李含健， 劉潔， 任慧， 焦清介

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

微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的旋涂制備及其燃燒性能

李含健， 劉潔， 任慧， 焦清介

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

為了解決微機(jī)電火工品內(nèi)藥劑的快速密實(shí)裝填的問題，采用旋涂技術(shù)制備出厚度可控的微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜。利用掃描電鏡結(jié)果對(duì)比得出氟橡膠最小使用量為7%；使用熱流法檢測(cè)了鋁熱劑薄膜的熱物理性能并用高速攝像機(jī)記錄了薄膜的燃燒過程，得到Al/MoO3/氟橡膠薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)為75 W/(m·K)，燃燒速率為30.6 m/s，在添加還原氧化石墨烯后， Al/MoO3/氟橡膠/還原氧化石墨烯薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)增至126 W/(m·K), 燃燒速率高達(dá)867.9 m/s. 采用金屬橋帶進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的臨界發(fā)火電流低于Zr/KClO4點(diǎn)火藥。添加還原氧化石墨烯能改善鋁熱劑的燃燒性能和發(fā)火性能，更利于鋁熱劑作為點(diǎn)火藥應(yīng)用。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 微納結(jié)構(gòu)； 鋁熱劑薄膜； 旋涂法； 火工品

0 引言

鋁熱劑在外界能量刺激下能發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，釋放出大量熱能，被廣泛應(yīng)用于燃燒劑、點(diǎn)火藥、高能炸藥和固體火箭推進(jìn)劑的能量添加劑等。亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物(MIC)是由納米尺寸的氧化劑和燃料組成的復(fù)合物，其中廣為人知的是納米鋁熱劑[1]。納米鋁熱劑能實(shí)現(xiàn)金屬燃料和氧化物顆粒在納米尺度上的充分混合和界面接觸。鋁熱劑的優(yōu)勢(shì)在于高熱值和高絕熱溫度，經(jīng)過納米化處理之后其在提高能量釋放速率、降低發(fā)火閾值以及燃燒產(chǎn)物潔凈輸出等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2-3]，因此納米鋁熱劑在近10年引起了研究者的廣泛關(guān)注[4-11]，有關(guān)納米鋁熱劑的設(shè)計(jì)與制備、點(diǎn)火與燃燒、能量釋放、反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用等已成為學(xué)者爭(zhēng)相探究的領(lǐng)域。

20世紀(jì)以來國外文獻(xiàn)相繼報(bào)道了將納米鋁熱劑應(yīng)用于微機(jī)電火工品[12-14]。分析這些文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，由于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)火工器件的裝藥空間很小，主要采用藥劑的原位生長來實(shí)現(xiàn)密實(shí)裝填[15]，但是這種基底上原位生長的工藝往往非常復(fù)雜，需要使用氣相沉積裝置。本文首次提出采用旋涂工藝制備納米鋁熱劑薄膜。旋涂法早先用于生物成膜，所用流體粘度大，呈膠體狀[16-17]，它能精確控制薄膜厚度，設(shè)備簡單、操作便捷。為了增加流體的黏度使之易于成膜，提高膜片的力學(xué)性能，選用氟橡膠做黏合劑，氟橡膠化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，拉伸強(qiáng)度好，常用于火工藥劑的黏合劑。因此黏合劑的用量以及成膜狀態(tài)是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

鑒于鋁熱劑應(yīng)用于MEMS器件的點(diǎn)火藥，存在發(fā)火閾值偏高的問題，之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米鋁熱劑沒有斯蒂芬酸鉛的熱感度高，在低電壓發(fā)火實(shí)驗(yàn)中存在一定比例的瞎火現(xiàn)象，因此需要在納米鋁熱劑中添加熱敏感度較高的物質(zhì)。本文選用還原氧化石墨烯(RGO)作為增敏劑，RGO是化學(xué)法制備石墨烯的衍生物，它具有類石墨烯六方晶格結(jié)構(gòu)，面內(nèi)殘余少量官能團(tuán)和一定的缺陷，約200℃即分解產(chǎn)生氣體[18-21]，RGO具有良好的導(dǎo)熱性能，添加入鋁熱劑有望改善發(fā)火閾值高和產(chǎn)氣量少的弊病，因此本文將一定量的RGO添加至微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜中，采用掃描電鏡(SEM)觀測(cè)了膜的表觀形貌，采用熱流法測(cè)試了薄膜的導(dǎo)熱性能，利用高速攝像機(jī)記錄了燃燒過程，文末利用金屬橋帶點(diǎn)火器對(duì)比了微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜和Zr/KClO4發(fā)火性能。

