王麗玲，王 亮，蔣小華，何 碧，尹強(qiáng)，朱和平

(中國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、瑞典等國利用物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)研制了多種以金屬復(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)的美國專利US4335653 和4409898 介紹了電磁輻射和雜電鈍感的金屬復(fù)合膜橋點(diǎn)火器［2］。20 世紀(jì)90 年代，美國科學(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.