王麗玲，王 亮，蔣小華，何 碧，尹強(qiáng)，朱和平

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

反應(yīng)多層膜是一種新型含能納米材料，通常由2 種或多種可發(fā)生放熱反應(yīng)的材料交替沉積形成A/B/A 結(jié)構(gòu)。反應(yīng)多層膜的一個(gè)特點(diǎn)是其在一定能量刺激下能發(fā)生快速反應(yīng)，形成穩(wěn)定化合物并產(chǎn)生大量熱和高的絕熱反應(yīng)溫度。由于反應(yīng)不需要來自周圍環(huán)境的附加原子(如氧氣等)，并且反應(yīng)能夠放出熱量、迅速點(diǎn)燃，達(dá)到1400K 以上的溫度，局部加熱溫度達(dá)到109K/s 的自持能源，該能源可以在要求迅速且局部產(chǎn)生熱量的應(yīng)用中(如焊接、點(diǎn)火)有巨大的應(yīng)用前景［1］。

20 世紀(jì)80 年代以來德國(guó)、瑞典等國(guó)利用物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)研制了多種以金屬?gòu)?fù)合薄膜橋?yàn)榘l(fā)火元件的點(diǎn)火器和雷管。如瑞典Sven-Erik 等人申報(bào)的美國(guó)專利US4335653 和4409898 介紹了電磁輻射和雜電鈍感的金屬?gòu)?fù)合膜橋點(diǎn)火器［2］。20 世紀(jì)90 年代，美國(guó)科學(xué)家們便設(shè)計(jì)了一種基于反應(yīng)多層膜的含能橋電爆裝置［3］。英國(guó)皇家軍械研究院和標(biāo)準(zhǔn)電信試驗(yàn)有限公司聯(lián)合研制了一種雙層金屬薄膜橋雷管，其特點(diǎn)是發(fā)火安全可靠，作用時(shí)間快。

由于含能橋點(diǎn)火能力強(qiáng)，藥劑與含能橋之間可以有一定間隙空腔，可以實(shí)現(xiàn)隔離點(diǎn)火，在這個(gè)空腔點(diǎn)火通道中可以實(shí)現(xiàn)基于MEMS 的微安保系統(tǒng)。藥劑與含能橋不直接接觸，就不會(huì)存在傳統(tǒng)橋絲火工品藥劑在長(zhǎng)期貯存條件下可能腐蝕橋絲縮短火工品壽命的可能，在火工品貯存性方面含能橋更有優(yōu)勢(shì)。復(fù)合含能橋電爆裝置具有很好地抗射頻和電磁干擾、雜散電流的能力，這也是橋絲電火工品不能達(dá)到的。另外還可望在復(fù)合含能橋上通過對(duì)橋膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形成一個(gè)類似二極管的結(jié)構(gòu)達(dá)到釋放靜電的作用，防止靜電引起的意外起爆，大大提高了火工品的安全性［4］。由于復(fù)合含能橋的發(fā)火特點(diǎn)，其點(diǎn)火能力較強(qiáng)，有望使用感度較低的點(diǎn)火藥、增加火工品的安全性，甚至能減化點(diǎn)火裝置的結(jié)構(gòu)，減小現(xiàn)有點(diǎn)火系統(tǒng)的體積。由于復(fù)合含能橋組成的電爆裝置可以利用微電子集成技術(shù)，提高了產(chǎn)品的可靠性，批量生產(chǎn)降低了成本。它將對(duì)軍用和民用火工品發(fā)展以及相關(guān)系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，并對(duì)火工品應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬起到推動(dòng)作用。

1 試驗(yàn)方法

本文選用含能橋的2 種材料為硼和金屬鈦?；撞捎貌Ａщ姌O塞，先在丙酮、無水乙醇中超聲波清洗15 min，再用去離子水沖洗后烘干。含能橋的制備在沈陽世昂真空生產(chǎn)的SAJS-500 型多靶磁控濺射儀上進(jìn)行，采用氬氣(純度＞99.999%)為工作氣體，本底真空抽至1(10-3Pa，工作氣壓為0.9 Pa，靶基距約50 mm。Ti 薄膜采用直流濺射，濺射功率為70 W，B 薄膜制備是陶瓷靶，采用射頻濺射，濺射功率為100 W。真空腔加熱溫度為100℃。