1 配方的理論計(jì)算

在微納米鋁熱劑體系中添加RGO會(huì)影響體系的含氧量及產(chǎn)氣量，但同時(shí)會(huì)降低體系的放熱量，為了增加產(chǎn)氣量并保證能量的釋放，計(jì)算添加一定質(zhì)量比的RGO對(duì)微納米鋁熱劑體系的影響。根據(jù)反應(yīng)過程中氧化劑和還原劑的試劑反應(yīng)量，可得到反應(yīng)物的氧燃當(dāng)量比

(1)

式中：Mr為還原劑的質(zhì)量百分比；Mo為氧化劑的質(zhì)量百分比；(Mr/Mo)e為實(shí)驗(yàn)實(shí)際計(jì)量比；(Mr/Mo)t為理論化學(xué)計(jì)量比。

當(dāng)氧燃當(dāng)量比Φ=1時(shí)，計(jì)算添加不同質(zhì)量RGO的能量參數(shù)，得到能量參數(shù)變化曲線圖(見圖1，Mcond為固體產(chǎn)物含量)。由圖1中可知，RGO質(zhì)量比為4%時(shí)，產(chǎn)氣量Vg和壓力p最大，而溫度T、放熱量Q隨著RGO質(zhì)量的增加逐漸降低。綜合考慮，選擇RGO添加量為4%，此時(shí)產(chǎn)氣量和放熱量均較大。

圖1 不同RGO含量的鋁熱劑體系的能量參數(shù)變化曲線Fig.1 Energy parameters of thermite with different RGO contents

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

鋁粉，粒徑800 nm，上海Aladdin試劑工業(yè)公司產(chǎn)；三氧化鉬，粒徑600 nm，自制；RGO，純度≥99%(質(zhì)量百分比)，中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司產(chǎn)；正己烷，北京市通廣精細(xì)化工公司產(chǎn)；氟橡膠，F(xiàn)E2601，上海三愛富新材料股份有限公司產(chǎn)。

樣品制備設(shè)備：昆山市超聲儀器有限公司KQ5200DB數(shù)控超聲波清洗器；寧波新藝超聲設(shè)備有限公司JY92-2DN超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)；上海博迅實(shí)業(yè)有限公司GZX-9030MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱；德國IKA儀器公司RCT加熱磁力攪拌器；天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司SX3-5-12A智能纖維箱式電阻爐；大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司MicroPette手動(dòng)可調(diào)移液器；美國Laurell科技公司W(wǎng)S-650MZ旋涂儀。

表征檢測(cè)儀器：日本Hitachi公司S4800場(chǎng)發(fā)射SEM；湘潭湘儀儀器有限公司DRL-Ⅲ-C熱流法導(dǎo)熱儀；日本Photron公司FASTCAM APX RS高速攝像機(jī)；南京理工大學(xué)ALG-CN2電容放電起爆器。

2.2 樣品制備

稱取一定量的微納米鋁粉，添加微量表面活性劑(每200 mg鋁粉約使用0.05 mL全氟聚醚)以保證Al分散，然后按比例加入一定量的MoO3和RGO，將混合物粉末在超聲振蕩下分散于20 mL正己烷中形成均勻的懸濁液，在鼓風(fēng)干燥箱中烘干獲得復(fù)合鋁熱劑粉末。稱取一定量的鋁熱劑粉末置于燒杯中，先按比例加入氟橡膠溶液，然后將燒杯置于磁力攪拌器中攪拌約5 min進(jìn)行初步混合，最后再將燒杯置于高功率超聲環(huán)境中約15 min，使鋁熱劑各組分均勻分散于氟橡膠溶液。設(shè)定旋涂儀的離心速度，旋涂得到鋁熱劑薄膜。

圖2 樣品制備流程圖Fig.2 Preparation of thermite films

3 結(jié)果與討論

3.1 形貌表征

使用SEM觀測(cè)了微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的表面形貌和成膜效果。氟橡膠(FE)溶液自身的濃度及FE成分在鋁熱劑薄膜中所占質(zhì)量百分比的控制是影響鋁熱劑薄膜的成膜效果及其點(diǎn)火和燃燒性能的關(guān)鍵因素。通過控制FE溶液的濃度和在鋁熱劑原料中的添加量制備不同F(xiàn)E含量的微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜，從SEM圖中直觀地觀測(cè)不同F(xiàn)E含量對(duì)成膜的影響。圖3所示為30%和20%FE含量的Al/MoO3/FE薄膜的SEM圖。圖3(a)和圖3(b)中FE含量為30%，顯示Al/MoO3/FE薄膜具有一定厚度且表面平整，在微觀下表現(xiàn)出較好的成膜效果，鋁熱劑成分Al和MoO3顆粒也嵌入FE薄膜之中。盡管在FE薄膜中兩種組分具有較好的分散性，但是由于FE成分含量較大導(dǎo)致顆粒之間過于離散，而且FE屬于穩(wěn)定性較好的材料不利于鋁熱劑組分間的反應(yīng)。圖3(c)和圖3(d)顯示，當(dāng)薄膜中FE成分含量為20%時(shí)，Al/MoO3/FE薄膜的微觀表面凹凸起伏且內(nèi)部呈現(xiàn)多孔狀，Al和MoO3顆粒與FE之間緊密復(fù)合。當(dāng)添加FE量為20%時(shí)，Al/MoO3/FE薄膜成膜完整且組分之間的粘合效果較好。根據(jù)薄膜的SEM圖，最終確定能保證成膜效果的最低FE含量為7%.

圖3 不同F(xiàn)E含量的鋁熱劑薄膜SEM圖Fig.3 SEM photographs of thermite films with different fluorine rubber contents

圖4為制得的含4%的RGO的微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜，從圖4中可知，當(dāng)薄膜中FE成分含量為7.0%時(shí)，Al/MoO3/FE/RGO薄膜表面粗糙且鋁熱劑成分顆粒清晰可見。盡管由于FE含量的下降導(dǎo)致部分鋁熱劑顆粒暴露在外，但是這些成分均被FE黏合在一起，成為結(jié)構(gòu)完整且具有一定力學(xué)性能的薄膜。因此，當(dāng)FE的添加量為7.0%時(shí)，Al/MoO3/FE/RGO薄膜具有較好的成膜效果，而且組分顆粒也不會(huì)脫落或游離于薄膜之外。在鋁熱劑薄膜中，鋁熱劑各成分均具有較好的分散效果且被FE有效粘合，薄膜內(nèi)部具有較多孔隙結(jié)構(gòu)，將有利于點(diǎn)火和燃燒過程的對(duì)流傳熱和傳質(zhì)。

圖4 Al/MoO3/FE/RGO鋁熱劑薄膜的SEM圖Fig.4 SEM photographs of Al/MoO3/FE/RGO thermite films

3.2 導(dǎo)熱性能

為了了解微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的導(dǎo)熱性能，采用熱流法測(cè)試樣品的導(dǎo)熱速率，試樣制樣直徑為30.0 mm，厚度為1.0 mm左右。

通過(2)式計(jì)算可得樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，然后采用(3)式計(jì)算樣品的熱阻。

(2)

而熱阻則為反映該材料阻止熱量傳遞能力的綜合參量，其與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系為

(3)

式中：KT為該樣品在溫度T下的導(dǎo)熱系數(shù)；A為測(cè)試平板的面積；Th、Tc分別為熱極和冷極平板的溫度；x為兩極平板之間的距離；ΔQ/Δt為樣品在單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，即傳熱速率；RT為該樣品在溫度T下的熱阻；d為所測(cè)材料的厚度。

微納米鋁熱劑的導(dǎo)熱性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的導(dǎo)熱性能參數(shù)

從表1中分析可知，F(xiàn)E薄膜的導(dǎo)熱性能較差；即便如此，Al/MoO3/FE鋁熱劑薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)依然達(dá)到了75 W/(m·K)；在添加RGO后，Al/MoO3/FE鋁熱劑薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)提高地非常顯著，導(dǎo)熱系數(shù)提高了68.0%，達(dá)到了126 W/(m·K)，說明添加適量的RGO有利于熱量的傳遞，明顯改善了Al/MoO3/FE鋁熱劑薄膜的導(dǎo)熱性能。

