CN107345781A

CN107345781A - 一种含能复合薄膜激光飞片换能元

Info

Publication number: CN107345781A
Application number: CN201610298991.5A
Authority: CN
Inventors: 吴立志; 姚艺龙; 沈瑞琪; 叶迎华; 朱生华; 胡艳; 朱朋; 张伟
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2017-11-14

Abstract

本发明公开了一种含能复合薄膜激光飞片换能元，包括依次连接的K9玻璃基片、纳米含能复合薄膜、Al₂O₃隔热层、Al飞片层，所述的纳米含能复合薄膜为CuO‑Al纳米含能复合薄膜，其底层薄膜为CuO薄膜，底层薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且底层薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。本发明采用的纳米含能复合薄膜具有放热量高、反应速率快等特点，可提高换能元的点火能力，制得的激光飞片换能元技术具有飞片速度高、装置简单、成本低等优点。

Description

一种含能复合薄膜激光飞片换能元

技术领域

本发明涉及激光火工品的基础部件技术领域，特别是涉及一种纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元。

背景技术

随着战场电磁环境和武器内部电磁兼容环境的不断恶化，常规的金属桥丝电火工品越来越显露出其弊端，并且造成了大量的意外发火事故。无线电技术在生活中的广泛应用，也增加了电火工品在生产、储存和运输中的危险性。另外，自然界的放电，如闪电等也容易引起电火工品的意外事故。这些不安全的因素绝大部分是由于电火工品本身结构的缺陷造成，即当外界电磁场较强时，很容易在桥丝和脚线中产生电流，从而引发药剂意外点火***。通过使用光纤代替导线而实现含能材料与电***的隔离，即能从根本上解决火工品电磁干扰能力。因此，自激光器诞生以来，激光点火与起爆技术就成为国内外重点的研究方向。

高能***的激光起爆通常有三种形式：第一种是激光直接与高能***作用；第二种是激光通过***表面的薄金属膜的快速加热作用，其激光能量使用效率较低，不适合作起爆之用；第三种就是激光驱动飞片冲击起爆高能***。由于激光传输效率和利用效率较低，制约着激光驱动飞片冲击起爆***实现真正的实用化和工程化，优化激光参数、改进飞片性能是实现激光冲击片***小型化、实用化和工程化必须解决的问题。相比较单层飞片在激光驱动过程中容易被高温熔化，其最终冲击作用大为减弱，复合结构飞片无论是在飞片速度还是在完整性方面均优于单膜飞片。复合飞片由4种结构组成：能量吸收层、烧蚀层、隔热层以及冲击层。能量吸收层提供对激光能量的初始吸收；烧蚀层用于产生高温高压等离子体，从而驱动剩余飞片加速出去；隔热层用来延迟热扩散效应。高温高压等离子体作为激光驱动飞片的动力源，研究其主要特性有助于更深入地认识等离子体在驱动飞片中的作用。而烧蚀层材料是产生等离子体的来源，研究烧蚀层材料，有助于优化高温高压等离子体，从而提高飞片性能。选择合适的材料作为复合飞片的烧蚀层，成为改善激光烧蚀产生等离子体性能、提高飞片速度的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全性高、点火能力强的纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种含能复合薄膜激光飞片换能元，包括依次连接的K9玻璃基片、纳米含能复合薄膜、Al₂O₃隔热层、Al飞片层。

所述的纳米含能复合薄膜为CuO-Al纳米含能复合薄膜、MoO₃-Al纳米含能复合薄膜、MnO2-Al纳米含能复合薄膜或TiO2-Al纳米含能复合薄膜，其中，纳米含能复合薄膜的底层薄膜为CuO薄膜、MoO₃薄膜、MnO2薄膜或TiO2薄膜，底层薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且底层薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。

一种含能复合薄膜激光飞片换能元的制备方法，采用真空磁控溅射法在所述K9玻璃基片上先沉积底层薄膜，接着沉积Al薄膜，交替沉积，得到所述的纳米含能复合薄膜，再在纳米含能复合薄膜上沉积Al₂O₃隔热层薄膜，最后将Al飞片层沉积在Al₂O₃隔热层上。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）激光飞片换能元技术具有飞片速度高、装置简单、成本低等传统动高压加载技术无法取代的优点；（2）使用激光点火实现含能材料与电***的隔离，即能从根本上解决火工品电磁干扰能力；（3）纳米含能复合薄膜具有放热量高、反应速率快等特点，可提高换能元的点火能力。