含能橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，在玻璃電極塞上用掩模方法制備鈦薄膜，作為電阻橋，用于加熱含能橋，控制鈦電阻橋電阻2 ～3 Ω。再沉積B 膜作為絕緣層，絕緣層的作用是控制電阻橋的電阻大小，不會(huì)隨著表面沉積了含能橋而改變。然后制備含能橋，交替沉積Ti 和B 薄膜。點(diǎn)火器設(shè)計(jì)如圖2所示，采用點(diǎn)火藥為BNCP 藥柱。

圖1 含能橋結(jié)構(gòu)

圖2 含能橋點(diǎn)火元件

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

對(duì)多層含能薄膜進(jìn)行了XRD 圖譜測(cè)試，如圖3 所示，在2θ 值35.1°、38.2°和52.6°分別對(duì)應(yīng)Ti(100)、(102)晶面的特征吸收峰，在2θ 值25.5°、36.8°、43.2°、57.5°、66.4°、68.3°出現(xiàn)B(012)、(110)、(021)、(211)、(009)和(027)晶面的特征吸收峰，由此可以證明所制備的含能薄膜成分為Ti 和B的單質(zhì)狀態(tài)，尚未形成鈦和硼的化合物或只有少量鈦硼化合物。

圖3 多層含能薄膜的XRD 圖譜

圖4 是剝離掉的含能橋的斷面形貌，多層膜的典型顯微結(jié)構(gòu)，可以清楚地看到多層連續(xù)結(jié)構(gòu)。從含能橋表面形貌可以看出，形成了致密的島狀結(jié)構(gòu)，光滑平整，但顆粒界面清晰。

圖4 含能橋表面及斷面照片

含能橋通2A 直流電流，未發(fā)火，5 A 條件下發(fā)火，并用HS4540MX12 高速運(yùn)動(dòng)記錄系統(tǒng)記錄下來含能橋發(fā)火過程，如圖5 所示，可以看到火花飛濺的現(xiàn)象，火花甚至可以達(dá)到30 mm 左右。這是由于含能橋在熱能刺激下，快速發(fā)生反應(yīng)2B+Ti→TiB2+5.52 J/mg［4］，反應(yīng)生成的高溫產(chǎn)物飛濺，形成火花。對(duì)比發(fā)火前后的照片圖6 可以看出，發(fā)火后兩電極之間部分都已經(jīng)反應(yīng)。

圖5 含能橋發(fā)火過程照片

圖6 含能橋發(fā)火前后照片

為了驗(yàn)證含能橋的點(diǎn)火性能，進(jìn)行了含能橋點(diǎn)火試驗(yàn)，BNCP 藥柱尺寸為Φ3.4mm ×2mm，質(zhì)量為35 mg，密度約為1.9 g/cm3。5 A 條件下成功實(shí)現(xiàn)了隔離0.1 mm 的空腔點(diǎn)火，作用時(shí)間小于100 μs，點(diǎn)火過程電壓曲線如圖7 所示。

圖7 隔離0.1 mm 點(diǎn)火電壓曲線

另外還將點(diǎn)火藥與含能橋之間用0.02 mm 的聚酯薄膜完全隔離，也成功點(diǎn)火。

3 結(jié)束語

采用磁控濺射方法制備硼鈦復(fù)合含能橋。通過含能橋斷面和表面形貌觀察，可以看到Ti 和B 的連續(xù)交互層。用HS4540MX12 高速攝像系統(tǒng)記錄下來含能橋發(fā)火過程，火花濺射距離可達(dá)到30 mm 左右。進(jìn)行了含能橋?qū)NCP 藥柱的點(diǎn)火試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)0.1 mm 距離隔離點(diǎn)火，并且在含能橋與藥柱之間用厚度0.02 mm 的聚酯薄膜隔離時(shí)也成功點(diǎn)火。試驗(yàn)證明含能橋具有較強(qiáng)的點(diǎn)火能力，安全性更好。

［1］Barbee T W，Jr.，A.E.Gash，Satcher J H，et al.Nanotechnology based Environmentally Robust Primers［C］//34th Annual Institute of Chemical Technology Meeting.［S.l.］:［s.n.］，2003.

［2］Thomas A. Baginski，Steven L. Taliaferro，Wm. David Fahey. Novel Electroexplosive device incorporating a reactive laminated metallic bridge［J］. Journal of propulsion and power，2001，17（1）:20-25.

［3］Thomas A.Baginski，Todd S.Parker，Wm.David Fahey.Electro-explosive device with laminate bridge［P］. U. S. patent:0081146，2006-05-12.

［4］Shuji Tanaka，Kazuyuki Kondo，Hiroto Habu. Test of BTi Multilayer Reactive Igniters for a Micro Solid Rocket Array Thruster Thruster［J］. Sensors and Actuators: A Physical（2007），2008.