3.3 燃燒波傳播速率

為了測(cè)試微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的燃燒性能，將其裝填于有機(jī)玻璃管中，裝藥密度為1.73 g/cm3，其中有機(jī)玻璃管內(nèi)徑4 mm，管長120 mm. 使用電點(diǎn)火頭在電容放電起爆器作用下從有機(jī)玻璃管的一端點(diǎn)燃微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜，然后在高速攝像機(jī)記錄下，根據(jù)燃燒的進(jìn)程和時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的燃燒波傳播速率，數(shù)據(jù)如表2所示。每種編號(hào)的鋁熱劑樣品平行測(cè)試3次并得到標(biāo)準(zhǔn)差。由表2可知，RGO的添加對(duì)微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的燃燒波傳播速率具有較好的提升作用，由于RGO的添加，薄膜燃燒波傳播速率提高約28.4倍。為了進(jìn)一步研究RGO對(duì)微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的燃燒過程和燃燒波傳播速率的影響關(guān)系，繪制了Al/MoO3/FE/RGO鋁熱劑薄膜的燃燒過程及燃燒波傳播速率變化關(guān)系圖，如圖5所示，其中：v是平均燃燒波傳播速率，σ是標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的燃燒波傳播速率

圖5 微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜燃燒過程及燃燒波傳播速率Fig.5 Combustion process and combustion waves’ propagation rate of thermite films

從圖5中分析可知，Al/MoO3/FE/RGO鋁熱劑薄膜在有機(jī)玻璃管的弱約束作用下的燃燒火焰前端呈現(xiàn)尖銳的射流狀且燃燒段火焰均勻地向前傳播；從圖5(b)的燃燒波傳播速率變化曲線中可以看出，鋁熱劑薄膜在外界能量刺激下開始燃燒，燃燒波傳遞120 mm距離歷時(shí)140 μs，其傳播速率較高，燃燒波有一段約20 μs的初始階躍過程，然后傳播速率經(jīng)歷一段至少80 μs的緩慢上升的過程，最后傳播速率逐漸趨向平穩(wěn)，整個(gè)過程的平均燃燒波傳播速率為868 m/s，而其最高燃燒波傳播速率為1 100 m/s，該傳播速率約為其整個(gè)過程的平均傳播速率的1.3倍，該現(xiàn)象表明，在有機(jī)玻璃管中，Al/MoO3/FE/RGO鋁熱劑薄膜的燃燒能迅速達(dá)到平穩(wěn)，并在后期燃燒速度保持緩慢增長。從其火焰形態(tài)上來講，結(jié)合其高傳播速率的特點(diǎn)，Al/MoO3/FE/RGO鋁熱劑薄膜在有機(jī)玻璃管中燃燒時(shí)，RGO在200 ℃左右能分解產(chǎn)生一定量CO2、H2O氣體，在鋁熱劑點(diǎn)火燃燒過程中作為氣相源，能夠在鋁熱劑薄膜的燃燒后端產(chǎn)生攜帶有金屬或其氧化物顆粒的高溫高壓燃?xì)?，這些燃?xì)馊菀诐B入燃燒前端的薄膜中心并將其點(diǎn)燃，然后薄膜中心火焰向薄膜四周傳遞，該過程迅速往復(fù)進(jìn)行，這種由對(duì)流燃燒機(jī)制主導(dǎo)的燃燒過程使得燃燒速度較高。

3.4 金屬橋帶發(fā)火實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用金屬橋帶器件的主要元件為單S型帶狀金屬箔片(鎳鉻合金)，帶狀金屬箔片的中心區(qū)結(jié)構(gòu)最窄、電阻最大，當(dāng)有電流通過時(shí)，金屬箔片中心聚集熱量最多、溫度最高，利于其爆發(fā)或引燃裝藥(結(jié)構(gòu)見圖6)。金屬橋帶換能元參數(shù)：基體直徑為6.45 mm，橋面總面積為25.41 mm2，發(fā)火區(qū)面積為0.51 mm2，裝藥孔徑為2.2 mm，裝藥孔深度為5.0 mm，將微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜堆疊并剪切成裝藥孔形狀壓裝進(jìn)金屬橋帶換能元的裝藥孔中，壓藥壓力為7 MPa，裝藥量為50 mg，裝藥高度為5.0 mm，裝藥直徑為2.5 mm，裝藥密度2.63 g/cm3.