附图说明

图1是CuO-Al纳米含能复合薄膜示意图。

图2是含能薄膜激光飞片换能元结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

以CuO-Al纳米含能复合薄膜为例，CuO-Al是放热量最高的铝热剂之一，其理论反应热可达4KJ/g。当采用CuO-Al反应性复合薄膜代替传统的金属Al薄膜作为烧蚀层时，能有效利用反应性烧蚀层材料间化学反应所释放的大量能量，在同样的激光能量作用下，产生的等离子压力和温度更高，进而提升飞片最终速度。另一方面， CuO-Al等反应性复合薄膜代替金属Al箔，则在实现相同的飞片驱动效果时，可降低对输入能量的要求，这对于推动激光驱动飞片冲击起爆技术发展具有重要意义。CuO-Al复合薄膜调制周期为400nm，调制比为0.2:0.2，薄膜热分析表明： CuO-Al复合薄膜DTA热分析有两个放热峰，第一个放热峰出现在630℃左右，第二个放热峰出现在870℃左右；总放热量为1236J/g 。激光脉冲能量一定时，延迟时间在0.68μs～3μs范围内，CuO-Al复合薄膜等离子体电子温度随着延迟时间的增大而先增加后降低，电子温度在延迟时间1.68μs左右达到最大；随后CuO-Al复合薄膜等离子体电子密度随着延迟时间的增大而降低。延迟时间恒定为1.68μs时，激光脉冲能量在108.6mJ～174mJ范围内，CuO-Al复合薄膜等离子体电子温度都是随着激光脉冲能量的增大而增大；激光脉冲能量在174mJ～273.6mJ范围内，复合薄膜等离子体电子温度随着激光脉冲能量的增大而降低。当延迟时间恒定为1.68μs、激光脉冲能量为174mJ时，等离子体电子温度平均值9029K。

复合飞片中加入隔热层可以有效地阻止热传导，增加等离子体高温持续时间以便提高压力，从而提高飞片速度和激光能量转化率。复合飞片中Al₂O₃隔热层存在一个最佳膜厚，高于该最佳膜厚，复合飞片峰值速度不增反减。激光能量密度为12.2J/cm²时，隔热层从0.5μm增至0.6μm时，飞片速度提高16%，这是因为隔热层屏蔽、防护作用起到了一定效果。隔热层从0.6μm增至0.8μm，由于Al₂O₃密度大于Al密度，飞片质量增加了2%，飞片速度因质量增加而降低4%，选用0.6μmAl₂O₃隔热层可以防止Al飞片被侵蚀，增强了飞片的稳定性，延长等离子体的作用时间，增强对飞片的加速能力。

实施例 1

本实施例提供CuO-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元制备过程：

以K9玻璃为基底，利用磁控溅射装置制备飞片步骤如下：

（1）准备K9玻璃基片样品，检查冷却循环管道和电源状况；

（2）开真空室通气阀，打开真空室，打磨靶头金属罩和绝缘环，用吸尘器清洁真空室尘埃，更换激光冷水机循环水，安装靶材和基片样品，关闭通气阀，关真空室；

（3）开激光冷水机，开镀膜机总电源；

（4）开机械泵电源，同时打开旁抽2、开真空计，对真空室抽真空；开束流、屏级电压、MJ50-2J型流量显示仪、分子泵总电源、射频功率源进行预热；

（5）当真空计示数达到8Pa时，关旁抽2，开旁抽1，开分子泵，稍后开闸板阀，抽极限真空；

（6）当真空度到5.0×10-3Pa以下，真空计调为手动，开氩气瓶，给真空室通纯度为99.99％的高纯Ar气，质量流量控制在8.0SCCM；

（7）离子束流清洗基片：依次调节加速电压200V、阳极电压60V、屏极电压400V、阴极电压12V，使束流在稳定至60mA。离子束流主要有两个目的：一是利用高能氩离子轰击硅基底，进一步去除硅片表面杂质、污物，清洁硅片；二是在硅片表面形成悬挂键，以利于后续成膜；

（8）清洗5分钟后，按反向顺序依次将各表指针归零；

（9）调节Ar气的质量流量至30 SCCM，真空计调回自动；

（10）调节闸板阀使真空度至8Pa，开射频功率源，扳动射频功率源旋钮至所需功率档位，起辉，调节C1、C2旋钮，使反功率最小；

（11）调节闸板阀使真空度至0.4Pa，针对不同的靶材设置预溅射时长，除去靶材上的杂质。然后手动旋转K9基底至靶材正上方，开始镀膜。首先，将K9基底旋转至CuO靶材正上方，沉积66nm的 CuO薄膜（6），然后将K9基底旋转至Al靶材正上方，在CuO薄膜上沉积66nm的Al薄膜（5），CuO薄膜和Al薄膜一次交替沉积3次，最终制备厚度为400nm的CuO-Al含能复合含能薄膜如图1。将制备好的CuO-Al含能复合含能薄膜旋转至Al₂O₃靶材，制备厚度为0.5μm Al₂O₃隔热层；最后将Al₂O₃隔热层旋转至Al靶材，沉积厚度为3μm的Al隔热层，制备出激光飞片换能元，如图2所示。

（12）镀膜结束，关射频电源，关Ar气，关闸板阀，待分子泵转速降低至0时关闭分子泵电源；

（13）关旁抽1，关机械泵，关真空计，然后关镀膜机总电源，关激光冷水机。

该激光飞片能元可应用于激光***单点起爆，也可与火工品其他部件集成，实现点火、传爆功能。采用光子多普勒测速法测试CuO-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元飞片速度，当激光能量密度为28.3J/cm²时，飞片速度为6000m/s。

实施例 2

本实施例提供MnO2-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元制备过程：

MnO2-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元制备以K9玻璃为基底，制备步骤同实施实例1。MnO2-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元中MnO2-Al纳米含能复合含能薄膜厚度为400nm，MnO2薄膜和Al薄膜交替沉积，厚度均为66nm；Al₂O₃隔热层厚度为500nm，Al飞片层厚度为3μm。

该激光飞片能元可应用于激光***单点起爆，也可与火工品其他部件集成，实现点火、传爆功能。采用光子多普勒测速法测试MoO₃-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元飞片速度，当激光能量密度为28.3J/cm²时，飞片速度为4500m/s。

实施例 3

本实施例提供TiO2-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元制备过程：

TiO2-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元制备以K9玻璃为基底，制备步骤同实施实例1。TiO2-Al纳米含能复合含能薄膜

激光飞片换能元中TiO2-Al纳米含能复合含能薄膜厚度为400nm，TiO2薄膜和Al薄膜交替沉积，厚度均为66nm；Al₂O₃隔热层厚度为500nm，Al飞片层厚度为3μm。

该激光飞片能元可应用于激光***单点起爆，也可与火工品其他部件集成，实现点火、传爆功能。采用光子多普勒测速法测试TiO2-Al纳米含能复合含能薄膜激光飞片换能元飞片速度，当激光能量密度为28.3J/cm²时，飞片速度超过6000m/s。

Claims

1.一种含能复合薄膜激光飞片换能元，其特征在于，包括依次连接的K9玻璃基片、纳米含能复合薄膜、Al₂O₃隔热层、Al飞片层。

2.如权利要求1所述的含能复合薄膜激光飞片换能元，其特征在于，所述的纳米含能复合薄膜为CuO-Al纳米含能复合薄膜，其底层薄膜为CuO薄膜，底层薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且底层薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。

3.如权利要求1所述的含能复合薄膜激光飞片换能元，其特征在于，所述的纳米含能复合薄膜为MoO₃-Al纳米含能复合薄膜，其底层薄膜为MoO₃薄膜，底层薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且底层薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。

4.如权利要求1所述的含能复合薄膜激光飞片换能元，其特征在于，所述的纳米含能复合薄膜为MnO2-Al纳米含能复合薄膜，其底层薄膜为MnO2薄膜，底层薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且底层薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。

5.如权利要求1所述的含能复合薄膜激光飞片换能元，其特征在于，所述的纳米含能复合薄膜为TiO2-Al纳米含能复合薄膜，其底层薄膜为TiO2薄膜，底层薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且底层薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。

6.如权利要求1-5任一所述的含能复合薄膜激光飞片换能元的制备方法，其特征在于，采用真空磁控溅射法在所述K9玻璃基片上先沉积底层薄膜，接着沉积Al薄膜，交替沉积，得到所述的纳米含能复合薄膜，再在纳米含能复合薄膜上沉积Al₂O₃隔热层薄膜，最后将Al飞片层沉积在Al₂O₃隔热层上。