Ti/B多層結構含能點火元件的制備與表征

王麗玲，王 亮，蔣小華，何 碧，尹強，朱和平

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

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

20 世紀80 年代以來德國、瑞典等國利用物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)技術研制了多種以金屬復合薄膜橋為發火元件的點火器和雷管。如瑞典Sven-Erik 等人申報的美國專利US4335653 和4409898 介紹了電磁輻射和雜電鈍感的金屬復合膜橋點火器［2］。20 世紀90 年代，美國科學家們便設計了一種基于反應多層膜的含能橋電爆裝置［3］。英國皇家軍械研究院和標準電信試驗有限公司聯合研制了一種雙層金屬薄膜橋雷管，其特點是發火安全可靠，作用時間快。

由于含能橋點火能力強，藥劑與含能橋之間可以有一定間隙空腔，可以實現隔離點火，在這個空腔點火通道中可以實現基于MEMS 的微安保系統。藥劑與含能橋不直接接觸，就不會存在傳統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勢。復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到的。另外還可望在復合含能橋上通過對橋膜結構的設計形成一個類似二極管的結構達到釋放靜電的作用，防止靜電引起的意外起爆，大大提高了火工品的安全性［4］。由于復合含能橋的發火特點，其點火能力較強，有望使用感度較低的點火藥、增加火工品的安全性，甚至能減化點火裝置的結構，減小現有點火系統的體積。由于復合含能橋組成的電爆裝置可以利用微電子集成技術，提高了產品的可靠性，批量生產降低了成本。它將對軍用和民用火工品發展以及相關系統的發展產生巨大影響，并對火工品應用領域的拓寬起到推動作用。

1 試驗方法

本文選用含能橋的2 種材料為硼和金屬鈦。基底采用玻璃電極塞，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的SAJS-500 型多靶磁控濺射儀上進行，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℃。

含能橋結構設計如圖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。點火器設計如圖2所示，采用點火藥為BNCP 藥柱。

圖1 含能橋結構

圖2 含能橋點火元件

2 試驗結果及討論

對多層含能薄膜進行了XRD 圖譜測試，如圖3 所示，在2θ 值35.1°、38.2°和52.6°分別對應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的單質狀態，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構，可以清楚地看到多層連續結構。從含能橋表面形貌可以看出，形成了致密的島狀結構，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，未發火，5 A 條件下發火，并用HS4540MX12 高速運動記錄系統記錄下來含能橋發火過程，如圖5 所示，可以看到火花飛濺的現象，火花甚至可以達到30 mm 左右。這是由于含能橋在熱能刺激下，快速發生反應2B+Ti→TiB2+5.52 J/mg［4］，反應生成的高溫產物飛濺，形成火花。對比發火前后的照片圖6 可以看出，發火后兩電極之間部分都已經反應。

圖5 含能橋發火過程照片

圖6 含能橋發火前后照片

為了驗證含能橋的點火性能，進行了含能橋點火試驗，BNCP 藥柱尺寸為Φ3.4mm ×2mm，質量為35 mg，密度約為1.9 g/cm3。5 A 條件下成功實現了隔離0.1 mm 的空腔點火，作用時間小于100 μs，點火過程電壓曲線如圖7 所示。

圖7 隔離0.1 mm 點火電壓曲線

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

3 結束語

采用磁控濺射方法制備硼鈦復合含能橋。通過含能橋斷面和表面形貌觀察，可以看到Ti 和B 的連續交互層。用HS4540MX12 高速攝像系統記錄下來含能橋發火過程，火花濺射距離可達到30 mm 左右。進行了含能橋對BNCP 藥柱的點火試驗，成功實現0.1 mm 距離隔離點火，并且在含能橋與藥柱之間用厚度0.02 mm 的聚酯薄膜隔離時也成功點火。試驗證明含能橋具有較強的點火能力，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.