圖6 金屬橋帶發(fā)火件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of metal bridge device

在50 ms恒流電流激勵(lì)下，利用上述金屬橋帶進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜的臨界發(fā)火電流實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3，其中：Ic為臨界發(fā)火電流；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；Inf為全不發(fā)火電流；If為全發(fā)火電流。由表3可知，常用的鈍感點(diǎn)火藥Zr/KClO4的臨界發(fā)火電流為3.56 A，Al/MoO3的臨界發(fā)火電流為3.35 A，比Zr/KClO4易于發(fā)火，添加FE后，微納米鋁熱劑的發(fā)火電流升高，但是添加了RGO的Al/MoO3/FE/RGO鋁熱劑薄膜的臨界發(fā)火電流為3.12 A，低于Al/MoO3和Al/MoO3/FE體系的鋁熱劑臨界發(fā)火電流。添加RGO能降低微納米鋁熱劑裝藥的金屬橋帶的發(fā)火感度，使其更易于發(fā)火。

表3 金屬橋帶發(fā)火件的臨界發(fā)火電流試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)采用旋涂技術(shù)制備出結(jié)構(gòu)完整和厚度均勻的微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜，控制旋涂工藝將氟橡膠含量降至7%；并在薄膜中添加4%的還原氧化石墨烯得到了Al/MoO3/FE/RGO鋁熱劑薄膜。

2)采用熱流法測(cè)試了鋁熱劑薄膜的導(dǎo)熱性能，通過添加還原氧化石墨烯能顯著改善鋁熱劑薄膜的導(dǎo)熱性能，使其導(dǎo)熱系數(shù)提高了68.0%.

3)采用高速攝像機(jī)記錄了鋁熱劑薄膜的燃燒過程，通過計(jì)算和分析得到了鋁熱劑薄膜的燃燒速率及其變化規(guī)律。添加了還原氧化石墨烯的微納結(jié)構(gòu)鋁熱劑薄膜在有機(jī)玻璃管中的燃燒能迅速達(dá)到平穩(wěn)，并在后期燃燒速度保持緩慢增長，平均燃速可達(dá)868 m/s.

4)采用金屬橋帶進(jìn)行發(fā)火實(shí)驗(yàn)，并和常用藥劑Zr/KClO4進(jìn)行了對(duì)比。Al/MoO3和Al/MoO3/FE鋁熱劑裝藥的金屬橋帶臨界發(fā)火電流要低于Zr/KClO4裝藥的金屬橋帶；添加RGO能降低微納米鋁熱劑的臨界發(fā)火電流。

References)

[1] Asay B W, Son S F, Busse J R, et al. Ignition characteristics of metastable intermolecular composites[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2004, 29(4): 216-219.

[2] Miziolek A. Nanoenergetics: an emerging technology area of national importance[J]. Amptiac Quarterly, 2002, 6(1): 43-48.

[3] Wilson D E, Kim K. Combustion of consolidated and confined metastable intermolecular composites [C]∥The 43rd AIAA Aerospace Science Meeting. Reno,US:AIAA, 2005.

[4] Blobaum K J, Reiss M E, Plitzko J M, et al. Deposition and characterization of a self-propagating CuOx/Al thermite reaction in a multilayer foil geometry[J]. Journal of Applied Physics, 2003, 94(5): 2915-2922.

[5] Bulian C J, Kerr T T, Pusyznski J A. Ignition studies of aluminum and metal oxide nanopowders [C]∥Proceedings of the 31st International Pyrotechnics Seminar. Denver, US : AIAA,2004: 327-338.

[6] Plantier K B, Pantoya M L, Gash A E. Combustion wave speeds of nanocomposite Al/Fe2O3: the effects of Fe2O3particle synthesis technique[J] Combustion and Flame, 2005, 140(4): 299-309.

[7] Puszynski J A, Bulian C J, Swiatkiewicz J J. The effect of nanopowder attributes on reaction mechanism and ignition sensitivity of nanothermites[J]. Materials Research Society Symposium Proceedings, 2006, 886: 147-158.

[8] Schoenitz M, Umbrajkar S M, Dreizin E L. Kinetic analysis of thermite reactions in Al-MoO3nanocomposites[J]. Journal of Propulsion and Power, 2007, 23(4): 683-687.

[9] 黃凡泰,張琳,朱順官. 納米Al/Bi2O3制備和性能及長儲(chǔ)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào),2015,36(8):1430-1436. HUANG Fan-tai, ZHANG Lin, ZHU Shun-guan. Preparation, performance and long-term storage of nano Al/Bi2O3[J]. Acta Armamentarii, 2015,36(8):1430-1436.(in Chinese)

[10] 鄭寶明,姜煒,陳偉,等. 高活性AlMg/KMnO4鋁熱劑的性能研究[J]. 兵工學(xué)報(bào),2013,34(9):1161-1166. ZHENG Bao-ming, JIANG Wei, CHEN Wei, et al. Study on performance of super-reactive AlMg/KMnO4thermites[J].Acta Armamentarii, 2013,34(9):1161-1166.(in Chinese)

[11] 鄒美帥,杜旭杰,李曉東,等. 反應(yīng)抑制球磨法制備超級(jí)鋁熱劑的研究進(jìn)展[J]. 兵工學(xué)報(bào),2013,34(6):783-791. ZOU Mei-shuai, DU Xu-jie, LI Xiao-dong, et al. Research progress in super thermite prepared by arrested reactive milling[J].Acta Armamentarii,2013,34(6):783-791.(in Chinese)

[12] Staley C S, Raymond K E, Thiruvengadathan R, et al. Fast-impulse nanothermite solid-propellant miniaturized thrusters[J]. Journal of Propulsion and Power, 2013, 29(6): 1400-1409.

[13] Korampally M, Apperson S J, Staley C S, et al. Transient pressure mediated intranuclear delivery of FITC-Dextran into chicken cardiomyocytes by MEMS-based nanothermite reaction actuator[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2012, 171: 1292-1296.

[14] Puchades I, Hobosyan M, Fuller L F, et al. MEMS microthrusters with nanoenergetic solid propellants[C]∥14th International Conference on Nanotechnology. Toronto, Canada:IEEE, 2014.

[15] 解瑞珍, 劉蘭, 任小明, 等. 硅基微雷管的原位裝藥及性能研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2014, 35(12): 1972-1977. XIE Rui-zhen, LIU Lan, REN Xiao-ming, et al. Research on in-situ charge and performance of Si-based micro-detonator[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(12): 1972-1977.(in Chinese)

[16] 王東, 劉紅纓, 賀軍輝, 等. 旋涂法制備功能薄膜的研究進(jìn)展[J]. 影像科學(xué)與光化學(xué), 2012, 30(2): 91-101. WANG Dong, LIU Hong-ying, HE Jun-hui, et al. Progress on preparation of functional films using spin-coating[J]. Imaging Science and Photochemistry, 2012, 30(2): 91-101. (in Chinese)

[17] Uddin M A, Chan H P, Chow C K, et al. Effect of spin coating on the curing rate of epoxy adhesive for the fabrication of a polymer optical waveguide[J]. Journal of Electronic Materials, 2004, 33(3): 224-228.

[18] Gilje S, Han S, Wang M, et al. A chemical route to graphene for device applications[J]. Nano Letters, 2007, 7(11): 3394-3398.

[19] Yang W, Ratinac K R, Ringer S P, et al. Carbon nanomaterials in biosensors: should you use nanotubes or graphene[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 49(12): 2114-2138.

[20] Hu Y H, Wang H, Hu B. Thinnest two‐dimensional nanomaterial-graphene for solar energy[J]. ChemSusChem, 2010, 3(7): 782-796.

[21] Stoller M D, Park S, Zhu Y, et al. Graphene-based ultracapacitors[J]. Nano Letters, 2008, 8(10): 3498-3502.

Spin-coating Preparation of Micro- and Nano-thermite Films and Their Combustion Performances

LI Han-jian, LIU Jie, REN Hui, JIAO Qing-jie

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

The micro- and nano-thermite films are prepared using spin-coating with fluorine rubber as a binder. Ensuring the integrity of films, the mass content of fluorine rubber is minimized by controlling the spin-coating process. The minimum mass content of fluorine rubber is observed to be 7% through scanning electron microscope. The thermophysical properties of thermite films are tested using heat flux method. The measured thermal conductivity of Al/MoO3/FE film is 75 W/(m·K) , and the burning rate is 30.6 m/s. Surprisingly, the thermal conductivity reaches to 126 W/(m·K), and the burning rate is increased to 867.9 m/s after appending reduced graphene oxide. The ignition test results of metal bridge show that micro- and nano-thermite films could improve the combustion performance of thermite and the ignition performance.

ordnance science and technology; micro-and nano-structure; thermite film; spin-coating; initiating device

2016-06-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1530262)； 總裝備部預(yù)先研究基金項(xiàng)目(9140A05080415BQ01)

李含健(1985—), 男, 博士研究生。 E-mail: lihanjian@yahoo.com

任慧(1973—), 女，副教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: renhui@bit.edu.cn

TJ450.4

A

1000-1093(2017)02-0267-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.009