Al-Ni和Al-Ti納米含能薄膜材料的制備及其性能研究.pdf

1、Al/Ni、Al/Ti納米含能薄膜材料是一類新型含能材料，在外界能量激勵(lì)下可發(fā)生合金化反應(yīng)，釋放出大量的反應(yīng)熱?；诖酥苽涞募{米含能橋膜具有更高的輸出能量，可以提高換能元的點(diǎn)火能力、發(fā)火的可靠性以及火工品的安全性。本文主要研究了多層Al/Ni、Al/Ti納米含能薄膜的最佳制備工藝、化學(xué)反應(yīng)性和電爆炸特性，取得一定的研究進(jìn)展，為Al/Ni和Al/Ti含能橋膜換能元的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　利用FE-SEM對(duì)Ni、Ti薄膜表面形貌進(jìn)行

2、表征，最終確定了Ni薄膜的最佳制備工藝條件為:濺射氣壓為0.4Pa，濺射功率為150W; Ti薄膜的最佳制備工藝條件為:濺射氣壓為0.4Pa，濺射功率為150W。測(cè)得了最佳制備工藝條件下Ni和Ti薄膜的沉積速率分別約為7.6 nm·min-1和5.0 nm·min-1。
　　磁控濺射法沉積的Al/Ni納米含能薄膜表面平整，成膜顆粒均勻致密。調(diào)制周期分別為50nm、100nm和200nm的Al/Ni納米含能薄膜層狀結(jié)構(gòu)清晰。三種不同

3、調(diào)制周期的Al/Ni納米含能薄膜中的Al薄膜和Ni薄膜均為晶體結(jié)構(gòu)，Al薄膜主要沿著Al(111)晶面生長(zhǎng)，Ni薄膜主要沿著Ni(111)晶面生長(zhǎng)。Al/Ti納米含能薄膜表面也很平整，薄膜顆粒均勻致密。Al/Ti納米含能薄膜中Al薄膜主要沿著Al(111)晶面生長(zhǎng)，而Ti薄膜主要沿著Ti(110)晶面生長(zhǎng)。
　　三種調(diào)制周期的Al/Ni納米含能薄膜的DSC曲線規(guī)律相同，均出現(xiàn)了三個(gè)主要的放熱峰，對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間分別為500K-530

4、K、570K-650K和670K-730K，且每個(gè)放熱峰峰值對(duì)應(yīng)的溫度隨著調(diào)制周期的增大呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。調(diào)制周期為50nm、100nm和200nm的Al/Ni納米含能薄膜的反應(yīng)放熱量分別為389.43 J/g、396.69 J/g和409.92 J/g。反應(yīng)后的多層Al/Ni納米含能薄膜XRD測(cè)試結(jié)果表明:當(dāng)Al和Ni的原子比為1比1時(shí)，三種調(diào)制周期的多層Al/Ni納米含能薄膜的最終反應(yīng)產(chǎn)物均為AlNi，與調(diào)制周期無關(guān)。
　　采用

5、Kissinger法和Ozawa法計(jì)算得到三種調(diào)制周期的Al/Ni納米含能薄膜每個(gè)放熱峰的活化能，兩種方法得到的活化能呈現(xiàn)的規(guī)律一致，每種調(diào)制周期下Al/Ni納米含能薄膜三個(gè)放熱峰的活化能隨著峰值溫度的增大均依次升高，且不同調(diào)制周期的Al/Ni納米含能薄膜對(duì)應(yīng)的放熱峰活化能都比較接近。
　　三種調(diào)制周期的Al/Ti納米含能薄膜的DSC曲線規(guī)律也基本相同，均出現(xiàn)了兩個(gè)主要的放熱峰，對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間分別為720K-770K和950K-9

6、70K。調(diào)制周期為50nm、100nm和200nm的Al/Ti納米含能薄膜的反應(yīng)放熱量分別為457.99J/g、493.42 J/g和696.81 J/g。反應(yīng)后的XRD測(cè)試結(jié)果表明:當(dāng)Al和Ti的原子比為1比1時(shí)，三種調(diào)制周期的多層Al/Ti納米含能薄膜的最終反應(yīng)產(chǎn)物均為AlTi，與調(diào)制周期無關(guān)。
　　采用Kissinger法和Ozawa法計(jì)算得到三種調(diào)制周期的Al/Ti納米含能薄膜的活化能所呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，每種調(diào)制周期的A

7、l/Ti納米含能薄膜的第一個(gè)放熱峰的活化能均大于第二放熱峰的活化能。
　　Al/Ni和Al/Ti系列納米含能橋膜的爆發(fā)時(shí)間與電壓之間的關(guān)系規(guī)律一致，并且等離子體持續(xù)時(shí)間與電壓之間的關(guān)系也規(guī)律一致。橋膜的爆發(fā)時(shí)間隨著電壓的增大而降低，而等離子體持續(xù)時(shí)間隨著電壓的增加而增大。Al/Ni納米含能橋膜在充電電壓一定時(shí)等離子體持續(xù)時(shí)間均大于Al橋膜和Ni橋膜;Al/Ti納米含能橋膜等離子體持續(xù)時(shí)間均大于Al橋膜和Ti橋膜，且持續(xù)時(shí)間差距明顯

8、。
　　在相同的激勵(lì)電壓條件下納米含能橋膜都出現(xiàn)了劇烈的電爆炸，Al/Ni和Al/Ti納米含能橋膜的等離子體形成的時(shí)間小于Al橋膜、Ni橋膜和Ti橋膜的等離子體的形成時(shí)間，而Al/Ni和Al/Ti納米含能橋膜的電爆炸持續(xù)時(shí)間卻要長(zhǎng)于Al橋膜、Ni橋膜和Ti橋膜的電爆炸持續(xù)時(shí)間，這與伏安特性曲線得到的結(jié)論一致。三種不同調(diào)制周期的Al/Ni和Al/Ti納米含能橋膜均存在著劇烈的燃燒現(xiàn)象，高溫粒子的飛濺距離約有5mm-8mm，這種高溫粒

9、子飛散的現(xiàn)象對(duì)于實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)的隔離點(diǎn)火有非常重要的研究意義。
　　三種不同調(diào)制周期的Al/Ni納米含能橋膜的溫度均高于Al橋膜、Ni橋膜的溫度。Al/Ni納米含能橋膜在電爆時(shí)的峰值溫度都在6000K以上，且調(diào)制周期50nm的Al/Ni納米含能橋膜的峰值溫度最高約在7000K左右，比Al橋膜和Ni橋膜的峰值溫度高出50％左右。研究表明Al和Ni之間的合金化反應(yīng)對(duì)于Al/Ni納米含能橋膜的溫度提升的確具有一定的促進(jìn)作用。
　　三種