CN116136380A - 基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元及其制备方法。所述的冲击片换能元以由Ti薄膜和Al薄膜组成的Ti/Al为烧蚀层、Al2O3薄膜为绝热层、Al薄膜为飞片层，采用射频磁控溅射***进行制备。本发明的基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元与现有冲击片换能元相比，冲击片速度、冲击应力、P2r值等输出性能参数与现有冲击片换能元相比提升明显，换能效率高、输出威力大、应用前景广。

Description

基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元及其制备方法
技术领域
本发明属于火工品换能元领域，涉及一种基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元及其制备方法。
背景技术
激光冲击片起爆技术是目前最先进的起爆技术之一，相较于经典的电起爆技术，其从根本上解决了射频或静电等干扰电磁信号导致意外发火的问题。此外，激光冲击片起爆技术还具有高精度、瞬发性好等特点，起爆作用时间在微秒级，在多点同步起爆、***逻辑网格中有广阔的应用前景。基于上述特点，激光冲击片起爆技术满足现代武器***的作战需求，同时符合直列式起爆技术的要求，随着激光技术与薄膜制备技术的快速发展，该技术已成为研究热点。
最初的Al、Cu等单层冲击片换能元存在吸光系数和强度都偏低的问题，随着研究的深入，出现了Al/Al2O3/Al、Al/MgF2/Al等以烧蚀层/绝热层/飞片层为结构的复合冲击片换能元，一定程度上解决了飞片平面性和完整性的问题，但仍无法解决冲击片换能元换能效率低、输出威力小的问题。文献1(Zhang H,Wu L,Hu P,et al.Launch and impactcharacteristics of typical multi-layered flyers driven by ns-pulsed laser[J].Optics and Laser Technology,2019,120:105709.)制备了单层Al、三层Al/Al2O3/Al冲击片换能元，在61.89J·cm-2能量下测得的P2r值仅为150和450GPa2ns，表明制备的两种冲击片换能元换能效率低、无法实现有效输出。文献2(陈少杰.激光驱动复合飞片冲击起爆HNS-IV的规律和机理研究[D].南京：南京理工大学,2015.)制备的单层Al、三层Al/Al2O3/Al冲击片换能元100mJ激光能量的飞片速度分别为3000m/s和3500m/s，换能效率≯30％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种换能效率高、输出威力大的基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元，为Ti/Al/Al2O3/Al复合结构，以由Ti薄膜和Al薄膜组成的Ti/Al为烧蚀层、Al2O3薄膜为绝热层、Al薄膜为飞片层。
优选地，Ti/Al烧蚀层由厚度为0.01～0.13μmTi薄膜和0.13～0.25μmAl薄膜组成，Al2O3绝热层厚度为0.25μm，Al飞片层厚度为4.5μm；更优选为，Ti/Al烧蚀层由厚度为0.13μmTi薄膜和0.13μmAl薄膜组成。
基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元的制备方法，包括如下步骤：
(1)将洁净的铝、钛、氧化铝靶材及玻璃衬底，置于射频磁控溅射***中，待真空达到5×10-3Pa、温度达到200℃时，通入氩气流量为8SCCM，进行离子束预溅射，离子束预溅射的束流维持在60mA，偏置电流为90mA，预溅射时间5min，活化玻璃衬底，使其形成倒悬键；
(2)待本底真空达到4×10-3Pa、温度达到200℃时，在氩气流量30SCCM制备激光冲击片换能元，各靶材的溅射工艺如下表所示，制得Ti/Al/Al2O3/Al冲击片换能元，
Figure BDA0004131384650000021
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的激光能量利用率显著提高，在激光能量≯100mJ下，换能效率最高达到42％，目前业内冲击片换能元换能效率普遍≯30％(如文献1，文献2所列)，有明显提升。
(2)本发明的冲击片速度、冲击应力、P2r值等冲击片输出性能的关键参数与现有冲击片换能元相比提升明显，在激光能量≯100mJ下，冲击片速度最高达到4554m·s-1，冲击应力达到37.98GPa，P2r值达到5095.19GPa2ns，与单层Al冲击片换能元相比，P2r值最高提升约2.25倍；与业内常用的Al/Al2O3/Al冲击片换能元相比，P2r值最高提升1.88倍。
本发明制备的Ti/Al烧蚀层冲击片换能元与业内常用的冲击片性能对比表
Figure BDA0004131384650000022
附图说明
图1为Ti/Al/Al2O3/Al(2)冲击片换能元实物图；
图2为不同冲击片换能元的激光抗反射性能对比图；
图3为不同冲击片换能元的冲击片速度对比图；
图4为不同冲击片换能元的冲击片P2r值对比图；
图5为Al/Al2O3/Al、Ti/Al2O3/Al、Ti3C2/Al2O3/Al冲击片换能元的冲击片速度图；
图6为Al/Al2O3/Al、Ti/Al2O3/Al、Ti3C2/Al2O3/Al冲击片换能元的P2r值图。
图7为***起爆前后的对比图，其中(a)为起爆前三维模型图，1-固定装置，2-壳体A，3-加速膛，4-HNS-IV，5-冲击片换能元，6-药筒，7-壳体B；(b)为起爆后mCT扫描图；
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
步骤1：分别设计0.25μmAl薄膜做烧蚀层、0.25μmTi薄膜做烧蚀层、由0.01μmTi薄膜和0.25μmAl薄膜组成的Ti/Al烧蚀层、由0.13μmTi薄膜和0.13μmAl薄膜组成的Ti/Al烧蚀层，绝热层为0.25μm的Al2O3、飞片层为4.5μm的Al，分别记做Al/Al2O3/Al冲击片换能元、Ti/Al2O3/Al冲击片换能元、Ti/Al/Al2O3/Al(1)冲击片换能元、Ti/Al/Al2O3/Al(2)冲击片换能元。
步骤2：准备好铝、钛、氧化铝靶材及K9玻璃衬底，将K9玻璃衬底依次经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗30分钟，将上述的靶材及K9玻璃衬底置入射频磁控溅射***；
待真空达到5×10-3Pa、温度达到200℃时，通入氩气流量为8SCCM，进行离子束预溅射，离子束预溅射的束流维持在60mA左右，偏置电流为90mA，预溅射时间5min，活化K9玻璃衬底，使其形成倒悬键。
待本底真空4×10-3Pa、温度达到200℃时，在氩气流量30SCCM制备激光冲击片换能元，各靶材的溅射工艺如下表1所示，分别制得不同薄膜组成的烧蚀层构建的冲击片换能元。
表1各靶材的磁控溅射工艺
Figure BDA0004131384650000031
Figure BDA0004131384650000041
图1为Ti/Al/Al2O3/Al(2)冲击片换能元的实物图。
采用光谱仪测试***、光子多普勒测试***、一维非均相***临界起爆判据对上述冲击片性能进行评价，结果如图2-4所示。在激光能量≯100mJ内，Al/Al2O3/Al冲击片速度最高为3217m·s-1，冲击应力最高为25.28GPa，P2r值最高为1732.09GPa2ns；Ti/Al2O3/Al冲击片速度最高为4089m·s-1，冲击应力最高为32.25GPa，P2r值最高为3177.81GPa2ns，优于传统的Al/Al2O3/Al冲击片；在激光辐照达到92.7mJ时，Ti3C2/Al2O3/Al冲击片速度最高为3842m·s-1，冲击应力最高为29.08GPa，P2r值最高为2462.40GPa2ns，优于传统的Al/Al2O3/Al冲击片。Ti/Al/Al2O3/Al(1)冲击片换能元在1064nm的激光吸收率为37.4％，冲击片速度最高达到4135m·s-1，冲击应力最高为33.26GPa，P2r达到3330.81GPa2ns；Ti/Al/Al2O3/Al(2)冲击片换能元在1064nm的激光吸收率63.5％，达到纯Ti烧蚀层的92.4％，冲击片速度最高达到4554m·s-1，冲击应力最高为37.98GPa，P2r达到5095.19GPa2ns，相较于Ti/Al2O3/Al冲击片换能元体系分别提升约12.9％、28.7％、70.0％，Ti/Al/Al2O3/Al(2)冲击片换能元的输出性能为四种冲击片换能元中最优，在换能效率、输出威力上优于Ti/Al2O3/Al、Al/Al2O3/Al等传统冲击片换能元。
表2三种冲击片换能元的性能数据
Figure BDA0004131384650000042
上述三种换能元在不同能量下的冲击片最终速度与P2r值如图5-6所示，在10-100mJ下，上述三种换能元在冲击片速度、P2r值等影响冲击片输出威力的关参数均弱于Ti/Al/Al2O3/Al(2)冲击片换能元。
图7为采用Ti/Al/Al2O3/Al(2)冲击片换能元成功发火前后的***对比图，***壳体A进光口出现明显扩孔效应，进光口由2mm锥形孔扩散至4.5mm通孔，冲击片换能元、加速膛、壳体B等组件被完全炸碎，证实本发明制备的高换能效率的冲击片换能元可以成功引爆HNS-IV，并实现了有效输出，可以用于激光冲击片火工品。

Claims (4)

1.基于Ti/Al烧蚀层的冲击片换能元，其特征在于，为Ti/Al/Al2O3/Al复合结构，以由Ti薄膜和Al薄膜组成的Ti/Al为烧蚀层、Al2O3薄膜为绝热层、Al薄膜为飞片层。
2.根据权利要求1所述的冲击片换能元，其特征在于，Ti/Al烧蚀层由厚度为0.01～0.13μmTi薄膜和0.13～0.25μmAl薄膜组成，Al2O3绝热层厚度为0.25μm，Al飞片层厚度为4.5μm。
3.根据权利要求1所述的冲击片换能元，其特征在于，Ti/Al烧蚀层由厚度为0.13μmTi薄膜和0.13μmAl薄膜组成。
4.根据权利要求1～3任一所述的冲击片换能元的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将洁净的铝、钛、氧化铝靶材及玻璃衬底，置于射频磁控溅射***中，待真空达到5×10-3Pa、温度达到200℃时，通入氩气流量为8SCCM，进行离子束预溅射，离子束预溅射的束流维持在60mA，偏置电流为90mA，预溅射时间5min，活化玻璃衬底，使其形成倒悬键；
(2)待本底真空达到4×10-3Pa、温度达到200℃时，在氩气流量30SCCM制备激光冲击片换能元，各靶材的溅射工艺如下表所示，制得Ti/Al/Al2O3/Al冲击片换能元，
Figure FDA0004131384640000011
/>
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