CN115143849A

CN115143849A - 一种集成含能薄膜的等离子体换能元

Info

Publication number: CN115143849A
Application number: CN202210804261.3A
Authority: CN
Inventors: 张文超; 雷孝廷; 程鹤; 俞春培; 石伟; 宋长坤; 徐建勇
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2022-07-09
Filing date: 2022-07-09
Publication date: 2022-10-04

Abstract

本发明公开了一种集成含能薄膜的等离子体换能元。该装置为高压驱动单元、等离子体生成单元以及含能薄膜三部分构成。其中，高压驱动单元能够将输入的直流低电压转换成高压直流、交流以及脉冲等形式输出；等离子体生成单元由功率电极，地电极，以及绝缘介质层三部分组成。通过高压驱动单元将低压直流转换成高压施加在功率电极上，将电极之间的空气击穿产生低温等离子体，引爆附涂于针尖处或者绝缘介质表面的含能薄膜，进而实现对钝感炸药的点火。该装置具有制备工艺简单、与MEMS兼容性良好、发火可靠性强的优点。

Description

一种集成含能薄膜的等离子体换能元

技术领域

本发明属于火工品换能元领域，更具体地，涉及一种集成含能薄膜的等离子体换能元。

背景技术

火工品是将换能元、含能材料和机械作动装置集成为含能器件或装置，将外界刺激信息和能量转化为刺激含能材料发生化学反应的能量，利用含能材料的热效应、爆轰效应和气体膨胀做功效应将化学能转化为高温燃气流、爆轰波、机械能等能量输出的技术。换能元作为初始发火源，换能元是连接命令下达与目标实现的桥梁，其能否可靠作用直接关系到火工品及后续系统能否正常引燃或引爆,对武器系统的作用成败起到关键性的作用。

气体放电等离子体(GDP)为新型换能元设计提供了新的思路。不同常规半导体桥和爆炸箔等换能元通过热致激发固体基质产生等离子体点火，GDP换能元其主要通过在电极上施加强电场，使空气等气体直接电离产生等离子体，进而引爆含能药剂。因此，利用GDP点火具有显著优势：1结构简单，无须特制多晶硅桥，抑或飞片层、加速膛等架构，成本低；2点火能量可以根据输入电压等参数进行调控，以满足特定应用的需要；3由于直接击穿空气，无需特殊固态基质，因而能够实现多次点火。

随着武器系统向小型化，智能化的发展，换能元也逐渐朝着灵巧化、小型化方面不断深入，其中，降低放电电压是实现换能元小型化应用的关键途径之一。由于气体放电与击穿场强密切相关，因此可以通过引入大曲率放电电极，使其电荷面密度增大，电场相对增强，从而达到在较低电压下放电的目的。进一步地，通过倍压震荡电路，还可以使输入电压达到伏特量级，使其低于半导体桥的输入电压。

由于GDP具有显著的非平衡特性，即电子温度远远高于重粒子温度，因此，GDP点火主要依靠其中的高能电子实现。尽管电子温度可达1～10eV(1eV相当于11600K)，但由于低电压条件下的电子密度也较低，使得如何实现对钝感炸药的可靠引爆成为低电压条件下放电等离子体点火的面临的新问题。通过在针尖处或者绝缘介质层处引入含能材料进一步放大等离子体能量，可以满足基于GDP的换能元对钝感炸药的发火需求。

在现有的等离子体点火技术中，如专利CN214891340U所述的等离子体点火装置产生的等离子体温度高达4000℃，但其主要应用领域是火电厂机组点火，但其作用目标是煤炭，与本专利所述含能材料有显著不同；专利CN112443401A所述的等离子体点火装置同样使用的是嵌套结构，但其产生电弧方式主要是利用中部引弧电极的中继作用产生等离子体射流，而本发明利用的是尖端放电产生等离子体，并且其应用领域是在发动机点火，作用对象是燃油，与本发明有显著不同；专利CN111794865A所述的等离子体点火装置虽然与本发明同是利用气体放电原理，但是其采用的使多电极直列式设计，与本发明采用的同轴结构具有明显差异，并且该装置的放电电压高达30kV，装置尺寸较大，应用场景也与本发明有显著差异。

发明内容

为了解决上述传统火工品安全可靠性能低，与MEMS工艺不兼容等缺点，本发明提出了一种集成含能薄膜的等离子体换能元，该装置具有制备工艺简单、与MEMS兼容性良好、发火可靠性强的优点。

一种集成含能薄膜的等离子体换能元，点火步骤是：

(1)对电极或绝缘介质层进行含能化处理，通过电化学方法直接在针尖处制备叠氮化物或者通过附涂的方式在绝缘介质层内表面涂抹纳米铝热剂；

(2)在放电区域装载钝感炸药；

(3)将含能等离子体生成单元引脚与高压驱动单元引脚相连；

(4)向高压驱动单元输入启动电信号，高压驱动单元产生高压信号加载在针状电极上，在电极之间产生等离子体，引爆附涂于功率电极上或者绝缘介质层处的含能材料，进一步提高等离子体点火强度；

(5)等离子体与钝感炸药相互作用，实现点火；

(6)如需更换炸药类型，重复步骤(1)-(5)。

针对本发明所述的一种集成含能薄膜的等离子体换能元，其核心点火机制是：

通过高压驱动单元对输入能量进行转换，将低压直流输入转换为高压脉冲输出，由于功率电极在尖端处场强极高，使得空气被击穿，从而产生电晕或者电弧等离子体。等离子体引燃涂附于功率电极或绝缘介质层表面的含能材料，含能材料燃烧释放，并将热量传递给炸药使其达到点火温度，实现钝感炸药的引爆。

进一步地，高压驱动单元的驱动电压，电压波形为直流形式，电压幅值在5V-15V；

进一步地，高压驱动单元的输出电压，电压波形为脉冲形式；

进一步地，脉冲高压幅值在0.5kV-1.5kV。

综上，本发明的高压驱动单元具有如下特点：

(1)升压时间快，该等高压驱动单元将电压上升至击穿电压仅需5-10μs。

(2)输入电压小，该高压驱动单元输入电压≥15V，最高输出电压峰值≥1.5kV，满足对换能元对低发火能量的要求。

(3)体积小：该高压驱动单元的尺寸整体高度≥3cm,长度≥2cm,宽度≥2cm，装置具备小型化的特征。

进一步地，本装置所产生的等离子体为非平衡大气压等离子体，其峰值电子温度在1eV-10eV；电子和离子密度在10¹¹/cm³-10¹³/cm³。

进一步地，本装置的含能薄膜包括采用电化学方法制备的叠氮化物薄膜及以nAl/CuO为代表的亚稳态分子复合物。

总体而言，本发明提供的集成含能薄膜的等离子体换能元与现有装置相比具有以下优点：

(1)制备工艺简单：本装置不同于半导体桥以及爆炸箔等复杂结构设计，结构简单，在对功率电极和绝缘介质进行含能化处理时无需庞大设备支持，组装流程简单。

(2)与MEMS工艺兼容性好：本装置属于电驱动型点火装置，结构简单，与控制系统电路兼容性强，能有效控制发火时间。

(3)发火可靠性好：该换能元一方面通过含能涂层增加了生成等离子体温度，同时在电极之间能够产生一定密度的等离子体，通过渗透对流作用能进一步将热量传递给炸药，极大增加其发火概率。

(4)抗干扰性能好：该等离子体发生装置不同于常规电热点火装置所采用的电热点火方式，该等离子体发生装置在能量转换的过程中具有非线性特征——只有当电压达到一定阈值是才能产生放电；并且由于点火区域不存在导线连通，因此在抗电磁防护方面具有独特优势。

附图说明

图1为本发明装置的实施例一的示意图。

图2为等离子体生成单元于功率电极处含能化的特写及剖面图(其中a.为针状电极，b为柱状电极，c为半球状电极，d为纺锤状电极)；

图3为等离子体生成单元于绝缘介质层处含能化的特写及剖面图(其中a.为针状电极，b为棒状电极，c为半球状电极，d为纺锤状电极)；

图4为本发明装置的装药示意图；

图5为高压驱动单元驱动电压电流波形图；

图6为本发明装置点火效果图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-含能薄膜，2-地电极，3-功率电极，4-绝缘介质层，5-内电极导线，6-外电极导线，7-高压驱动单元输出接口，8-高压驱动单元，9-钝感炸药装药。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明,以下结合附图，对依据本发明提出的一种集成含能薄膜的等离子体换能元具体实施方式，进行详细说明。

该等离子体点火装置主要由三大部分构成，高压驱动单元、含能薄膜以及等离子体生成单元，其中等离子体生成单元的输入端与高压驱动单元的输出接口相连。高压驱动单元属于激励电源部分，通过倍压振荡电路向等离子体生成单元内部的功率电极施加脉冲高压，使得功率电极端部的电场强度达到空气的击穿场强而发生放电产生等离子体，引燃附涂于功率电极上的含能薄膜，利用含能材料燃烧释放的热量，实现引爆钝感炸药的目的。

本装置的设计核心在于高压驱动单元设计、等离子体生成单元结构设计以及含能薄膜的选择与制备。其中，高压驱动单元设计单元结构的设计核心在于如何高效地将低压的输入能量转换为高压能量；等离子体生成单元的设计核心在于电极间距离的控制；含能薄膜的选择与制备在于其能量足以引发不同的钝感炸药。

针对上述问题，本发明提供了一种集成含能薄膜的等离子体换能元，如图1为本发明的一个具体实施例。

该实施例中的高压驱动单元8采用振荡升压电路将输入的低压直流转换为高压脉冲，并加载在等离子体生成单元中，使电极间的空气被击穿，进而产生等离子体，图5为该高压驱动单元的电压电流波形图。

该实施例中等离子体生成单元，如图2所示，由地电极2、功率电极3、绝缘介质层4，三部分组成嵌套结构。其中，功率电极端部为锥形，外电极与绝缘介质层均为筒状结构。功率电极底面直径与绝缘介质层内径相同，长度与绝缘介质层相等，电极材料为导电良好的材料，包括但不限于铜、铝、镍、铁、钼、钨、银、金等金属材料，并在底部连接有引脚5与高压驱动单元输出接口7相连；地电极的内径与绝缘介质层的外径相同，电极材料为导电良好的材料，包括但不限于铜、铝、镍、铁、钼、钨、银、金等金属材料，在外电极外侧连接有一根导线作为引脚6，与高压驱动单元的输出接口7相连；绝缘介质的外径与地电极内径相同，内径与功率电极底面直径相同，其材质包括但不限于SiO₂等无机非金属材料、Al₂O₃等金属氧化物材料以及PCB基材等有机非金属材料。

当高压驱动单元将高压施加于等离子体生成单元的电极时，由于功率电极为特殊结构设计，尖端处的电场强度剧增，先产生电晕放电，随着电压继续升高，击穿内外电极之间的空气产生等离子体，此时电子温度迅速提高至1eV以上，引发附涂于放电区的含能薄膜9燃烧，通过燃烧释放的高温点燃钝感炸药，图4为该实施例的装药示意图，图6为本发明装置的点火效果图。

该实施例中的含能薄膜，是由纳米铝粉与金属氧化物通过物混法配制成的纳米铝热剂，由于纳米铝粉的粒径达到钠米级，使其反应性质十分活泼，在受到等离子体激发后发生铝热反应，产生大量热量，足以引发钝感炸药。通过在纳米铝热剂中添加一定量的羟丙基甲基纤维素作为粘结剂，使其能够附着在针尖部位或绝缘介质表面。在对等离子体生成单元进行装药时，应在电极与绝缘介质管壁处留有足够多的间隙，保证等离子体的产生。

优选的，该高压驱动单元的输入电压为10V,输入电流为1A，输出电压为1kV。

优选的，该等离子体发生装置的针状电极材料为铜，功率电极最大处直径为1mm-3mm，长度为10mm-20mm。

优选的，绝缘介质管材料为氧化铝，内径为1-3mm，外径为5-6mm，长度为10-20mm。

优选的，外电极内径为5-6mm，外径为6.2-7mm,长度为1mm-5mm。

优选的，该纳米铝热剂为nAl/CuO,摩尔比为化学反应计量比,添加羟丙基甲基纤维素的质量分数为5％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，包括：高压驱动单元，等离子体生成单元，含能薄膜；所述等离子体生成单元，由功率电极，地电极，绝缘介质层三部分组成，地电极与绝缘介质为筒状结构，三者采用嵌套形式结合在一起，三者的中轴处于同一直线，外电极套于绝缘介质一端，功率电极置于绝缘介质内部；其中等离子体生成单元的输入端与高压驱动单元的输出端相连，含能薄膜附涂于等离子体生成单元。

2.根据权利要求1所述的集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，所述高压驱动单元采用场效应管H桥变频谐振技术对输入信号进行变压。

3.根据权利要求2所述集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，高压驱动单元能够将输入端的电压升至0.5kV-1.5kV后输出，其供电电压范围为5V-15V，电流≥2A的直流电，输出电压波形为直流、交流或脉冲形式，电流强度为5-15mA，功率≥20W。

4.根据权利要求1所述集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，所述功率电极端部形状为针锥状，柱状，半球状，纺锤状。

5.根据权利要求1所述集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，所述含能材料附涂于功率电极表面或者绝缘介质层内部及端口。

6.根据权利要求5所述集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，该含能材料是直接通过电化学方法制备的包括叠氮化铜在内的叠氮化物含能薄膜，或是包括纳米铝热剂在内的亚稳态分子复合物含能薄膜。

7.根据权利要求1所述集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，所述的地电极的内径与绝缘介质外径相同，绝缘介质内径与功率电极底面直径相同，地电极长度不大于绝缘介质长度的二分之一，功率电极长度不大于绝缘介质长度。

8.根据权利要求1所述集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，所述电极材料包括但不限于铜、铝、镍、铁、钼、钨、银、金导电性良好的金属材料，所述绝缘介质材料包括但不限于SiO₂无机非金属材料、Al₂O₃金属氧化物材料以及PCB基材有机非金属材料。

9.根据权利要求1所述集成含能薄膜的等离子体换能元，其特征在于，生成的等离子体为非平衡等离子体，其电子温度在1eV-10eV；电子和离子密度可调范围在10¹¹/cm³-10¹³/cm³；产生等离子体的时间≥40μs。