Al/Ni反應(yīng)多層膜的電爆炸及驅(qū)動(dòng)性能研究

王 濤，曾慶軒，李明愉，張子超

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Al/Ni反應(yīng)多層膜的電爆炸及驅(qū)動(dòng)性能研究

王 濤，曾慶軒，李明愉，張子超

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081）

為了研究Al/Ni反應(yīng)多層膜在爆炸箔起爆系統(tǒng)上應(yīng)用的可行性，采用磁控濺射法制備了相同厚度的Cu和Al/Ni多層膜橋箔，利用SU-8光刻膠制備一定厚度的加速膛，研究了兩類橋箔在相同放電回路中的沉積能量和驅(qū)動(dòng)飛片的平均速度。結(jié)果表明：在儲(chǔ)能電容電壓為1 306V的放電回路中，Al/Ni多層膜的沉積能量為0.120 5 ~ 0.127 4J，相比Cu箔提高了近1倍。在電壓為1 900V時(shí)，多層膜沉積能量比Cu箔提升了18% ~ 58%；多層膜驅(qū)動(dòng)的飛片平均速度高于Cu箔驅(qū)動(dòng)飛片約10%。因此，Al/Ni反應(yīng)多層膜能降低爆炸箔起爆系統(tǒng)的起爆閾值，提高其沖擊起爆的可靠性。

含能材料；Al/Ni反應(yīng)多層膜；爆炸箔起爆系統(tǒng)；沉積能量

自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，Al/Ni反應(yīng)多層膜（Reactive Multilayer Foil, RMF）的研究得到了廣泛關(guān)注[1-3]。在外界較低能量激發(fā)下，RMF能誘發(fā)自蔓延高溫合成反應(yīng)，瞬間釋放大量熱量，并且產(chǎn)物為金屬間化合物，具有良好的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能，因此可作為焊接的熱源材料，用于室溫焊接和芯片封裝等領(lǐng)域[4-5]。利用RMF反應(yīng)的瞬時(shí)高溫特性，Zhu P等[6]將Al/Ni 多層反應(yīng)膜整合到傳統(tǒng)半導(dǎo)體橋點(diǎn)火裝置上，用于提高對(duì)火炸藥點(diǎn)火的可靠性。此外，RMF在爆炸箔起爆系統(tǒng)(Exploding Foil Initiator system，EFIs)上的應(yīng)用也逐漸引起了關(guān)注，Morris C J等[7-8]對(duì)比了相同厚度的Al/Ni RMF和Cu爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片的能力，指出多層膜驅(qū)動(dòng)飛片的動(dòng)能高于Cu箔驅(qū)動(dòng)飛片1.1 ~ 2.3 kJ/g，這個(gè)能量值恰好與復(fù)合膜的放熱量相當(dāng)，更高的飛片動(dòng)能有利于優(yōu)化現(xiàn)有的EFI系統(tǒng)。

不同的激發(fā)能量下，Al/Ni RMF在點(diǎn)火和起爆裝置上均能得到應(yīng)用，為點(diǎn)火和起爆系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)提供了新的方式。但是材料制備方法、微觀結(jié)構(gòu)和激發(fā)條件等都與RMF性能存在密切關(guān)系，尤其是在不同能量激勵(lì)下，往往會(huì)導(dǎo)致不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而這方面的問(wèn)題仍缺乏深入的研究。本文旨在探究RMF在降低現(xiàn)有EFI的起爆閾值，以及提高飛片驅(qū)動(dòng)能力上的作用。筆者通過(guò)磁控濺射和物理掩膜法制備了相同尺寸的Al/Ni多層膜和Cu膜爆炸箔，采用聚酰亞胺薄膜作為飛片，SU-8光刻膠制備加速膛。通過(guò)對(duì)比這兩種起爆系統(tǒng)在相同放電回路中的橋箔沉積能量和飛片平均速度，研究Al/Ni RMF能否優(yōu)化現(xiàn)有Cu爆炸箔起爆系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 橋箔制備

利用磁控濺射(Discovery 635，丹頓真空，美國(guó))技術(shù)，采用物理掩膜版(加工公差≤ 0.01 mm，寧波東盛集成電路元件有限公司，中國(guó))制備厚度3.79μm，尺寸為0.35mm×0.35mm、0.40mm×0.40mm、0.45mm×0.45mm和0.50mm×0.50 mm的方形Cu膜和Al/Ni多層膜橋箔。其中多層膜的調(diào)制周期為450 nm，原子比為1:1。所使用的靶材純度均大于99.5%。

將25μm厚度的聚酰亞胺薄膜粘貼到橋箔表面，并完全覆蓋住橋箔區(qū)域。采用SU-8光刻膠，經(jīng)勻膠-前烘-掩膜曝光-顯影工藝后，制備出加速膛結(jié)構(gòu)。對(duì)于上述不同尺寸的橋箔，加速膛直徑分別選擇為0.44 mm、0.50mm、0.56mm和0.60 mm.

1.2 EFI測(cè)試技術(shù)

實(shí)驗(yàn)采用0.22 μF電容器為爆炸箔供電，通過(guò)金屬箔平面開(kāi)關(guān)[9]將電容器與橋箔連接。根據(jù)國(guó)外公開(kāi)的資料，英國(guó)e2V公司利用貼片電容和真空開(kāi)關(guān)生產(chǎn)的直列式爆炸箔起爆系統(tǒng)，其發(fā)火能量為0.45J[10]，目前，起爆電壓在1 200~1 400V的低能爆炸箔系統(tǒng)正引起廣泛關(guān)注。因此，本文的低壓和高壓起爆實(shí)驗(yàn)中，電容器充電電壓分別選擇為1 306V和1 900 V，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)發(fā)火能量為0.19J和0.40J。圖1為實(shí)驗(yàn)中測(cè)試橋箔爆發(fā)過(guò)程電流和電壓曲線的原理圖。為了獲得測(cè)試回路的電感及電阻數(shù)據(jù)，將回路中的待測(cè)橋箔用等長(zhǎng)度的錳銅絲替代，羅氏線圈依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律得到了電路的實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)()，通過(guò)數(shù)字示波器(DPO3034, Tektronix, 美國(guó))記錄回路的短路電流。采用文獻(xiàn)[9]中介紹的方法，通過(guò)短路電流的周期和峰值電流大小，計(jì)算出低壓和高壓放電回路的總電感分別為83.99nH和78.04nH，總電阻分別為210.15mΩ和171.19 mΩ。

觸發(fā)平面開(kāi)關(guān)后，電容器開(kāi)始放電，橋箔兩端電壓()通過(guò)并聯(lián)的高壓探頭測(cè)出，羅氏線圈記錄回路電流()。橋箔沉積能量E和能量利用率通過(guò)以下公式獲得：

式（1）~（2）中：1為電容器放電周期；為電容；0為電容器初始充電電壓。

圖1 電流電壓曲線測(cè)試原理圖

采用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)出EFI加速膛長(zhǎng)度，定義橋箔兩端電壓達(dá)到最大值時(shí)為飛片開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，將聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)壓電薄膜固定在加速膛的末端，記錄飛片撞擊PVDF膜的時(shí)間，由此獲得飛片在加速膛內(nèi)的平均速度。

2 結(jié)果與討論

2.1 橋箔沉積能量

橋箔沉積能量體現(xiàn)了EFI對(duì)輸入電能的利用率，因此，沉積能量的提高能明顯降低橋箔的起爆閾值，即電爆工作電壓。

Cu和Al/Ni RMF橋箔在低、高壓輸入下，典型的爆發(fā)電流、電壓曲線如圖2~3所示。

(a) 0.35mm×0.35mm Cu箔 (b) 0.35mm×0.35mm Al/Ni箔

圖2 1 306V工作電壓下橋箔電流電壓曲線

Fig.2 Current and voltage waveforms of the bridge films under operating voltage of 1 306V

(a) 0.40mm×0.40mm Cu箔 (b) 0.40mm×0.40mm Al/Ni箔

圖3 1 900V工作電壓下橋箔電流電壓曲線

Fig.3 Current and voltage waveforms of the bridge films under operating voltage of 1 900 V

兩種工作電壓下，不同材料橋箔的電流曲線形狀幾乎一致，只是在峰值大小上存在差異。1 306V電壓下，0.35mm×0.35 mm的Cu橋箔峰值電流約為1 600 A，而RMF橋箔僅為1 250A左右，這主要是由于Al/Ni材料較高的電阻率導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)中，同一工作電壓下，每一尺寸橋箔測(cè)試的樣品數(shù)為3發(fā)至4發(fā)，表1~2分別給出了兩種橋箔在低、高壓下，爆發(fā)功率、沉積能量及能量利用率的平均數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在低壓回路里，Al/Ni EFI的爆發(fā)功率在0.831 1~1.058 MW之間，沉積能量為0.120 5 ~ 0.127 4J，均為相同尺寸下Cu橋箔的兩倍左右。這主要由于RMF橋箔的爆發(fā)時(shí)間早于Cu箔，且爆發(fā)電壓的時(shí)間和峰值電流的時(shí)間更接近，電路匹配良好。并且通電后，Al層由于沸點(diǎn)較低，首先氣化，橋箔電阻迅速增大，但Ni層由于沸點(diǎn)較高，尚未氣化，束縛了氣態(tài)Al的膨脹，因此進(jìn)一步增加了橋箔的沉積能量。實(shí)驗(yàn)中RMF的能量利用率在64.22% ~ 67.89%之間，明顯高于Cu EFI的35.73% ~ 41.95%。同時(shí)，在1 306 V電壓下0.45mm×0.45mm和0.50mm×0.50mm的Cu箔并沒(méi)檢測(cè)到明顯的電壓峰值，即此時(shí)橋箔并未完全爆發(fā)，而相同尺寸下的RMF橋箔均完全爆炸，且沉積能量高達(dá)64%。高壓回路中，兩類橋箔爆發(fā)電壓時(shí)間和峰值電流時(shí)間均比較接近，橋箔與放電周期匹配更好。在這一工作電壓下，兩種橋箔均發(fā)生了明顯的爆發(fā)現(xiàn)象，并且能量利用率也顯著提高。其中0.50mm×0.50mm RMF橋箔的能量利用率僅為58.25%，遠(yuǎn)低于小尺寸橋箔，推測(cè)是由于橋箔尺寸過(guò)大，通電后橋區(qū)未完全氣化造成。不同尺寸下，RMF橋箔均具有更高的沉積能量，并且0.40mm×0.40 mm尺寸下，RMF橋箔的能量利用率達(dá)到了Cu箔的1.58倍，提升明顯。

橋箔爆發(fā)電壓的時(shí)間反映了爆炸箔氣化時(shí)電阻突然增大的過(guò)程[10]，因此爆發(fā)電壓時(shí)間對(duì)應(yīng)了橋箔的氣化過(guò)程。造成多層膜橋箔先爆發(fā)的原因可能有：（1）Al/Ni材料電阻率較高，通電情況下，電熱效應(yīng)明顯，橋箔溫度上升快；（2）在電流輸入后，復(fù)合膜內(nèi)的自蔓延反應(yīng)被觸發(fā)并釋放大量的熱量，加速了橋箔的氣化和爆發(fā)。

綜合以上分析， Al/Ni多層膜能顯著降低爆炸箔起爆系統(tǒng)的工作電壓，提高橋箔的能量利用率，對(duì)于起爆系統(tǒng)尤其是脈沖功率單元的小型化具有重要意義。同時(shí)，橋箔沉積能量的提高，有利于增強(qiáng)EFI起爆下一級(jí)裝藥的能力，提高系統(tǒng)的可靠性。

表1 1 306 V工作電壓下橋箔爆發(fā)功率及沉積能量

Tab.1 Burst power and energy deposition of the bridge films under operating voltage of 1 306 V

表2 1 900 V工作電壓下橋箔爆發(fā)功率及沉積能量

Tab.2 Burst power and energy deposition of the bridge films under operating voltage of 1 900 V

2.2 飛片平均速度

圖4為爆發(fā)前后，EFI系統(tǒng)加速膛的顯微圖片。由圖4可見(jiàn)加速膛比較陡直，且爆發(fā)后結(jié)構(gòu)完整，沒(méi)有明顯裂紋，說(shuō)明加速膛強(qiáng)度能滿足實(shí)驗(yàn)需求，足以剪切聚酰亞胺飛片。將PVDF壓電薄膜緊貼在加速膛的末端，通電爆發(fā)后，采集到的信號(hào)如圖5所示。

圖4 爆發(fā)前后加速膛的顯微圖片

為了信號(hào)采集的方便，定義橋箔爆發(fā)后，PVDF記錄到的第1個(gè)壓電信號(hào)峰值時(shí)間為飛片到達(dá)加速膛末端的時(shí)間，而實(shí)際上，此時(shí)飛片已經(jīng)作用于壓電薄膜上一段時(shí)間，因此測(cè)試出來(lái)的平均速度略低于實(shí)際情況。忽略橋箔爆發(fā)前膨脹引起的飛片位置和速度的變化，將橋箔峰值電壓對(duì)應(yīng)的時(shí)間記錄為飛片開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)間。用加速膛的長(zhǎng)度除以示波器采集到的飛片運(yùn)動(dòng)時(shí)間，就獲得了飛片在加速膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的平均速度。

圖5 平均速度測(cè)試信號(hào)

實(shí)驗(yàn)獲得的飛片平均速度數(shù)據(jù)列于表3中。由于同一橋箔尺寸下，不同材料EFI的加速膛長(zhǎng)度幾乎一致，因此通過(guò)平均速度的對(duì)比，可以得到兩類EFI對(duì)飛片的做功能力強(qiáng)弱。在低電壓下，大尺寸的Cu 橋箔爆發(fā)實(shí)驗(yàn)中，并沒(méi)檢測(cè)到飛片的產(chǎn)生，而RMF EFI仍然獲得了1 500 m/s左右的飛片平均速度。在檢測(cè)到飛片產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)中，相同尺寸和工作電壓條件下，RMF EFI的飛片平均速度均明顯高于Cu EFI。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能來(lái)自：（1）Al/Ni橋箔的沉積能量有顯著提高，增強(qiáng)了其對(duì)飛片的驅(qū)動(dòng)能力；（2）電流輸入Al/Ni RMF后，膜內(nèi)的自蔓延反應(yīng)被激發(fā)，并釋放大量熱量，從而提高了飛片的動(dòng)能；（3）Al/Ni RMF的密度約為5 800kg/cm3[11]，低于Cu(8 920 kg/cm3)的密度，因此飛片與橋箔的單位面積質(zhì)量比m/m增大，根據(jù)飛片速度與電格尼能的關(guān)系式，同等電格尼能下，m/m越大，飛片獲得的速度越高。由于飛片速度的影響因素較多，因此關(guān)于哪種因素對(duì)速度的提升影響更大，仍需要進(jìn)一步探究。RMF橋箔更高的飛片平均速度將提高EFI起爆下一級(jí)裝藥的可靠性，為現(xiàn)有系統(tǒng)起爆更加鈍感藥劑提供了可能。

表3 飛片平均速度測(cè)量結(jié)果

Tab.3 Results of the average velocity measurement

3 結(jié)論

本研究對(duì)比了相同厚度、尺寸、放電回路條件下，Al/Ni RMF和Cu箔兩類EFI的沉積能量、能量利用率和驅(qū)動(dòng)飛片的平均速度。實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)論主要有：（1）Al/Ni RMF橋箔即使在1 306 V的低工作電壓下，也能可靠起爆，且橋箔的能量利用率在64.22% ~ 67.89%之間，飛片被順利剪切并驅(qū)動(dòng)，獲得的平均速度范圍在1 445.05 ~ 1 946.31m/s。而相同輸入下，較大尺寸的Cu橋箔并沒(méi)有發(fā)生爆發(fā)現(xiàn)象，較小尺寸的Cu橋箔雖然爆發(fā)，但能量利用率低于42%，飛片平均速度低于多層膜EFI約100m/s。因此認(rèn)為Al/Ni RMF橋箔能顯著降低現(xiàn)有爆炸箔起爆系統(tǒng)的工作電壓，即起爆閾值，對(duì)于起爆系統(tǒng)尤其是脈沖功率單元的小型化具有重要意義。（2）兩類橋箔在高電壓下，均能可靠爆發(fā)。但是Al/Ni RMF橋箔的沉積能量依然高于Cu箔，并且實(shí)驗(yàn)表明，Al/Ni EFI的飛片平均速度高于Cu EFI 約10 %，表明這種RMF材料能顯著提高EFI系統(tǒng)的可靠性和起爆鈍感藥劑的能力。

[1] Ma E, Thompson C V, Clevenger L A, et al. Self-propagating explosive reactions in Al/Ni multilayer thin films[J]. Applied Physics Letters,1990, 57(12): 1 262-1 264.

[2] Adams D P. Reactive multilayers fabricated by vapor deposition: a critical review[J]. Thin Solid Films,2015, 576(16): 98-128.

[3] Sim?es S, Viana F, Vieira M F. Reactive commercial Ni/Al nanolayers for joining lightweight alloys[J]. Journal of Materials Engineering & Performance,2014, 23(5): 1 536-1 543.

[4] Wang J, Besnoin E, Duckham A, et al. Room-temperature soldering with nanostructures foils[J]. Applied Physics Letters, 2003, 83(19): 3 987-3 989.

[5] Braeuer J, Besser J, Wiemer M, et al. A novel technique for MEMS packaging: reactive bonding with integrated material systems[J]. Sensors and Actuators A: Physical,2012,188(12): 212-219.

[6] Zhu P, Li D, Fu S, et al. Improving reliability of SCB initiators based on Al/Ni multilayer nanofilms[J]. European Physical Journal Applied Physics,2013(63):10 302-10 307.

[7] Morris C J, Mary B, Zakar E, et al. Rapid initiation of reactions in Al/Ni multilayers with nanoscale layering[J]. Journal of Physics & Chemistry of Solids,2010, 71(2): 84-89.

[8] Morris C J, Wilkins P R, May C M. Streak spectroscopy and velocimetry of electrically exploded Ni/Al laminates[J]. Journal of Applied Physics,2013,113(4): 043 304-043 304-7.

[9] Lv J J, Zeng Q X, Li M Y. Metal foil gap switch and its electrical properties[J]. Review of Scientific Instruments,2013, 84(4): 045 101-045 101.

[10]呂軍軍, 李明愉, 曾慶軒,等. 爆炸箔起爆系統(tǒng)的發(fā)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào),2011,29(36): 61-65.

[11]Mann A B, Gavens A J, Reiss M E, et al. Modeling and characterizing the propagation velocity of exothermic reactions in multilayer foils[J]. Journal of Applied Physics,1997, 82(3): 1 178-1 188.

Explosion and Flyer-driving Performance of Al/Ni Reactive Multilayers

WANG Tao，ZENG Qing-xuan，LI Ming-yu，ZHANG Zi-chao

（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology，Beijing，100081）

To investigate the influence of Al/Ni reactive multilayer foils on the exploding foils initiator, Cu and Al/Ni exploding foils with the same bridge size were fabricated and tested at the identical discharge circuit. SU-8 photoresist was employed to prepare the barrel. Results showed the energy deposition of Al/Ni foil was between 0.120 5 ~ 0.127 4 J, which was nearly twice than the value of Cu foil, with a operating voltage of 1 306 V. Compared with Cu foil, 18% ~ 58 % increase of energy deposition was found when the capacitor was initially charged to 1 900 V. Meanwhile, the average velocity of flyer driven by multilayer foils was higher than that by Cu foil about 10%.It can be concluded that Al/Ni exploding foil is able to enhance the reliability of the initiator and reduce its initiation threshold.

Energetic material；Al/Ni reactive multilayer foils；Exploding foil initiator；Energy deposition

1003-1480（2016）05-0001-05

TJ450.4

A

2016-06-22

王濤（1983 -），男，在讀碩士研究生，主要從事Al/Ni反應(yīng)復(fù)合膜研究。

火工品安全性可靠性技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助（批準(zhǔn)號(hào)：9140C37050C37174）