Повышенные энергетические характеристики на основе интеграции с наноламинатами Al / PTFE

Аннотация

Интеграция энергетических материалов в микросхему привлекла большое внимание из-за ее широкого потенциального применения в системе энергопотребления на микромасштабах, включая устройство электрического инициирования. В этой статье реактивные наноламинаты Al / ПТФЭ со структурой периодического слоя получают магнетронным распылением, которое состоит из горючего Al, окислителя ПТФЭ и инертного слоя соединения Al-F в метастабильной системе. Наноламинаты Al / PTFE после осаждения демонстрируют значительно высокий выход энергии, а температура начала и теплота реакции составляют 410 ° C и 3034 Дж / г, соответственно. На основе этих свойств спроектирован и изготовлен интегрированный пленочный мостик путем объединения наноламинат Al / PTFE с взрывающейся медной фольгой, которая демонстрирует улучшенные энергетические характеристики с более сильным явлением взрыва, большим количеством выбрасываемого продукта и более высокой температурой плазмы по сравнению с Медный пленочный мост. Кинетическая энергия летунов, полученная за счет расширения мостика из медной пленки, также увеличивается примерно на 29,9% за счет интеграции с наноламинатами Al / PTFE. В целом, энергетические характеристики могут быть существенно улучшены за счет комбинации химической реакции наноламинат Al / PTFE с электрическим взрывом мостика из пленки Cu.

Фон

За последнее десятилетие исследования наноструктурированных энергетических материалов вызвали озабоченность во всем мире и растущий исследовательский интерес из-за их превосходных энергетических характеристик, включая низкую температуру воспламенения, быстрое выделение энергии, высокую плотность энергии и регулируемую реактивность [1,2,3,4,5 , 6,7,8,9,10]. Химическая энергия, хранящаяся в этих материалах, может высвобождаться при электрическом, оптическом, ударном или тепловом срабатывании, что может быть использовано в военных и гражданских целях, таких как инициирование вторичных реакций [11], соединение материалов [12], автомобильная промышленность. пропелленты воздушной подушки [13] и источник питания [14]. Многие методы, включая физическое смешивание нанопорошков, остановленное реактивное измельчение плотных нанокомпозитов, электрофоретическое наноэнергетическое покрытие и периодическое осаждение наноламинов, были внедрены для изготовления наноструктурированных энергетических материалов [15,16,17,18,19]. Среди этих методов изготовление наноламинов путем попеременного осаждения двух или более различных пленок обеспечивает захватывающую структуру для интеграции устройства с настраиваемыми энергетическими характеристиками, поскольку количество слоев и толщину монослоя легко контролировать и, следовательно, настраивать их энергетические характеристики.

Инициатор взрывающейся фольги (EFI) - это тип пиротехнических устройств для выработки электроэнергии, используемых для инициирования вторичных реакций [20]. После подачи электрического импульса мгновенно увеличивающаяся плотность тока вызывает испарение металлической пленочной перемычки и образование плазмы высокого давления. Затем летчик на пленочном мосту разрезается и ускоряется для удара взрывчаткой. В связи с возрастающими требованиями к миниатюризации устройств электрического зажигания и низкоэнергетического инициирования интеграция наноэнергетических слоев с металлическим пленочным мостом на основе технологии микроэлектронных и механических систем (MEMS) для достижения функциональной наноэнергетики на кристалле (NOC) представляет собой многообещающую перспективу. вариант развития EFI. Комбинация теплоты реакции энергетических материалов с традиционным электрическим джоулем металлического пленочного моста позволяет улучшить характеристики электрического взрыва EFI с инициированием низкой энергии в компактных размерах.

Наноламинатная пленка Al / PTFE является многообещающим кандидатом для интеграции с EFI по следующим причинам. Во-первых, металлический Al является обычным материалом с высокой плотностью энергии и скоростью выделения энергии во время окисления. Между тем содержание фтора в ПТФЭ составляет до 76 мас.%, Который может реагировать с металлическим Al с образованием AlF ₃. с высоким теоретическим энерговыделением 5571 Дж / г [21]. Во-вторых, потенциальное газовыделение, происходящее в результате пиролиза пленки ПТФЭ и продукта реакции оксикарбида в атмосферных условиях, может увеличивать давление генерируемой плазмы, что благоприятно сказывается на сдвиге и ускорении летательного аппарата [22]. В этой статье интегрированный пленочный мостик был разработан и изготовлен путем интеграции наноламинатов Al / PTFE с взрывающимся пленочным мостиком Cu. Структура и химический состав непосредственно осажденных наноламинатов Al / PTFE были изучены методами ПЭМ и РФЭС. Влияние интегрированных наноламинов Al / PTFE на характеристики электрического инициирования было исследовано с помощью испытаний на электровзрыв.

Методы

Осаждение наноламинатов Al / PTFE

Наноламинаты Al / PTFE были приготовлены путем попеременного осаждения слоев Al и слоев PTFE с помощью магнетронного распыления постоянного тока и высокочастотного магнетронного распыления, соответственно. В качестве мишеней для распыления использовалась алюминиевая фольга (чистота> 99,999%) и фольга из политетрафторэтилена (чистота> 99,99%) диаметром 100 мм. Вращающийся стол для подложек использовался для реализации нескольких чередующихся осаждений. Базовое давление для осаждения пленки было ниже 5 × 10 ^{- 4} Па, а в качестве газовой среды вводился аргон. Параметры осаждения были установлены как 1,1 Па, 300 Вт для слоев ПТФЭ и 0,45 Па, 100 Вт для слоев Al, чтобы получить оптимальное качество пленки и стабильную скорость осаждения.

Подготовка (Al / PTFE) _n / Cu-интегрированный EFI

(Al / PTFE) _n Пленочный мостик / Cu был изготовлен магнетронным распылением и методами MEMS на алюмооксидной керамической подложке диаметром 3 дюйма. Процесс изготовления (Al / PTFE) _n Пленочный мостик / Cu показан на рис. 1. Каждый блок состоит из взрывающейся пленки Cu снизу, наноламинатной пленки Al / PTFE прямоугольной формы, нанесенной на верхнюю часть пленки Cu, и двух площадок площадок Cu, расположенных в с обеих сторон наноламинат Al / PTFE.

Схематический чертеж и процесс изготовления (Al / PTFE) _n / Медный пленочный мост

Перед напылением подложка подвергалась последовательной ультразвуковой очистке с использованием ацетона, спирта и деионизированной воды в течение 10 мин. Затем очищенная подложка была высушена раздувом в газообразном аргоне и подвергнута термообработке при 120 ° C в течение 1 ч для дальнейшей сушки. После сушки на очищенную подложку методом магнетронного распыления на постоянном токе наносился слой Cu толщиной 2 мкм. Впоследствии на осажденную пленку Cu был нанесен рисунок с помощью фотолитографии и влажное травление с помощью средства для травления меди (CE - 100). Размер узорчатого пленочного мостика из Cu составлял 600 мкм × 600 мкм. Затем наноламинаты Al / PTFE толщиной ~ 2 мкм были нанесены на верхнюю часть перемычки из пленки Cu и структурированы с помощью процесса снятия инверсии изображения. Последовательность укладки для распыления наноламинов Al / PTFE была Al / PTFE / Al / PTFE / Al, и слой Al оставался в качестве верхнего слоя. После этого две контактные площадки Cu с рисунком маски были уложены друг на друга с обеих сторон наноламинаций Al / PTFE для подключения к источнику напряжения. Наконец, готовый образец был разрезан на отдельные части.

Характеристика наноламинатов Al / PTFE

Кристалличность и структурные микроскопические характеристики наноламинатов Al / ПТФЭ были выполнены с использованием просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Пленка Al толщиной ~ 1 нм была нанесена на слой PTFE для определения химического состава границы раздела между слоем Al и слоем PTFE с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Наноламинаты ПТФЭ снимали с подложки и переносили в тигель из оксида алюминия для анализа выделения энергии методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Масса образца для каждого испытания составляла ~ 10 мг, и испытания проводились при температуре от 25 до 800 ° C при скорости нагрева 10 ° C / мин в токе аргона.

Испытание пленочного моста на электрический взрыв

Электровзрывные свойства образцов были проверены с помощью системы измерения электрического взрыва, которая аналогична предыдущему отчету для пленочного мостика Cu / Al / CuO [23]. Температурные характеристики электровзрыва определялись в режиме диагностики температуры электровзрыва на основе «двухлинейной атомно-эмиссионной спектроскопии медного элемента» [24, 25]. Явления электрического взрыва регистрировались синхронно высокоскоростной камерой с частотой 20 000 кадров в секунду. Процесс ускорения летчиков был получен с помощью фотонной доплеровской велосиметрии (PDV), чтобы исследовать способность управлять самолетами.

Результаты и обсуждение

Характеристика наноламинатов Al / PTFE

Изображение поперечного сечения наноламинат Al / PTFE, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии, показано на рис. 2а. Слои Al и слои ПТФЭ расположены периодически в вертикальной ориентации, и хорошо видна хорошо выровненная структура слоев. Темные полосы соответствуют слоям алюминия, а яркие полосы соответствуют слоям ПТФЭ. Слои Al и слои PTFE можно легко различить, а волнистые границы раздела между слоями Al и слоями PTFE также видны на изображении. Толщина монослоя слоя Al и слоя ПТФЭ составляет около 50 и 75 нм соответственно. Изображения с высоким разрешением слоя Al и слоя ПТФЭ показаны на рис. 2b, c, а также вставлены картины дифракции электронов. Можно четко наблюдать структуру решетки пленки Al, которая демонстрирует четко выраженную нанополикристаллическую структуру. В то время как пленка ПТФЭ имеет широкие и диффузные кольца, указывающие на аморфную структуру. Структура периодического слоя полезна для межфазной диффузии между слоями Al и слоями ПТФЭ для высвобождения энергии. Однородная толщина пленки также позволяет настраивать энергетические характеристики за счет изменения толщины каждого слоя и количества слоев.

а Поперечное сечение наноламинат Al / PTFE в светлопольном электронном микроскопе. б Вставлено изображение с высоким разрешением слоя Al и электронограмма. c Вставлено изображение с высоким разрешением слоя ПТФЭ и электронограмма

Чтобы дополнительно подтвердить химический состав поверхности раздела между слоем Al и слоем PTFE, XPS-анализы выполняются на образцах пленки Al, пленки PTFE и пленки PTFE с нанесенным на поверхность слоем Al толщиной ~ 1 нм. На рис. 3а показаны спектры остовных уровней Al 2p пленки Al и пленки ПТФЭ с нанесением Al толщиной ~ 1 нм. Пики остовного уровня Al 2p, появляющиеся при энергии связи (BE) 72,2 эВ, обусловлены металлическим Al. Пики при 75,4 эВ от пленки Al и 75,6 эВ от ~ 1 нм Al, нанесенного на пленку ПТФЭ, могут быть отнесены к окисленному алюминию. По сравнению с пленкой ПТФЭ без осаждения Al на поверхности, пик уровня в ядре Al 2p, соответствующий Al ³⁺ немного сместиться в сторону более высокой энергии связи. Это могло быть вызвано реакцией между Al и PTFE [26, 27]. Между тем, на рис. 3б показаны изменения уровня F 1s в ядре пленки ПТФЭ до и после осаждения ~ 1 нм Al. Пик при 686,6 эВ хорошо согласуется со связями Al-F в AlF ₃ , что наглядно демонстрирует, что химическая реакция происходит на границе раздела между слоем Al и слоем ПТФЭ на начальной стадии осаждения пленки. Эти результаты также доказывают, что наноламинаты Al / PTFE находятся в метастабильной реакционной системе, состоящей из горючего Al, окислителя PTFE и инертного слоя соединения Al-F. Небольшие количества связей Al-F, которые существуют на границах раздела наноламинатов Al / PTFE, могут препятствовать непрерывной реакции между PTFE и Al, которые являются важными компонентами для поддержания высокой плотности энергии и стабильности наноламинатов Al / PTFE [28]. P>

