电电压、通电电流、通电时间；

步骤6、开启装置电源，观察所述纳米多层膜的自蔓延反应过程。

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