DE3744876C1 - Pyrotechnische Kette - Google Patents

Abstract

Eine mikropyrotechnische Kette wird aus einem reaktiven Laminat hergestellt, das aus mehreren dünnen Schichten von Elektroakzeptormaterial (9) und Elektrodonatormaterial (10) besteht, die alternativ auf eine Substratschicht mittels Vakuumverdampfung geschichtet sind. Die so niedergeschlagenen Schichten werden anschließend von vorbestimmten Bereichen durch Ätzen entfernt, wobei Standardtechniken zur Herstellung gedruckter Schaltungen verwendet werden, um das gewünschte System von Reaktionsfortpflanzungswegen (2) zu erhalten. Die Dicke der Filme ist im wesentlichen von molekularer Größenordnung, um ein molekulares Vermengen zwischen den Schichten zu optimieren und die Anzahl der Schichten ist so gewählt, daß sie eine zuverlässige Abbrenncharakteristik gewährleistet. Das Zünden der verbundenen Filme an einem vorgewählten Ort initiiert eine sich selbst unterhaltende exotherme Reaktion, die sich seitlich entlang der Grenzschichten fortpflanzt. DOLLAR A Nach einem weiteren Aspekt ist das reaktive Laminat anwendbar als eine Infrarot emittierende Beschichtung. Die Erfindung ist ferner anwendbar als Brückenzünder, wobei das Laminat als eine Elektrodenbrücke anstelle eines üblichen explodierenden Brückendrahtes verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine pyrotechnische Kette, die ins­ besondere, jedoch nicht ausschließlich zum Einsatz in Ein­ zel- oder Vielfachverzögerungsleitungssystemen anwendbar ist. Die Erfindung ist ebenfalls anwendbar bei Brücken­ drahtsprengsätzen und kann so ausgelegt werden, daß sie Infrarotstrahlung emittierende Beschichtungen für Täu­ schungssysteme aufweist.

Pyrotechnische Multi-Kettenverzögerungssysteme sind be­ kannt zum Auslösen komplexer Ereignisfolgen, z. B. in einem Geschoß. Diese Verzögerungssysteme weisen normalerweise Verzögerungsleitungen auf, mit Bleirohren, die in erster Linie mit einer als Granulat vorliegenden pyrotechnischen Zusammensetzung gefüllt sind, wobei die Zusammensetzung aus Materialien besteht, die so ausgesucht, zubereitet und in bestimmten Verhältnissen zueinander gemischt werden, so daß gewünschte Brenngeschwindigkeiten erzielt werden. Die gestopften Rohre werden dann dünngezogen, auf gewünschte Länge zugeschnitten, geformt und mit der Hand mit geeigneten Verbindungskomponenten zusammengesetzt. Das gesamte Verfahren ist zeitraubend, hängt von der Bedienungsperson ab, verursacht hohe Werkzeugkosten, erfordert ein Zusam­ mensetzen in einem sauberen Raum und kann gefährlich sein. Die sich so ergebende Mehrfachkette ist auch insofern nachteilhaft, als sie eine Anzahl unerwünschter Grenzflächen und inkonsistente Abbrennzeiten aufweist. Ferner sind bei der Verwendung solcher Mehrfach­ kettensysteme innerhalb abgeschlossener Zellen Probleme dahingehend zu erwarten, daß die Bleiumhüllung, die wäh­ rend des Abbrennens schmilzt, verspritzt und auf diese Weise möglicherweise andere Elemente in einer Umhüllung, wie z. B. Plastikgehäuse, beschädigt. Ebenso können die Drucke der während des Abbrennens erzeugten Gase sehr hoch werden, insbesondere wenn die Kapsel bei sehr niedrigem Umgebungsdruck verwendet wird, da eine ziemlich große Menge der pyrotechnischen Zusammensetzung verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben ge­ schilderten Schwierigkeiten zu überwinden und eine pyro­ technische Kette anzugeben, die präziser arbeitet und eine größere inhärente Stärke aufweist als die, die mit Granu­ latzusammensetzungen erzielt werden und die mit einer Her­ stellungsmethode erzeugt werden kann, die der Automatisie­ rung zugänglich ist.

Ferner soll eine Verzögerungskette angegeben werden, die vollständig abdichtbar ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung soll eine expo­ nierbare pyrotechnische Kette angegeben werden, die nach ihrer Zündung ein vorbestimmtes Wellenlängenspektrum ab­ strahlt. Ferner soll ein Brückenzünder angegeben werden, der eine Reaktionszeit aufweist, die mit der eines explo­ dierenden Brückendrahtes vergleichbar ist, die jedoch weitaus zuverlässiger ist.

Erfindungsgemäß weist die pyrotechnische Kette ein reak­ tives Laminat auf mit mehreren Schichten aus einem Elek­ tronendonatormaterial und darauf abwechselnd auf­ gedampft mehrere Schichten aus einem Elektronenakzeptor­ material, wobei die beiden Materialien zusammen in der Lage sind, eine exotherme Reaktion zu unterhalten, wenn sie Wärme ausgesetzt werden.

Das Schichtsystem kann ferner mehrere Schichten der besag­ ten zwei Materialien aufweisen, wobei jedes auf die andere in wechselnder Folge aufgedampft wird.

Vorzugsweise wird jede Schicht abwechselnd durch Vakuum­ verdampfung oder durch Sputtern niedergeschlagen, wobei das Niederschlagsverfahren so gesteuert wird, daß die Dicke eines jeden Films im wesentlichen molekulare Größen­ ordnung aufweist, um eine maximale Vermischung der Schichtmaterialien über die Dicke des Schichtsystems zu gewährleisten.

Die Zündung benachbarter Elektronendonatoren und Elektro­ nenakzeptor-Schichten an ausgewählten Orten initiiert eine sich selbst unterhaltende exotherme Reaktion zwischen den Molekülen, die entlang der Schichtoberflächen fortschrei­ tet. Die Anzahl und Dicke der Schichten ist so gewählt, daß sie ausreicht, um eine zuverlässige seitliche Progres­ sionscharakteristik zu gewährleisten.

Das reaktive Laminat kann ferner eine oder mehrere Schich­ ten eines moderierenden Materials aufweisen, das an ausge­ wählten Stellen zwischen reaktiven Filmen während des Nie­ derschlagverfahrens angeordnet wird, um die seitliche Pro­ gressionscharakteristik zu dämpfen, um dadurch eine ge­ wünschte Abbrenngeschwindigkeit zu erzielen. Das moderierende Mate­ rial kann ebenfalls so ausgesucht sein, daß es bestimmte Frequenzen in dem sich ergebenden Strahlungsspektrum erzeugt.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, z. B. einer dichtbaren Verzögerungskette, weist die Substratschicht ein inertes Material auf, das vorzugsweise ein schlechter thermischer Leiter ist, um so die Verminderung der exothermen Reaktion zu minimieren. Das Material kann vor­ zugsweise Glas oder Keramik sein. Wenn jedoch eine weitere Moderierung oder Änderung der Progressionscharakteristik gewünscht ist, kann die thermische Leitfähigkeit des Trägers geeignet gewählt werden.

Die seitlichen Maße des reaktiven Laminats sind so ge­ wählt, daß sie die Breite und Länge eines gewünschten Reaktionsfortpflanzungsweges definieren. Die Ausmaße kön­ nen durch die Anordnung auf der Substratschicht selbst bestimmt sein. Die Schichten können auf der gesamten Oberfläche einer ebenen Substratschicht niedergeschlagen werden und anschließend mittels Techniken, die bei ge­ druckten Schaltungen verwendet werden, weiterverarbeitet werden, um jede gewünschte ebene Konfiguration des Fort­ pflanzungsweges zu erzeugen. Nach einem alternativen Ver­ fahren kann die ebene Substratschicht vor dem Schicht­ niederschlag maskiert werden, um so den Niederschlag der reaktiven Schicht auf dem Substrat ausschließlich in der gewünschten Konfiguration zu gestatten.

Jedes der beiden letzten planaren Verfahren ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung komplexer Multiketten­ systeme anwendbar, da das integrale Niederschlagen aller Fortpflanzungswege des Systems es ermöglicht, unerwünschte Verbindungen zu eliminieren.

Eine planare Anordnung wird ebenfalls bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der ein dich­ tes Abschließen des Fortpflanzungsweges erforderlich ist, wobei eine Deckschicht aus Polytetrafluorethylen oder einem inerten Material, vorzugsweise mit geringer thermi­ scher Leitfähigkeit, einfach abdichtbar auf der Substrat­ schicht angebracht wird. Eine solche Abdichtung wirkt dahingehend, die Reaktion aufzunehmen und den Reaktions­ druck und somit die Abbrenngeschwindigkeit zu steuern. Konsequenter­ weise kann die Dichtheit der Dichtung variiert werden, um einen weiteren Steuerparameter für die Progressionscharak­ teristik zu liefern.

Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, d. h. Ausführungen als Strahlungsemittor werden reaktive und moderierende Materialien selektiv verwendet, um eine Wärme abgebende Kette mit einem spezifischen Strahlungsspektrum zu erzielen.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung, d. h. einem Brückenzünder, wird das reaktive Laminat dazu ver­ wendet, einen abbrennenden Reaktionsfortpflanzungsweg zwi­ schen zwei Elektroden zu liefern, die an einer explodie­ renden Ladung angebracht sind, wobei das Laminat direkt auf einem konventionellen isolierenden Elektrodenträger aufgedampft wird.

Im folgenden werden Verfahren und Ausführungsformen gemäß der Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine dicht abgeschlossene ebene polytechnische Multikette;

Fig. 2 eine geschnittene Teilansicht entlang der Linien II-II nach Fig. 1;

Fig. 3 eine geschnittene Teilansicht einer alternativen Anschlußanordnung der Multikettenanordnung nach Fig. 1; und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Brückenzünder.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte pyrotechnische Multikette weist eine keramische Trägerplatte 1 auf, auf der ein Netz reaktiver laminierter Fortpflanzungswege 2 übereinander angeordnet sind, die verschiedentlich miteinander verbun­ den sind und zu Randanschlüssen 3 bis 7 führen. Dieses Wegenetz 2 wird durch eine entsprechend geformte Abdeckung 8 aus Keramik abgedeckt, die an ihrem Rand mit der Träger­ platte 1 abgedichtet ist, mit Ausnahme der Anschlüsse 3 bis 7.

Jeder Weg 2 weist einen Stapel alternativ niederge­ schlagener, miteinander reagierender Filme 9 und 10 auf und hat eine dazwischen angeordnete moderierende Schicht 11. Die Schichten 9 und 10 sind jeweils Elektronenakzeptor- bzw. -donatormaterialien; die im vorliegenden Beispiel verwendeten Materialien sind Bleioxid für den Film 9 und Titan für die Schicht 10. Die Schicht 11 kann gegebenen­ falls vorgesehen werden und aus inertem Material, wie Silizium, bestehen.

Die Wege 2 werden nach der im folgenden beschriebenen Methode auf der Platte 1 niedergeschlagen:

Eine ganze Oberfläche der Trägerplatte 1 wird zuerst ent­ sprechend vorbereitet und dann vollständig mit den Schich­ ten 9, 10 und 11 in geeigneter Reihenfolge niedergeschla­ gen, wobei eine übliche Vakuumaufdampfanordnung (nicht ge­ zeigt) verwendet wird. Die Verdampferquellenmaterialien, z. B. Bleioxid, Titan oder Silizium werden jeweils in getrennten Verdampferschiffchen angeordnet und nachein­ ander durch einen Elektronenstrahl in einer Argon­ atmosphäre verdampft.

Um eine sichere Reaktionsprogressionscharakteristik zu erzielen, wird vorzugsweise die Dicke einer jeden Schicht 9, 10 und 11 nicht größer als 2 µm gewählt. Schichten größerer Dicke sind unerwünscht, da ihre Wärmeabsorption ausreichend groß sein kann, um die exotherme Natur der Reaktion zwischen den Schichten zu zerstören. Die Gesamt­ anzahl der reaktiven Schichten 9 und 10, die benötigt wird, hängt von der Dicke und der thermischen Leitfähig­ keit der Trägerplatte, d. h. von ihrer Effizienz als Hitze­ senke ab. Wird eine Aluminiumoxidsubstratplatte von 1 mm Dicke verwendet mit einer thermischen Leitfähigkeit von 17 W/m, so wurde der Niederschlag von 100 Schichten 9 und 100 Schichten 10, jeweils mit 0,5 µm Dicke, als effektiv ge­ funden. (In den Zeichnungen sind nur wenige Schichten ge­ zeigt, um die Übersichtlichkeit zu wahren.)

Die so niedergeschlagenen Filme 9, 10 und 11 haben jeweils eine Stengelgefüge-Kristallstruktur, die intermolekular mit dem nächsten benachbarten Gitter in Eingriff streht und so ein reaktives Laminat bildet, das, einmal gezündet, eine exotherme Zwischengitterreaktion unterhält.

Nach Beendigung des Niederschlagverfahrens werden die er­ forderlichen Bereiche des Laminats, z. B. das System der Wege 2, mit einer säurebeständigen Beschichtung (nicht gezeigt) beschichtet und die verbleibenden Bereiche der Filme werden durch Säureätzen entfernt, nach Verfahren, die aus der Technik zur Herstellung gedruckter Schaltungen bekannt sind. Die Platte 8 wird dann auf die Trägerplatte 1 gelegt und mit einem kompatiblen Dichtmittel (nicht ge­ zeigt) abgedichtet.

Dem Fachmann ist klar, daß ein ähnliches Wegesystem 2 alternativ dadurch hergestellt werden kann, daß die Trä­ gerplatte maskiert wird, bevor die Filme 9, 10 und 11 nie­ geschlagen werden.

Bei einer Anwendung wird das Fortpflanzungswegesystem an einem der Anschlüsse, z. B. Anschluß 3, elektrisch, durch Reibung oder durch eine Hitzequelle gezündet und die sich ergebende exotherme Reaktion pflanzt sich entlang der Wege 2 mit gleichförmiger Geschwindigkeit fort und bildet an jedem der verbleibenden Anschlüsse 4 bis 7 einen Zünder, wobei die Zündzeitpunkte genau durch die Länge der benutz­ ten Wege bestimmt ist. Dabei können alle oder einige An­ schlüsse 4 bis 7 verwendet werden, um weitere Verzögerun­ gen oder Ereignisse auszulösen.

Ein weiteres alternatives Herstellungsverfahren erfordert die Verwendung von photoempfindlichem Glas als Träger­ platte 1, eines aus der Herstellung gedruckter Schaltung gut bekannten Typs, welches weniger widerstandsfähig ge­ genüber ultravioletter Strahlung gemacht ist. Die Platte 1 aus diesem Material kann zuerst mit der gewünschten Anord­ nung des Fortpflanzungswegs maskiert, ultravioletter Strahlung ausgesetzt und dann so geätzt werden, daß eine durchstoßene Schablone des Wegesystems gebildet wird, die anschließend einer Vakuumbeschichtung mit dem reaktiven Laminat, wie vorher beschrieben wurde, ausgesetzt wird. Ein Abdichten der Fortpflanzungswege, die auf diese Weise hergestellt wurden, kann erzielt werden durch Einkapseln der beschichteten Schablone zwischen der Abdeckung 8 und einer zusätzlichen Basisplatte (nicht gezeigt).

Eine alternative Anschlußanordnung ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Anordnung ist bestimmt für Anwendungen, wenn der Zugang zu der Multikettenanordnung durch die Dicke der Platte 1 erforderlich ist. Bei dieser Anordnung sind ge­ eignet geformte Löcher 12 in der Platte 1 vorgesehen, bevor der Niederschlag beginnt. Die Kanten der Löcher werden während der aufeinanderfolgenden Beschichtungen zusammen mit den ebenen Flächen der Platte beschichtet.

Dem Fachmann ist klar, daß kompliziertere Verzögerungsket­ tensysteme nach der Erfindung hergestellt werden können. Z. B, können spezielle Ereignisauslöser in den Wegen inte­ grierter ausgewählter Anschlüsse während der Herstellung ausgeformt werden. Zusätzlich können alternative Wege in jeder einzelnen Multikette vorgesehen werden, um so die Auswahl von Verzögerungszeiten zu ermöglichen.

Dieser erste Aspekt der Erfindung ist ebenso anwendbar bei der Herstellung von Spurplatten zur Vorsehung mehrerer gleichzeitiger Zündungen, um einen Sprengstoff oder eine pyrotechnische Vorrichtung mit unterschiedlichster geo­ metrischer Form zu zünden.

Das aufgedampfte reaktive Laminat gemäß der Erfindung ist inhärent stärker als granular vorliegende pyrotechni­ sche Zusammensetzungen und daher vorteilhaft hinsichtlich einer Verwendung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, wonach keine äußere Schutzummantelung erforderlich ist. Gemäß diesem Aspekt können die reaktiven und moderierenden Materialien, die in dem Laminat verwendet werden, so gewählt werden, daß sie eine Hitze abgebende Kette bilden, die ein bestimmtes Strahlungsspektrum aufweist. Ein weiterer Vorteil liegt in der großen Wahlmöglichkeit der Materialien, die einfach vakuumaufgedampft werden können, was die Erzeugung eines breiten Wellenlängenbereichs im Strahlungsspektrum ermöglicht.

Gemäß diesem dritten Aspekt der Erfindung schlägt diese einfache Mittel zur Erzeugung elektrisch sensitiver Deto­ natoren und Auslösezünder vor. Eine konventionelle zylin­ drische Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt, in der eine erste Elektrode in Form eines Anschlusses 40 koaxial innerhalb einer zweiten zylindrischen Elektrode 41 mittels einer isolierenden Buchse 42 gehaltert wird. Das reaktive Laminat 43 ist direkt auf der ringförmigen Endfläche der Buchse, die der Detonatorladung 44 gegenüberliegt, ange­ ordnet, so daß ein zuverlässiger multiradialer Reaktions­ fortsetzungsweg zwischen den beiden Elektroden gewährlei­ stet ist, der in der Lage ist, eine violente Reaktion bei relativ niedriger Spannung hervorzurufen. Eine solche An­ ordnung kann auch in einem Zünder verwendet werden, in dem lediglich die an die Elektroden angelegte Spannung vermin­ dert wird.

Eine andere ähnliche Anwendung der Erfindung liegt in der Herstellung schnell reagierender elektrischer Abschaltsi­ cherungen (nicht gezeigt).

Claims (7)

1. Pyrotechnische Kette mit einem reaktiven Laminat, gekennzeichnet durch mehrere Schichten aus einem Elektronendonatormaterial (10), die aufeinanderfolgend mit mehreren Schichten eines Elektronenakzeptormaterials (9) aufeinander in alternierender Sequenz auf ein Substrat (1) auf gedampft sind, wobei die beiden Materialien miteinander eine exotherme Reaktion auslösen, wenn sie Hitze ausgesetzt sind.

2. Pyrotechnische Kette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zwischenschicht (11) aus moderierendem Material vorgesehen ist.

3. Pyrotechnische Kette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einer jeden Schicht (9, 10, 11) nicht größer als 2 µm ist.

4. Pyrotechnische Kette nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenakzeptormaterial (9) Bleioxid und das Elektronendonatormaterial (10) Titan ist.

5. Pyrotechnische Kette nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette als Brücke zwischen zwei Elektroden (40, 41) angeordnet ist, die an eine Detonatorladung (44) angrenzt.

6. Verfahren zur Herstellung einer pyrotechnischen Kette nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Konfiguration der Reaktionsfort­ pflanzungswege (2) durch ein Entfernen unerwünschter Gebiete der niedergeschlagenen Schicht (9, 10) von der Substratschicht (1) mittels eines selektiven Ätzver­ fahrens erfolgt.

7. Verfahren zur Herstellung einer pyrotechnischen Kette nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht (1) selektiv maskiert wird, bevor die Niederschlagung der mehreren Schichten (9, 10) in der gewünschten Konfiguration der Reaktionsfortpflanzungswege (2) erfolgt.