а Спектр высокого разрешения внутреннего уровня Al 2p пленки Al и пленки PTFE с верхним слоем Al толщиной ~ 1 нм. б Спектр высокого разрешения внутреннего уровня F 1s пленки PTFE и пленки PTFE с верхним слоем Al толщиной ~ 1 нм

Характеристики тепловыделения наноламинатов Al / ПТФЭ были протестированы методом ДСК в диапазоне температур от 25 до 800 ° C при постоянной скорости нагрева 10 ° C / мин в потоке аргона. Как показано на рис. 4, наблюдается резкий рост основного экзотермического пика при значении температуры 507 ° C, что связано с окислительно-восстановительной реакцией между Al и PTFE. Температура начала реакции наноламинатов Al / ПТФЭ составляет 410 ° C, а теплота реакции составляет около 3034 Дж / г, рассчитанная путем интегрирования положительного экзотермического теплового потока по времени. Наноламинаты Al / PTFE демонстрируют значительно высокий выход энергии при относительно низкой температуре начала реакции. Обратите внимание, что теплота реакции ниже максимального теоретического значения; это может быть вызвано реакциями, которые не завершаются во время повышения температуры, а образование слоя соединения Al-F на границах раздела несколько снижает тепловыделение.

Кривые ДСК наноламинатов Al / ПТФЭ как функция температуры в среде аргона

Характеристики электрического инициирования (Al / PTFE) _n / Медные пленочные мосты

Основываясь на структуре и экзотермических свойствах наноламинатов Al / PTFE, интегрированный пленочный мостик был изготовлен путем объединения наноламинатов Al / PTFE с взрывающимся пленочным мостиком Cu. Последовательность высокоскоростных видеокадров для явления электрического инициирования Cu-пленочного мостика и (Al / PTFE) _n Пленочные мосты / Cu были записаны при разрядном напряжении 2500 В, как показано на рис. 5; интервал между соседними изображениями - 50 мкс. После разряда накопленной электрической энергии через перемычку на перемычке из пленки Cu наблюдается интенсивный процесс электрического взрыва, сопровождающийся яркой вспышкой. Это указывает на быстрое изменение состояния твердой плазмы в ионизированную, которая произошла на пленочном мостике Cu; время длительности 250 мкс. В то время как для (Al / PTFE) _n / Медный пленочный мостик, наблюдается более ожесточенный процесс взрыва с выбросом большего количества продукта вверх. Время длительности превышает 500 мкс, что вдвое больше, чем у пленочного медного мостика. Эти результаты ясно показывают, что химическая реакция наноламинатов Al / ПТФЭ участвует в ионизации мостика пленки Cu, и выделение энергии наноламинатами Al / ПТФЭ может существенно улучшить характеристики электрического инициирования. Возможное выделение газа и выброс большего количества продукта вверх способствует увеличению давления генерируемой плазмы.

Высокоскоростная камера наблюдения за процессами электровзрыва медного пленочного мостика ( a ) и (Al / PTFE) _n / Медный пленочный мостик ( b ) при разрядном напряжении 2500 В

Трудно измерить переходную температуру, поскольку температура электрического взрыва может достигать нескольких тысяч градусов Кельвина в течение микро- или наносекунд. В этой статье изменения температуры плазмы во время процессов инициирования определяются путем сравнения относительных интенсивностей спектральных линий от одного и того же атомного или ионного типа. На рисунке 6 показаны изменения температуры плазмы Cu-пленочного мостика и (Al / PTFE) _n / Медный пленочный мостик в процессах электрического инициирования. После срабатывания триггера температура электрического взрыва Cu-пленочного мостика быстро увеличивается и достигает максимума ~ 6819 К. В то время как для (Al / PTFE) _n / Cu пленочный мостик, максимальная температура ~ 8289 К; он намного выше, чем у пленочного медного мостика. Это ясно указывает на то, что химическая реакция в наноламинатах Al / PTFE запускается с выделением большого количества тепла. Более высокая температура способствует ионизации металлической пленки и быстрому расширению плазмы. Эти результаты хорошо согласуются с данными высокоскоростного наблюдения.

Кривые изменения температуры после обработки данных в процессе электровзрыва для Cu-пленочного мостика и (Al / PTFE) _n / Медный пленочный мост при напряжении разряда 2500 В

Как мы все знаем, конечная скорость летунов будет влиять на успешную детонацию взрывчатых веществ, а кинетическая энергия летунов зависит от быстрого расширения медной плазмы. После срабатывания изолирующая фольга, покрытая пленочным мостиком, разрезается и толкается вверх плазмой с высокой температурой и давлением, как показано на рис. 7a. Изменения скорости во времени были восстановлены по сигналу PDV с помощью быстрого преобразования Фурье [29]. На рисунке 7b показаны кривые изменения скорости для пленочного мостика Cu и (Al / PTFE) _n / Cu пленочный мост при напряжении разряда 2500 В. По мере того, как мостиковая пленка испаряется и плазма быстро расширяется, летучий слой начинает образовывать пузырь, а затем вырезается краем ствола. Летчик ускоряется вверх до тех пор, пока не достигнет баланса между сопротивлением воздуха и давлением от взрыва, и в результате оказывается на платформе. Пиковая скорость составляет 2792 м / с для мостика из медной пленки, а для (Al / PTFE) _n - 3180 м / с. / Медный пленочный мостик. Это означает, что кинетическая энергия летчиков, полученная в результате электрического взрыва, увеличивается примерно на 29,9% благодаря интеграции с наноламинатами Al / PTFE. Хотя время запуска (Al / PTFE) _n / Cu пленочный мост немного позже, чем у Cu пленочного моста, общее время ускорения весьма приблизительное. Химическая реакция наноламинатов Al / ПТФЭ соответствует электрическому взрыву перемычки из пленки Cu, и выход энергии перемычки из пленки Cu может быть увеличен, очевидно, за счет интеграции с наноламинатами Al / PTFE.

а Схематическое изображение, вид сбоку работы EFI в процессе электрического инициирования. б Кривые изменения скорости, восстановленные по сигналу PDV во время процессов электрического инициирования для Cu-пленочного мостика и (Al / PTFE) _n / Медный пленочный мост при напряжении разряда 2500 В

Выводы

Таким образом, химически активные наноламинаты Al / PTFE с периодической слоистой структурой были успешно получены с помощью магнетронного распыления. Наноламинаты Al / PTFE состояли из слоев PTFE (аморфный), слоев Al (поликристаллический) и инертных слоев (соединение Al-F) в метастабильной системе, которая могла обеспечить высокий выход энергии 3034 Дж / г. С помощью технологии MEMS наноламинаты Al / PTFE были объединены с взрывающейся фольгой Cu для создания интегрированного пленочного мостика. Химическая реакция наноламинат Al / PTFE хорошо согласуется с электрическим взрывом мостика пленки Cu. Также заметно увеличиваются температура электровзрыва и выход энергии интегрированного пленочного моста. В целом характеристики инициирования медного пленочного мостика могут быть улучшены, очевидно, за счет интеграции с наноламинатами Al / PTFE.