Energetisch Al/Ni-superrooster als microplasmagenerator met uitstekende prestaties

Abstract

In deze studie werd energetisch Al / Ni-superrooster afgezet door magnetronsputteren. Een microplasmagenerator werd gefabriceerd met behulp van het energetische Al/Ni-superrooster. De microstructuur van de dwarsdoorsnede van het energetische Al/Ni-superrooster werd gescand met transmissie-elektronenmicroscopie. Resultaten tonen aan dat het superrooster is samengesteld uit Al-laag en Ni-lagen, en de periodieke structuur ervan is duidelijk zichtbaar. Bovendien is de dubbellaagdikte ongeveer 25 nm, die bestaat uit ongeveer 15 nm Al-laag en 10 nm Ni-laag. De micro-initiator werd gestimuleerd met behulp van een condensator van 0,22 μF opgeladen bij 2900-4100 V. Het elektrische gedrag werd onderzocht door de stroom-spanningsgolfvorm te testen en de plasmageneratie werd onderzocht met een ultrahogesnelheidscamera en fotodiode. De geïntegreerde microgenerator vertoonde een opmerkelijk elektrisch exploderend fenomeen, wat leidde tot plasmageneraties op een kleine tijdschaal. De plasma-output die wordt weerspiegeld door vliegsnelheden was superieur aan die met een veel dikkere dubbellaag van 500 nm Al / Ni-multilaag. De hogere vliegsnelheid in combinatie met het Gurney-energiemodel bevestigde dat de chemische reactie van de Al/Ni-superroosterstructuur bijdroeg aan de plasmaproductie in vergelijking met de Al/Ni-multilagen. Over het algemeen werd verwacht dat het energetische Al/Ni-superrooster een veelbelovende weg zou banen om de efficiëntie van de initiator te verbeteren tegen een lagere energie-investering.

Inleiding

Reactieve meerlaagse folies (RMF's) bevatten opgeslagen chemische energie in de vorm van laagstructuren die een snelle energieafgifte ondergaan wanneer ze worden gestimuleerd door een externe energiebron [1,2,3,4,5]. De reactiesnelheid en temperatuur van deze folies hangen nauw samen met de samenstelling en geometrie [6,7,8,9]. Ze zijn potentieel voor het lassen van materialen [10,11,12], het initiëren van explosieven [13,14,15] en biologische neutralisatie [16].

Onder de talrijke bestaande RMF's, Al/CuO [17], Al/MoO₃ [18], Al/PTFE [19], B/Ti [20] en Al/Ni [21, 22] worden het meest uitgebreid bestudeerd. Al/Ni RMF's vertonen superioriteit vanwege hun hoge reactiewarmte (330 cal/g), uitstekende fabricagekwaliteit en kostenefficiëntie. Er zijn veel onderzoeken uitgevoerd om de thermodynamische eigenschappen en de exotherme zelfvoorzienende reactieprestaties van Al/Ni-RMF's te onthullen [23,24,25,26]. De resultaten impliceren dat de reactieprestaties (bijv. maximale verbrandingstemperatuur, verbrandingsvertragingstijd) van Al/Ni RMF's sterk afhangen van hun dubbellaagdikte [27]. De RMF's met dunnere dubbellagen hebben verbeterde interfaciale contactgebieden tussen brandstof en oxidatiemiddel en verminderde gemiddelde atomaire diffusieafstanden om de initiatie van chemische reacties te bevorderen [28]. Ondertussen nemen de reactiesnelheid en temperatuur toe naarmate de dubbellaagdikte afneemt. Wanneer de dubbellaagdikte van RMF's echter lager is dan 20 nm, wordt een tegengestelde trend gevonden vanwege een grote mate van vermengd gebied [29].

Wanneer de dubbellaagdikte van de Al/Ni RMF's wordt verlaagd tot moleculaire of sub-nanometerschaal, wordt een energetisch Al/Ni-superrooster gevormd. Energetisch Al/Ni-superrooster heeft unieke chemische reactie-eigenschappen vanwege de extreem korte afstanden tussen de reactanten en het relatief grote vermengde gebied. De chemische reactie van energetisch Al/Ni-superrooster werd gekarakteriseerd door verschillende methoden (differentiële scanningcalorimetrie [29], transmissie-elektronenmicroscopie [30] en tijdopgeloste röntgenmicrodiffractie [31]) om het chemische reactiemechanisme beter te begrijpen. Resultaten gaven aan dat metastabiele fase niet werd gevormd voor superroosterstructuur vanwege de extreem lage diffusieafstand [32].

Er zijn uitgebreide werken uitgevoerd met betrekking tot de verbrandingseigenschappen en het chemische mechanisme van energetisch Al/Ni-superrooster. Er zijn echter geen rapporten over het elektrische gedrag en de plasmaprestaties op basis van het energetische Al/Ni-superrooster onder extra elektrische stimulatie. In de huidige studie werd energetisch Al/Ni-superrooster afgezet op Al₂ O₃ substraten door sputteren in de magnetron en van een patroon voorzien door nat etsen om een plasmagenerator te vormen. Het elektrische gedrag en de plasmaprestaties van de generator onder elektrische stimulatie werden in detail onderzocht.

Experimentele methoden

Energetische Al/Ni-superroostermonsters werden vervaardigd door afwisselend een laag bestaande uit Al en Ni op Al₂ af te zetten O₃ substraten van Ni (99,99 wt%) en Al (99,99 wt%) doelen. De basisdruk van de depositiekamer was 5 × 10⁻⁵ Pa, en sputteren werd uitgevoerd met een procesgas van Ar bij een druk van 0,8 Pa. Zowel de Al- als de Ni-laag werden afgezet bij 90 W. Onder bovenstaande afzettingsomstandigheden was de afzettingssnelheid voor Al en Ni ongeveer 15 nm/min en 10 nm /min, respectievelijk. De dubbellaagdikte van het als afgezette energetische Al/Ni-superrooster was ongeveer 25 nm en de totale dikte was ongeveer 4 m. Elke dubbellaag bestond uit een Al-laag en een Ni-laag met een dikteverhouding van 3:2 om een totale atoomverhouding van 1:1 te behouden. Als vergelijkingsmonsters werden ook Al / Ni RMF's met een dubbellaagsdikte van 500 nm afgezet. De koperlaag met een dikte van 20 nm werd op monsters afgezet om een goede hechting aan de keramische plug te behouden.

Het fabricageproces van de microplasmagenerator was gebaseerd op de MEMS-techniek, zoals weergegeven in figuur 1. Ten eerste, 0,5 mm dikke 4-in. Al₂ O₃ substraat werd respectievelijk 5 min gereinigd met aceton, alcohol en gedeïoniseerd water in een ultrasoon bad. Ten tweede werden de substraten 30 min bij 100 °C in een oven gedroogd. Ten derde werden de substraten op de monsterhouder gefixeerd en werden hun oppervlakteverontreinigingen verwijderd door zuurstofplasma. Vervolgens werd energetisch Al/Ni-superrooster afgezet op het oppervlak van Al₂ O₃ substraat. Vervolgens werd een positieve fotoresist (AZ5214E) gespincoat op het oppervlak van als afgezette monsters bij 5000 tpm gedurende 60 s en voorgebakken in een oven gedurende 90 s bij 100 °C. Daarna werden de monsters van een patroon voorzien en blootgesteld aan ultraviolette straling met een intensiteit van 16 mJ/cm² . Later werden de monsters ontwikkeld in NaOH-oplossing. De monsters werden opnieuw gebakken bij 120°C om het fotoresistpatroon te stabiliseren. Ten slotte werden de monsters geëtst om een vlinderdasbrug te vormen in Al-etsmiddeloplossing (Aluminum Etchant Type A, Transene Company, Danvers, Massachusetts) bij 30°C. De van een patroon voorziene monsters werden in meerdere afzonderlijke chips gesneden en de resterende fotoresist werd in aceton verwijderd. Ten slotte werd de chip geassembleerd tot een keramische plug om de plasmagenerator te vormen.

Fabricageproces van microplasmagenerator

De dwarsdoorsnedestructuur van de plasmagenerator werd gekarakteriseerd door de transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Vervolgens werd de microplasmagenerator gestimuleerd met behulp van een hoog-pulsstroomgenerator (0,22 μF, 2900-4100 V), en werden de stroom-spanningsgolfvormen gemeten met een Rogowski-spoel en een hoogspanningssonde, die met een oscilloscoop werd geregistreerd. . Ondertussen werd de plasmageneratie vastgelegd door een hogesnelheidscamera (SIM, SIL3001-00-H06). De belichtingstijd van de ultrasnelle camera was 10 ns en de intervaltijd van elk frame was ongeveer 20 -50 ns. Bovendien werd de genererende lichtintensiteit gemeten door een fotodiode. De basislijnvertraging van de test tussen de stroomgenerator met hoge puls, de ultrahogesnelheidscamera en de oscilloscoop werd geregeld door een digitale vertragingsgenerator (DG535), die wordt weergegeven in Afb. 2.

Schematische tekening van de microplasmagenerator testen

Bovendien werden de prestaties van de microplasmagenerator gekenmerkt door het testen van het vermogen om de Kapton-flyer met een dikte van 30 m aan te drijven. Een korte stroompuls werd toegepast op de plasmagenerator, waardoor een snelle explosie van de vlinderdasbrug (0,4 × 0,4 mm) werd veroorzaakt, die op zijn beurt de vlieger dwong te versnellen tot een snelheid van enkele kilometers per seconde [33,34,35] . En de snelheid van de vlieger werd vastgelegd door een fotonische Doppler-snelheidsmeting (PDV).

Resultaten en discussie

Figuur 3a toont het transversale helderveld TEM-beeld van het energetische Al/Ni-superrooster, dat een periodieke structuur aangeeft die bestaat uit Al- en Ni-dubbellagen met een gecontroleerde dikte, en verschillende lagen kunnen gemakkelijk worden onderscheiden. De geselecteerde gebiedselektronendiffractie (SAED) wordt verder uitgevoerd, zoals weergegeven in Fig. 3b, c. Het heldere beeld komt overeen met de Al-laag, terwijl het donkere beeld de Ni-laag aangeeft. De dikte van de dubbellaag is ongeveer 25 nm, die bestaat uit ongeveer 15 nm Al-laag en 10 nm Ni-laag. De diffractieringen duiden op een goed gedefinieerde polykristallijne structuur van de Ni- en Al-laag. Figuur 3d toont het transversale helderveld TEM-beeld van Al/Ni-multilagen met een dubbellaagsdikte van 500 nm.

een Dwarsdoorsnede helderveld TEM-beeld van het energetische Al/Ni-superrooster. b Elektronendiffractiepatroon van de Ni-laag. c Elektronendiffractiepatroon van de Al-laag. d Dwarsdoorsnede helderveld TEM-beeld van de Al/Ni RMF's

Figuur 4a illustreert de spanning, stroom, lichtintensiteit en energiegeschiedenis van energetisch Al/Ni-superrooster geladen met 3,5 kV. De evolutie van spanning-stroom vertoont pieken van stroom en spanning. Wanneer een stroompuls wordt geleverd aan de superrooster Al/Ni-materialen, wordt de film plaatselijk verwarmd door het Joule-effect, wat resulteert in een snelle stijging van de temperatuur die overeenkomt met een stijging van de spanning over de brug [36, 37]. Uiteindelijk wordt de spanning sterk genoeg verhoogd om een stroomdaling te veroorzaken, waarbij de weerstand een maximum bereikt. Het verdampte en geïoniseerde materiaal construeert een nieuw pad van lage weerstand om de spanning naar nul te laten dalen, vergezeld van de ontlaadstroom tot een maximale waarde.

een Evolutie van de stroomspanning en lichtemissie-intensiteit voor energetisch Al / Ni-superrooster met de opslagcondensator aanvankelijk geladen met 3,5 kV. b Dwarsdoorsnedebeelden van de dynamische processen door ultrasnelle camera

Figuur 4b toont de plasma-evolutie van energetisch Al/Ni-superrooster vastgelegd door een ultrahogesnelheidscamera. Het proces van Joule-verwarming, verdamping en het genereren en uitzetten van plasma is duidelijk. Volgens Fig. 4 wordt een wazig licht waargenomen en stijgen de spanning en stroom langzaam, wat wijst op een Joule-verwarmingsproces (≤ 168 ns). Bij 218 ns wordt de spanning plotseling verhoogd terwijl het uitgestraalde licht duidelijk is, en het gebied van het licht is bijna het gebied van de vlinderdasbrug. Dit komt overeen met het verdampingsproces van het energetische Al/Ni-superrooster. Wanneer de spanning zijn maximum bereikt bij 258 n, vindt de explosie die gepaard gaat met plasmageneratie plaats, gevolgd door intens licht. Na exploderen kan de plasma-expansie naar de omgevingstemperatuur een schokgolf veroorzaken. Productdeeltjes die aanwezig waren bij de verbranding van Al/Ni RMF's zijn niet waargenomen in deze studie, wat impliceert dat de explosie van energetisch Al/Ni-superrooster uniform is onder hoge pulsstroom [38]. Daarom kan de tijd van de spanningspiek worden beschouwd als de vertragingstijd (T _b ) (tussen het begin van de stroompuls en het spanningspieksignaal). De energie die tijdens deze vertragingstijd door het monster wordt geabsorbeerd, wordt beschouwd als de kritische explosie-energie (E _c ). We moeten opmerken dat het beginpunt van de lichtemissie-intensiteit overeenkomt met de spanningspiek (258 ns). Het signaal van de lichtemissie-intensiteit is nauwelijks te detecteren vanwege het zwakke licht voorafgaand aan de explosie.

De resultaten van T _b en E _c worden verkregen door het integreren van elektrische spanning-stroomcurven onder verschillende laadspanningen variërend van 2900 tot 4100 V, zoals weergegeven in Fig. 5a. Zoals weergegeven in Afb. 5a, T _b neemt af met de toename van de laadspanning. Volgens de inzetafbeelding in figuur 5a bereikt de maximale stroom ongeveer 2572 A bij 4100 V, terwijl de stroompiek 1870 A bereikt bij 2900 V. Er wordt aangegeven dat de elektrische energie-invoer per tijdseenheid van energetisch Al / Ni-superrooster gelijk is aan verhoogd met de toename van de laadspanning. De vertragingstijd bij een lagere laadspanning is dus veel langer in vergelijking met hoge laadspanningen. Echter, voor E _c waarden, vertoont het een verbeterde trend met de toename van de laadspanning, wat impliceert dat meer elektrische energie wordt geabsorbeerd tot het punt van exploderen bij 4100 V voor energetisch Al/Ni-superrooster in vergelijking met die bij 3500 en 2900 V, wat kan worden toegeschreven aan de exploderende heterogeniteit onder een elektrische puls. Wanneer een hoge stroompuls wordt toegepast op energetisch Al/Ni-superrooster, is de temperatuur van de vier hoeken veel hoger dan die van andere secties, wat resulteert in een explosie in een kortere tijd, zoals weergegeven in figuur 5b. Het verschil tussen de exploderende secties wordt kleiner naarmate de laadspanning toeneemt. Het elektrisch exploderen van energetisch Al/Ni-superrooster lijkt dus homogener bij 4100 V dan dat bij lagere laadspanningen, wat de hoge exploderende spanning en elektrische energie verklaart.

een Experimentele resultaten van de explosietijd en kritische explosie-energie met laadspanningen variërend van 2900 tot 4100 V voor energetisch Al/Ni-superrooster. b Beelden van de dynamische processen van energetisch Al/Ni-superrooster met de richting van de ultrahogesnelheidscamera

Figuur 6a toont de vliegsnelheden door plasma-expansie bij laadspanningen van 2900 tot 4100 V voor energetisch Al/Ni-superrooster. Nadat de elektrische puls op het superrooster is geladen, versnelt de uitdijende plasmadruk de vlieger weg van het monsteroppervlak, waardoor een deel van de vlieger wegscheurt en doorgaat met accelereren. Zoals verwacht neemt de vliegsnelheid toe naarmate de laadspanning toeneemt. Voor de laadspanning van 4100 V bereikt de maximale vliegsnelheid meer dan 3 km/s, wat aanzienlijk hoger is dan de piekwaarde die wordt verkregen bij een laadspanning van 3500 V. Wanneer de laadspanning daalt tot 2900 V, is de vliegsnelheid ongeveer 2,3 km/s.

een Flyer-snelheidscurven voor verschillende laadspanningsniveaus van condensatoren toegepast op energetisch Al / Ni-superrooster. b Vliegsnelheid voor het energetische Al/Ni-superrooster en Al/Ni RMF's met laadspanningen van 2900 tot 4100 V

De vliegsnelheid werd drie keer gemeten bij elke laadspanning en de maximale vliegsnelheid wordt gemiddeld, zoals weergegeven in figuur 6b. De resultaten laten zien dat de maximale vliegsnelheid van het RMF-monster veel lager is dan die van energetische superroosterstructuren. Het Gurney-energiemodel wordt geïntroduceerd om verschillende elektrische energie- en flyer-tot-laag-massaverhoudingen tussen monsters met elkaar te verzoenen [39, 40]. De uiteindelijke vliegsnelheid wordt voorspeld volgens:

$$ {v}_{\mathrm{f}}=\sqrt{2{E}_{\mathrm{g}}}{\left(\frac{M}{B}+\frac{1}{3 }\right)}^{-\frac{1}{2}} $$ (1) $$ {E}_{\mathrm{g}}=K{J_{\mathrm{b}}}^n $ $ (2)

waar M is de flyermassa, B is de massa waaruit de plasma-energie voor versnelling komt, en E _g is de energie per massaeenheid die aan het systeem wordt geleverd. K , n is de Gurney-factor die wordt bepaald door de samenstelling en geometrie van folie. J _b is de elektrische exploderende stroomdichtheid. In het huidige geval hebben de monsters dezelfde vlieger-tot-laag massaverhoudingen en Gurney-factor vanwege de identieke dubbellaagdikte, totale dikte en geometrie. De vliegsnelheid is gerelateerd aan de elektrische energie die aan het systeem wordt geleverd (E _g ), die wordt berekend door de exploderende stroomdichtheid.

In de resultaten van onze experimenten is de exploderende stroomdichtheid van Al/Ni RMF's hoger dan het superrooster. Volgens het Gurney-energiemodel zou de uiteindelijke vliegsnelheid van Al / Ni RMF's een hogere waarde moeten vertonen in vergelijking met die monsters die zijn geïntegreerd met energetisch Al / Ni-superrooster. Maar de voorspelde resultaten zijn niet consistent met de experimentele output (figuur 6b). Integendeel, de experimentele resultaten met superrooster vertonen een hogere vliegsnelheid door contrasterende RMF's. De toename van de kinetische energie van de vlieger bevestigt dat de chemische energie die wordt gegenereerd door de reactie tussen Al en Ni, wordt beïnvloed door het proces van plasma voor energetisch Al/Ni-superrooster. De warmteafgifte wordt toegeschreven aan hoge ionisatie van het superrooster tijdens het plasmavormingsproces, wat resulteert in een snelle plasma-expansiesnelheid.

Conclusies

In dit werk werd een energetisch Al/Ni-superrooster gefabriceerd door afwisselend gedeponeerde Al- en Ni-lagen op het oppervlak van Al₂ O₃ keramische substraten door magnetronsputteren, gekenmerkt door TEM. Het elektrische gedrag en de plasmaprestaties op basis van het energetische Al/Ni-superrooster onder extra elektrische stimulatie werden onderzocht, dat was geïntegreerd als een microplasmagenerator. De geïntegreerde microgenerator vertoonde een opmerkelijk elektrisch exploderend fenomeen, wat leidde tot plasmageneraties op een kleine tijdschaal. De plasma-output die wordt weerspiegeld door vliegsnelheden was superieur aan die met een veel dikkere dubbellaag van 500 nm Al / Ni-multilaag. Het Gurney-energiemodel bevestigde dat de chemische reactie van de Al/Ni-superroosterstructuur betrokken was bij de plasmageneratie in vergelijking met Al/Ni RMF's. Over het algemeen vertoont de microplasmagenerator op basis van energetisch Al/Ni-superrooster superieure prestaties met hoge plasma-uitgangen, waardoor de elektrische energietransductie en de systeembetrouwbaarheid worden verbeterd. Daarom is er veel perspectief op de toepassing van energetisch Al/Ni-superrooster op micro- of nanoplasma-initiatoren om een speciale functie te implementeren.

Afkortingen

RMF's:: Reactieve meerlaagse folies
TEM:: Transmissie-elektronenmicroscopie

Theoretisch onderzoek naar dragermobiliteit van gehydrogeneerd grafeen/zeshoekige boor-nitride heterobilaag Doxorubicine-geladen PEG-CdTe Quantum Dots als een slim medicijnafgiftesysteem voor extramedullaire multipel myeloombehandeling

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal