Энергетическая сверхрешетка Al / Ni как генератор микроплазмы с превосходными характеристиками

Введение

Реактивные многослойные фольги (RMF) содержат накопленную химическую энергию в виде слоистых структур, которые подвергаются быстрому высвобождению энергии при стимуляции внешним источником энергии [1,2,3,4,5]. Скорость реакции и температура этих фольг тесно связаны с составом и геометрией [6,7,8,9]. Они подходят для сварки материалов [10,11,12], инициирования взрывов [13,14,15] и биологической нейтрализации [16].

Среди множества существующих RMF, Al / CuO [17], Al / MoO ₃ [18], Al / PTFE [19], B / Ti [20] и Al / Ni [21, 22] изучены наиболее широко. Al / Ni RMF демонстрируют превосходство благодаря высокой теплоте реакции (330 кал / г), выдающемуся качеству изготовления и экономической эффективности. Было проведено множество работ для выявления термодинамических свойств и экзотермических характеристик самоподдерживающихся реакций Al / Ni RMFs [23,24,25,26]. Результаты подразумевают, что характеристики реакции (например, максимальная температура сгорания, время задержки сгорания) Al / Ni RMFs сильно зависят от их толщины двухслойного слоя [27]. RMF с более тонкими бислоями имеют увеличенные площади межфазного контакта топливо / окислитель и уменьшенные средние расстояния диффузии атомов, чтобы способствовать инициированию химической реакции [28]. Между тем скорость реакции и температура увеличиваются по мере уменьшения толщины бислоя. Однако, когда толщина двухслойного слоя RMF составляет менее 20 нм, обнаруживается противоположная тенденция из-за большой степени перемешивания областей [29].

Когда двухслойная толщина Al / Ni RMF уменьшается до молекулярного или субнанометрового масштаба, образуется энергетическая сверхрешетка Al / Ni. Энергичная сверхрешетка Al / Ni демонстрирует уникальные свойства химической реакции из-за чрезвычайно коротких расстояний между реагентами и относительно большой области перемешивания. Химическая реакция энергетической сверхрешетки Al / Ni была охарактеризована различными методами (дифференциальная сканирующая калориметрия [29], просвечивающая электронная микроскопия [30] и рентгеновская микродифракция с временным разрешением [31]), чтобы лучше понять механизм химической реакции. Результаты показали, что метастабильная фаза не образуется в сверхрешеточной структуре из-за ее чрезвычайно малого диффузионного расстояния [32].

Были проведены обширные работы по изучению характеристик горения и химического механизма энергетической сверхрешетки Al / Ni. Однако отсутствуют отчеты об электрических свойствах и характеристиках плазмы на основе энергетической сверхрешетки Al / Ni при дополнительном электрическом воздействии. В данной работе высокоэнергетическая сверхрешетка Al / Ni была нанесена на Al ₂ О ₃ подложки с помощью магнетронного распыления и структурированные путем влажного травления для формирования генератора плазмы. Были подробно исследованы электрические характеристики и характеристики плазмы генератора при электростимуляции.

Экспериментальные методы

Образцы энергичной сверхрешетки Al / Ni были изготовлены путем попеременного нанесения слоя, состоящего из Al и Ni, на Al ₂ О ₃ подложки из мишеней Ni (99,99 мас.%) и Al (99,99 мас.%). Базовое давление камеры осаждения составляло 5 × 10 ⁻⁵ Па, и распыление проводилось с технологическим газом Ar при давлении 0,8 Па. Слой Al и Ni был нанесен при 90 Вт. При указанных выше условиях осаждения скорость осаждения для Al и Ni составляла около 15 нм / мин и 10 нм. / мин соответственно. Толщина двухслойной осажденной энергетической сверхрешетки Al / Ni составляла около 25 нм, а общая толщина составляла около 4 мкм. Каждый бислой состоял из слоя Al и слоя Ni с соотношением толщин 3:2 для поддержания общего атомного соотношения 1:1. В качестве образцов сравнения также были нанесены ПМП Al / Ni с толщиной бислоя 500 нм. Слой меди толщиной 20 нм был нанесен на образцы, чтобы обеспечить хорошее прилегание к керамической пробке.

Процесс изготовления микроплазменного генератора был основан на технике MEMS, как показано на рис. 1. Во-первых, 4 дюйма толщиной 0,5 мм. Аль ₂ О ₃ Субстрат очищали ацетоном, спиртом и деионизированной водой в ультразвуковой ванне в течение 5 мин соответственно. Во-вторых, подложки сушили в сушильном шкафу в течение 30 мин при 100 ° C. В-третьих, подложки фиксировались на держателе образцов, а загрязнения с их поверхности удалялись кислородной плазмой. Затем на поверхность Al ₂ была нанесена энергичная сверхрешетка Al / Ni. О ₃ субстрат. Затем положительный фоторезист (AZ5214E) был нанесен центрифугированием на поверхность осажденных образцов при 5000 об / мин в течение 60 с и предварительно запечен в печи в течение 90 с при 100 ° C. После этого на образцы был нанесен рисунок и они подверглись воздействию ультрафиолетового излучения с интенсивностью 16 мДж / см ² . . Позже образцы проявили в растворе NaOH. Образцы снова запекали при 120 ° C для стабилизации рисунка фоторезиста. Наконец, образцы были протравлены для образования перемычки-бабочки в растворе Al травителя (Al травитель типа A, Transene Company, Данверс, Массачусетс) при 30 ° C. Образцы с рисунком были разрезаны на несколько отдельных чипов, а оставшийся фоторезист был удален в ацетоне. Наконец, микросхема была собрана в керамическую заглушку для формирования плазменного генератора.

Процесс изготовления микроплазменного генератора

Поперечное сечение плазменного генератора охарактеризовано методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Затем микроплазменный генератор стимулировался с помощью генератора сильного импульсного тока (0,22 мкФ, 2900–4100 В), и формы вольт-амперных сигналов измерялись с помощью пояса Роговского и высоковольтного зонда, которые регистрировались осциллографом. . Тем временем образование плазмы регистрировалось высокоскоростной камерой (SIM, SIL3001-00-H06). Время экспозиции сверхскоростной камеры составляло 10 нс, а интервал времени каждого кадра составлял около 20–50 нс. Кроме того, интенсивность генерирующего света измерялась фотодиодом. Базовая задержка при тестировании между генератором сильных импульсов, сверхскоростной камерой и осциллографом контролировалась цифровым генератором задержки (DG535), который показан на рис. 2.

Схема испытаний микроплазменного генератора

Кроме того, характеристики генератора микроплазмы были охарактеризованы путем тестирования его способности управлять каптоновым летательным аппаратом толщиной 30 мкм. На плазменный генератор подавался короткий импульс тока, что вызвало быстрый взрыв моста-бабочки (0,4 × 0,4 мм), что, в свою очередь, заставило летчика разогнаться до скорости до нескольких километров в секунду [33,34,35] . Скорость полета летчика была зафиксирована с помощью фотонной доплеровской велосиметрии (PDV).

Результаты и обсуждение

На рисунке 3а показано поперечное сечение ПЭМ-изображения в светлом поле энергичной сверхрешетки Al / Ni, которое указывает на периодическую структуру, состоящую из бислоев Al и Ni с контролируемой толщиной, причем различные слои можно легко различить. Далее выполняется дифракция электронов на выбранной площади (SAED), как показано на рис. 3b, c. Яркое изображение соответствует слою Al, а темное изображение - слою Ni. Толщина бислоя составляет около 25 нм, он состоит из слоя Al толщиной около 15 нм и слоя Ni толщиной 10 нм. Кольца дифракции указывают на хорошо выраженную поликристаллическую структуру слоя Ni и Al. На рисунке 3d показано поперечное сечение ПЭМ-изображения в светлом поле многослойных слоев Al / Ni с толщиной бислоя 500 нм.

а Поперечное сечение энергетической сверхрешетки Al / Ni в светлопольном электронном микроскопе. б Электронограмма от слоя Ni. c Электронограмма от слоя Al. г Поперечное сечение просвечивающего электронного микроскопа в светлом поле, состоящее из сплава алюминия и никеля

На рисунке 4a показаны зависимости напряжения, тока, интенсивности света и энергии энергичной сверхрешетки Al / Ni, заряженной до 3,5 кВ. При изменении напряжения тока наблюдаются пики тока и напряжения. Когда импульс тока подается на материалы сверхрешетки Al / Ni, пленка локально нагревается из-за эффекта Джоуля, что приводит к быстрому повышению температуры, соответствующему увеличению напряжения на мосту [36, 37]. В конце концов, напряжение увеличивается достаточно сильно, чтобы вызвать падение тока, где сопротивление достигает максимума. Испаренный и ионизированный материал образует новый путь с низким сопротивлением, заставляя напряжение падать до нуля вместе с током разряда до максимального значения.

а Эволюция вольт-амперной характеристики и интенсивности светового излучения для сверхрешетки Al / Ni с энергией при первоначально заряженном накопительном конденсаторе 3,5 кВ. б Поперечные изображения динамических процессов сверхскоростной камерой

На рисунке 4b показана эволюция плазмы в сверхрешетке Al / Ni с высокой энергией, захваченная сверхскоростной камерой. Очевиден процесс джоулева нагрева, испарения, образования и расширения плазмы. Согласно рис. 4 наблюдается размытый свет, а напряжение и ток медленно растут, что указывает на процесс джоулева нагрева (≤ 168 нс). На 218 нс напряжение внезапно увеличивается, в то время как излучаемый свет отчетливо виден, а площадь света почти равна площади перемычки-бабочки. Это соответствует процессу испарения энергичной сверхрешетки Al / Ni. Когда напряжение достигает максимума при 258 нс, происходит взрыв, связанный с образованием плазмы, сопровождаемый интенсивным светом. После взрыва расширение плазмы по направлению к окружающей среде может вызвать ударную волну. Частицы продукта, которые существовали при горении RMF Al / Ni, не наблюдаются в этом исследовании, подразумевая, что взрыв энергичной сверхрешетки Al / Ni является однородным при сильном импульсном токе [38]. Следовательно, время пика напряжения можно рассматривать как время задержки ( T _b ) (между началом импульса тока и сигналом пика напряжения). Энергия, поглощенная образцом в течение этого времени задержки, считается критической энергией взрыва ( E _c ). Отметим, что точка начала интенсивности излучения света соответствует пику напряжения (258 нс). Сигнал интенсивности светового излучения практически невозможно обнаружить из-за слабого света перед взрывом.

Результаты T _b и E _c получены путем интегрирования электрических вольт-амперных кривых при различном зарядном напряжении в диапазоне от 2900 до 4100 В, как показано на рис. 5a. Как показано на рис. 5a, T _b уменьшается с увеличением зарядного напряжения. Согласно изображению на вставке на рис. 5а, максимальный ток достигает примерно 2572 А при 4100 В, тогда как пик тока достигает 1870 А при 2900 В. Показано, что подвод электрической энергии в единицу времени энергичной сверхрешетки Al / Ni составляет увеличивается с увеличением зарядного напряжения. Таким образом, время задержки при более низком зарядном напряжении намного больше по сравнению с высокими зарядными напряжениями. Однако для E _c значений, он демонстрирует усиленную тенденцию с увеличением напряжения заряда, подразумевая, что больше электрической энергии поглощается до точки взрыва при 4100 В для энергичной сверхрешетки Al / Ni по сравнению с таковой при 3500 и 2900 В, что можно отнести к взрывная неоднородность под действием электрического импульса. Когда сильноточный импульс прикладывают к сверхрешетке Al / Ni с высокой энергией, температура четырех углов намного выше, чем температура других секций, что приводит к взрыву за более короткое время, как показано на рис. 5b. Разница между взрывающимися участками уменьшается с увеличением зарядного напряжения. Таким образом, электрический взрыв энергичной сверхрешетки Al / Ni кажется более однородным при 4100 В, чем при более низких напряжениях заряда, учитывая высокое напряжение взрыва и электрическую энергию.

а Экспериментальные результаты времени взрыва и критической энергии взрыва при зарядных напряжениях от 2900 до 4100 В для энергичной сверхрешетки Al / Ni. б Изображения динамических процессов в энергетической сверхрешетке Al / Ni с направлением на сверхскоростную камеру

На рис. 6а показаны скорости полета при расширении плазмы при зарядных напряжениях от 2900 до 4100 В для сверхрешетки Al / Ni с высокой энергией. После того, как электрический импульс нагружен на сверхрешетку, давление расширяющейся плазмы ускоряет летун от поверхности образца, заставляя часть летучего оторваться и продолжить ускорение. Как и ожидалось, скорость полета увеличивается с увеличением зарядного напряжения. При зарядном напряжении 4100 В максимальная скорость полета составляет более 3 км / с, что значительно выше, чем пиковое значение, полученное при зарядном напряжении 3500 В. Когда зарядное напряжение снижается до 2900 В, скорость полета составляет около 2,3 км / с.

а Кривые скорости полета для различных уровней напряжения заряда конденсатора, приложенного к сверхрешетке Al / Ni с высокой энергией. б Скорость полета для энергичной сверхрешетки Al / Ni и RMF Al / Ni с зарядным напряжением от 2900 до 4100 В

Скорость полета пилота измерялась три раза при каждом зарядном напряжении, а максимальная скорость пилота усреднялась, как показано на рис. 6b. Результаты показывают, что максимальная скорость полета образца RMF намного ниже, чем у энергетических сверхрешеточных структур. Энергетическая модель Герни вводится для согласования разной электрической энергии и отношения масс летучего к слою между образцами [39, 40]. Окончательная скорость полета прогнозируется согласно:

где M масса летательного аппарата, B - масса, из которой исходит энергия плазмы для ускорения, а E _g энергия, приходящаяся на единицу массы, поступающая в систему. К , n - это фактор Герни, который определяется составом и геометрией фольги. Дж _b - плотность тока электрического взрыва. В данном случае образцы имеют одинаковые отношения масс летучего слоя к слою и фактор Герни из-за одинаковой толщины, общей толщины и геометрии бислоя. Скорость полета связана с электрической энергией, подаваемой в систему ( E _g ), которая рассчитывается по плотности тока взрыва.

По результатам наших экспериментов плотность взрывного тока в РМП Al / Ni выше, чем в сверхрешетке. В соответствии с энергетической моделью Герни, конечная скорость полета Al / Ni RMFs должна иметь более высокое значение по сравнению с образцами, интегрированными с энергичной сверхрешеткой Al / Ni. Но предсказанные результаты не согласуются с экспериментальными данными (рис. 6b). Напротив, экспериментальные результаты со сверхрешеткой демонстрируют более высокую скорость полета из-за контрастных RMF. Приращения кинетической энергии летуна подтверждают, что на химическую энергию, генерируемую в результате реакции между Al и Ni, влияет плазменный процесс для энергичной сверхрешетки Al / Ni. Выделение тепла связано с высокой ионизацией сверхрешетки во время процесса образования плазмы, что приводит к быстрой скорости расширения плазмы.

Выводы

В этой работе энергичная сверхрешетка Al / Ni была изготовлена ​​путем попеременного нанесения слоя Al и Ni на поверхность Al ₂ . О ₃ керамические подложки методом магнетронного распыления, охарактеризованные методом просвечивающей электронной микроскопии. Были исследованы электрические характеристики и характеристики плазмы на основе сверхрешетки Al / Ni с высокой энергией при дополнительном электрическом воздействии, которая была интегрирована в качестве генератора микроплазмы. Интегрированный микрогенератор продемонстрировал замечательное явление электрического взрыва, что привело к генерации плазмы в короткие сроки. Выходы плазмы, отраженные летательными аппаратами, были выше, чем у более толстого бислоя из 500 нм многослойного Al / Ni. Энергетическая модель Герни подтвердила, что химическая реакция структуры сверхрешетки Al / Ni участвует в генерации плазмы по сравнению с RMF Al / Ni. В целом, микроплазменный генератор на основе сверхрешетки Al / Ni с высокой энергией демонстрирует превосходные характеристики с высокой выходной мощностью плазмы, тем самым улучшая преобразование электрической энергии и надежность системы. Следовательно, существует большая перспектива применения высокоэнергетической сверхрешетки Al / Ni на микро- или наноплазменных инициаторах для выполнения специальной функции.

Сокращения

RMF:

Реактивные многослойные пленки

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия