Verbeterde energetische prestaties op basis van integratie met de Al/PTFE-nanolaminaten

Abstract

Het integreren van energetische materialen op een chip heeft veel aandacht gekregen vanwege de brede potentiële toepassingen in het energieverbruik op microschaal, inclusief elektrisch initiatieapparaat. In dit artikel worden reactieve Al / PTFE-nanolaminaten met periodieke laagstructuur bereid door magnetronsputteren, dat bestaat uit brandstof Al, oxidatiemiddel PTFE en inerte laag Al-F-verbinding in een metastabiel systeem. De als afgezette Al/PTFE-nanolaminaten vertonen een aanzienlijk hoge energie-output en de begintemperatuur en de reactiewarmte zijn respectievelijk 410 °C en 3034 J/g. Op basis van deze eigenschappen wordt een geïntegreerde filmbrug ontworpen en gefabriceerd via integratie van Al/PTFE-nanolaminaten met een Cu-exploderende folie, die verbeterde energetische prestaties vertoont met een gewelddadiger explosiefenomeen, grotere hoeveelheden uitgeworpen product en een hogere plasmatemperatuur in vergelijking met de Cu film brug. De kinetische energie van flyers die is afgeleid van de uitzetting van de Cu-filmbrug wordt ook met ongeveer 29,9% verhoogd door integratie met de Al/PTFE-nanolaminaten. Over het algemeen kunnen de energetische prestaties aanzienlijk worden verbeterd door een combinatie van de chemische reactie van Al/PTFE-nanolaminaten met de elektrische explosie van de Cu-filmbrug.

Achtergrond

In het afgelopen decennium hebben onderzoeken naar nanogestructureerde energetische materialen wereldwijde bezorgdheid en toenemende onderzoeksinteresse gekregen vanwege hun superieure energetische prestaties, waaronder lage ontstekingstemperatuur, snelle energieafgifte, hoge energiedichtheid en afstembare reactiviteit [1,2,3,4,5 ,6,7,8,9,10]. De chemische energie die door deze materialen wordt opgeslagen, kan vrijkomen bij elektrische, optische, impact- of thermische activering, die kan worden gebruikt voor militaire doeleinden en civiele toepassingen, zoals het initiëren van secundaire reacties [11], het samenvoegen van materialen [12], automotive drijfgassen voor airbags [13] en voeding [14]. Veel methoden, waaronder het fysiek mengen van nanopoeders, gestopt reactief malen van dichte nanocomposieten, elektroforetische nano-energetische coating en periodieke depositie van nanolaminaten, zijn geïntroduceerd om nanogestructureerde energetische materialen te fabriceren [15,16,17,18,19]. Onder deze methoden biedt de fabricage van nanolaminaten door afwisselend twee of meer verschillende films af te zetten een fascinerende structuur voor apparaatintegratie met afstembare energetische prestaties, omdat het aantal lagen en de dikte van de monolaag gemakkelijk kunnen worden gecontroleerd, en bijgevolg om hun energetische prestaties af te stemmen.

Exploding foil initiator (EFI) is een type pyrotechnische apparaten voor elektrische generatie dat wordt gebruikt voor het initiëren van secundaire reacties [20]. Na het aanleggen van een elektrische puls veroorzaakt een onmiddellijke toenemende stroomdichtheid de verdamping van de metaalfilmbrug en de vorming van hogedrukplasma. Vervolgens wordt de flyer op de filmbrug afgescheurd en versneld om de explosieven te raken. Met de toenemende eisen voor miniaturisatie van elektrische ontstekingsapparatuur en lage energie-initiatie, vormt de integratie van nano-energetische lagen met een metalen filmbrug op basis van micro-elektronische en mechanische systeem (MEMS) technologie om functionele nano-energetisch-op-een-chip (NOC) te bereiken een veelbelovende optie voor de ontwikkeling van EFI. De combinatie van de reactiewarmte van energetische materialen met de traditionele elektrische joule of metaalfilmbrug maakt het mogelijk om de elektrische explosieprestaties van EFI te verbeteren met lage energie-initiatie in een compact formaat.

Al / PTFE-nanolaminaatfilm is een veelbelovende kandidaat om te worden geïntegreerd met EFI om de volgende redenen. Ten eerste is het metaal Al een veelgebruikt materiaal met een hoge energiedichtheid en een hoge energieafgiftesnelheid tijdens oxidatie. Ondertussen is het fluorgehalte in PTFE tot 76 gew.%, dat kan reageren met het metaal Al om AlF₃ te vormen met een hoge theoretische energieafgifte van 5571 J/g [21]. Ten tweede kan de potentiële gasafgifte afkomstig van de pyrolyse van PTFE-film en het reactieproduct van oxycarbide in atmosferische omstandigheden de druk van gegenereerd plasma verhogen, wat gunstig is voor het afschuiven en versnellen van de vlieger [22]. In dit artikel werd een geïntegreerde filmbrug ontworpen en gefabriceerd door de Al / PTFE-nanolaminaten te integreren met een Cu-exploderende filmbrug. De structuur en chemische samenstelling van als gedeponeerde Al/PTFE-nanolaminaten werden bestudeerd met TEM- en XPS-analyses. De effecten van de geïntegreerde Al/PTFE-nanolaminaten op de elektrische initiatieprestaties werden onderzocht door middel van elektrische explosietests.

Methoden

Depositie van de Al/PTFE-nanolaminaten

Al / PTFE-nanolaminaten werden bereid door afwisselend Al-lagen en PTFE-lagen af te zetten door respectievelijk gelijkstroom magnetron sputteren en radiofrequentie magnetron sputteren. De doelen die werden gebruikt voor het sputteren waren pure aluminiumfolie (zuiverheid> -99,999%) en polytetrafluorethyleenfolie (zuiverheid> -99,99%) met een diameter van 100 mm. Om meerdere afwisselende deposities te realiseren is gebruik gemaakt van een roterende substraattafel. De basisdruk voor filmafzetting was lager dan 5 × 10^− 4 Pa, en het argongas werd geïntroduceerd als gasmedium. De afzettingsparameters zijn ingesteld op 1,1 Pa, 300 W voor PTFE-lagen en 0,45 Pa, 100 W voor Al-lagen, om een geoptimaliseerde filmkwaliteit en stabiele depositiesnelheid te verkrijgen.

Voorbereiding van de (Al/PTFE)_n /Cu-geïntegreerde EFI

De (Al/PTFE)_n /Cu-filmbrug werd bereid door middel van magnetronsputteren en MEMS-technieken op een keramisch aluminiumoxidesubstraat met een diameter van 3 inch. Het fabricageproces van de (Al/PTFE)_n /Cu-filmbrug wordt getoond in Fig. 1. Elke eenheid bestaat uit een Cu-exploderende filmbrug op de bodem, een rechthoekige Al / PTFE-nanolaminaatfilm die is afgezet op de bovenkant van een Cu-filmbrug en twee landen van Cu-kussentjes op de beide zijden van de Al/PTFE nanolaminaten.

Schematische tekening en fabricageprocesstroom van de (Al/PTFE)_n /Cu filmbrug

Vóór afzetting werd het substraat achtereenvolgens ultrasoon gereinigd met behulp van aceton, alcohol en gedeïoniseerd water gedurende 10 minuten. Vervolgens werd het gereinigde substraat met argongas geföhnd en gedurende 1 uur bij 120 ° C met warmte behandeld voor verdere droging. Na het drogen werd een 2 μm dikke Cu-laag op het gereinigde substraat afgezet door middel van DC-magnetronsputtering. Vervolgens werd de als afgezette Cu-film van een patroon voorzien door middel van fotolithografie en nat geëtst met een koperetsmiddel (CE - 100). De afmeting van de gevormde Cu-filmbrug was 600 m × 600 m. Vervolgens werden ~ 2-μm dikke Al / PTFE-nanolaminaten afgezet op de bovenkant van de Cu-filmbrug en van een patroon voorzien met een opheffingsproces voor beeldomkering. De stapelvolgorde voor het sputteren van Al/PTFE-nanolaminaten was Al/PTFE/Al/PTFE/Al, en de Al-laag bleef over als de toplaag. Daarna werden twee Cu-contactkussens met een maskerpatroon aan beide zijden van de Al / PTFE-nanolaminaten gestapeld voor de verbinding met de spanningsbron. Ten slotte werd het voltooide monster in afzonderlijke eenheden gesneden.

Karakterisatie van de Al/PTFE-nanolaminaten

De kristalliniteit en structurele microscopische karakterisering van de Al / PTFE-nanolaminaten werden uitgevoerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Een ~-1 nm dikke Al-film werd afgezet op de PTFE-laag om de chemische samenstelling van het grensvlak tussen Al-laag en PTFE-laag te bepalen met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). De PTFE-nanolaminaten werden van het substraat geschrapt en overgebracht in een smeltkroes van aluminiumoxide voor de analyse van de energieafgifte door middel van differentiële scanningcalorimetrie (DSC). De monstermassa voor elke test was ~-10 mg en de tests werden uitgevoerd van 25 tot 800 °C bij een verwarmingssnelheid van 10 °C/min in stromend argon.

Elektrische explosietest van de filmbrug

De elektrische explosie-eigenschappen van de monsters zijn getest met een elektrisch explosiemeetsysteem, vergelijkbaar met het vorige rapport voor Cu/Al/CuO-filmbrug [23]. De kenmerken van de elektrische explosietemperatuur werden bepaald door een diagnosemodus voor elektrische explosietemperatuur op basis van de "dubbellijnige atomaire emissiespectroscopie van een koperen element" [24, 25]. De elektrische explosieverschijnselen werden synchroon vastgelegd door een hogesnelheidscamera met 20.000 beelden per seconde. Het versnellingsproces van vliegers werd verkregen door middel van fotonische Doppler-snelheidsmeting (PDV) om het vermogen om vliegers te besturen te onderzoeken.

Resultaten en discussie

Karakterisatie van de Al/PTFE-nanolaminaten

Het transversale TEM-beeld van de Al / PTFE-nanolaminaten wordt getoond in figuur 2a. De Al-lagen en PTFE-lagen zijn periodiek in verticale oriëntatie gerangschikt en de goed uitgelijnde laagstructuur is duidelijk zichtbaar. De donkere stroken komen overeen met de Al-lagen, terwijl de heldere stroken overeenkomen met de PTFE-lagen. De Al-lagen en PTFE-lagen kunnen gemakkelijk worden onderscheiden, en de golvende interfaces tussen Al-lagen en PTFE-lagen zijn ook zichtbaar in het beeld. De monolaagdikte van de Al-laag en de PTFE-laag zijn respectievelijk ongeveer 50 en 75 nm. De afbeeldingen met hoge resolutie van de Al-laag en PTFE-laag worden getoond in Fig. 2b, c, en de elektronendiffractiepatronen zijn ingevoegd. De roosterrangschikking van de Al-film kan duidelijk worden waargenomen, die een goed gedefinieerde nano-polykristallijne structuur vertoont. Terwijl de PTFE-film brede en diffuse ringen vertoont, wat wijst op een amorfe structuur. De periodieke laagstructuur is gunstig voor grensvlakdiffusie tussen Al-lagen en PTFE-lagen om energie vrij te maken. De homogene filmdikte maakt ook de afstembare energetische prestaties mogelijk door de dikte van elke laag en het aantal lagen te veranderen.

een Dwarsdoorsnede helderveld TEM-beeld van de Al/PTFE-nanolaminaten. b Een afbeelding met hoge resolutie van de Al-laag en het elektronendiffractiepatroon wordt ingevoegd. c Afbeelding met hoge resolutie van de PTFE-laag en het elektronendiffractiepatroon wordt ingevoegd

Om de grensvlakchemische samenstelling tussen Al-laag en PTFE-laag verder te bevestigen, worden XPS-analyses uitgevoerd op de monsters van Al-film, PTFE-film en PTFE-film met een ~ 1-nm dikke Al-laag die op het oppervlak is afgezet. Figuur 3a toont Al 2p-kernniveauspectra van de Al-film en PTFE-film met afzetting van ~ 1-nm dik Al. De pieken van Al 2p-kernniveau die verschenen bij bindingsenergie (BE) van 72,2 eV zijn te wijten aan het metallische Al. De pieken bij 75,4 eV van Al-film en 75,6 eV van ~-1 nm Al afgezet op PTFE-film kunnen worden toegeschreven aan het geoxideerde aluminium. Vergeleken met de PTFE-film zonder Al afgezet op het oppervlak, is de piek van Al 2p-kernniveau dat overeenkomt met Al³⁺ licht verschuiven naar hogere bindingsenergie. Het kan worden veroorzaakt door de reactie tussen Al en PTFE [26, 27]. Ondertussen toont Fig. 3b de veranderingen in F 1s-kernniveau van de PTFE-film voor en na de afzetting van ~-1 nm Al. De piek bij 686,6 eV past goed bij Al-F-bindingen in AlF₃ , wat duidelijk aantoont dat de chemische reactie plaatsvindt op het grensvlak tussen de Al-laag en de PTFE-laag in de beginfase van filmafzetting. Deze resultaten bewijzen ook dat de Al/PTFE-nanolaminaten zich in een metastabiel reactiesysteem bevinden dat bestaat uit brandstof Al, oxidatiemiddel PTFE en een inerte laag Al-F-verbinding. Kleine hoeveelheden Al-F-bindingen die aanwezig zijn op de grensvlakken van Al/PTFE-nanolaminaten kunnen de continue reactie tussen PTFE en Al voorkomen, die belangrijke componenten zijn om een hoge energiedichtheid en stabiliteit van de Al/PTFE-nanolaminaten te behouden [28].

een Spectrum met hoge resolutie van Al 2p-kernniveau van de Al-film en PTFE-film met een ~ 1-nm dikke Al-overlaag. b Hoge resolutie spectrum van F 1s kernniveau van de PTFE-film en de PTFE-film met een ~ 1-nm dikke Al-bovenlaag

De warmteafgifte-eigenschappen van de Al/PTFE-nanolaminaten werden getest door DSC in een temperatuurbereik van 25 tot 800 °C onder een constante verwarmingssnelheid van 10 °C/min in stromend argon. Zoals weergegeven in figuur 4, wordt waargenomen dat een grote exotherme piek abrupt stijgt bij de temperatuurwaarde van 507 ° C, wat wordt geassocieerd met de oxidatie-reductiereactie tussen Al en PTFE. De beginreactietemperatuur van de Al/PTFE-nanolaminaten is 410 °C en de reactiewarmte is ongeveer 3034 J/g, berekend door integratie van de positieve exotherme warmtestroom met betrekking tot de tijd. De Al/PTFE-nanolaminaten vertonen een significant hoge energie-output met een relatief lage aanvangsreactietemperatuur. Merk op dat de reactiewarmte lager is dan de maximale theoretische waarde; dit kan worden veroorzaakt door de reacties die onvolledig zijn tijdens de temperatuurstijging, en de vorming van een Al-F-verbindingslaag aan de grensvlakken vermindert de warmteafgifte enigszins.

DSC-curves van de Al/PTFE-nanolaminaten als functie van de temperatuur in een argonomgeving

Elektrische initiatieprestaties van de (Al/PTFE)_n /Cu-filmbruggen

Op basis van de structuur en exotherme eigenschappen van de Al/PTFE-nanolaminaten, werd een geïntegreerde filmbrug gefabriceerd door Al/PTFE-nanolaminaten te integreren met een Cu-exploderende filmbrug. Een reeks hogesnelheidsvideoframes voor het elektrische initiatiefenomeen van de Cu-filmbrug en de (Al/PTFE)_n /Cu-filmbrug werden opgenomen bij een ontlaadspanning van 2500 V, zoals weergegeven in Fig. 5; het interval tussen aangrenzende foto's is 50 μs. Nadat de opgeslagen elektrische energie door de brug is ontladen, wordt op de Cu-filmbrug een gewelddadig elektrisch explosieproces waargenomen, vergezeld van een heldere flits. Dit duidt op een snelle toestandsverandering van vast naar geïoniseerd plasma die plaatsvond op de Cu-filmbrug; de duur is 250 μs. Terwijl voor de (Al/PTFE)_n /Cu-filmbrug wordt een heftiger explosieproces met grotere hoeveelheden uitgestoten product naar boven waargenomen. De duur is meer dan 500 μs, wat het dubbele is van die van de Cu-filmbrug. Deze resultaten laten duidelijk zien dat de chemische reactie van Al/PTFE-nanolaminaten deelneemt aan de ionisatie van de Cu-filmbrug, en dat de energieafgifte van Al/PTFE-nanolaminaten de elektrische initiatieprestaties aanzienlijk kan verbeteren. De mogelijke gasafgifte en grotere hoeveelheden uitgeworpen product naar boven zijn gunstig voor het verhogen van de druk van gegenereerd plasma.

Hogesnelheidscamera-observatie van de elektrische explosieprocessen voor de Cu-filmbrug (a ) en de (Al/PTFE)_n /Cu filmbrug (b ) bij een ontlaadspanning van 2500 V

Het is een moeilijk werk om de tijdelijke temperatuur te meten, want de elektrische explosietemperatuur kan binnen micro- of nanoseconden enkele duizenden graden Kelvin bereiken. In dit artikel worden de temperatuurvariaties van plasma tijdens de initiatieprocessen bepaald door relatieve intensiteiten van spectraallijnen van dezelfde atomaire of ionische soort te vergelijken. Afbeelding 6 toont de plasmatemperatuurvariaties van de Cu-filmbrug en de (Al/PTFE)_n /Cu filmbrug tijdens de elektrische initiatieprocessen. Na activering neemt de elektrische explosietemperatuur van de Cu-filmbrug snel toe en bereikt het maximum van ~ 6819 K. Terwijl voor de (Al/PTFE)_n /Cu-filmbrug, de piektemperatuur is ~ 8289 K; het is veel hoger dan die van de Cu-filmbrug. Het geeft duidelijk aan dat de chemische reactie in Al/PTFE-nanolaminaten wordt geactiveerd met een groot aantal warmteafgifte. De hogere temperatuur is gunstig voor de ionisatie van metaalfilm en de snelle expansie van plasma. Deze resultaten komen goed overeen met de waarneming met hoge snelheid.

De temperatuurvariatiecurves na gegevensverwerking tijdens het elektrische explosieproces voor de Cu-filmbrug en de (Al/PTFE)_n /Cu-filmbrug bij een ontlaadspanning van 2500 V

Zoals we allemaal weten, zal de uiteindelijke snelheid van vliegers de succesvolle ontploffing van de explosieven beïnvloeden, en de kinetische energie van vliegers komt voort uit de snelle expansie van Cu-plasma. Na activering wordt de geïsoleerde vliegfolie die op de filmbrug is gecoat, afgeschoven en omhoog geduwd door het hoge temperatuur- en drukplasma, zoals weergegeven in figuur 7a. De snelheidsvariaties met de tijd werden gereconstrueerd uit het PDV-signaal via snelle Fourier-transformatie [29]. Afbeelding 7b toont de snelheidsvariatiecurves voor de Cu-filmbrug en de (Al/PTFE)_n /Cu filmbrug bij een ontlaadspanning van 2500 V. Terwijl de brugfilm verdampt en het plasma snel uitzet, begint de vlieglaag een bel te vormen en wordt deze vervolgens uitgesneden door de rand van het vat. De vlieger wordt naar boven versneld totdat hij een evenwicht bereikt tussen luchtweerstand en druk van de explosie, en vervolgens ontstaat een platform. De pieksnelheid is 2792 m/s voor de Cu-filmbrug, terwijl deze 3180 m/s is voor de (Al/PTFE)_n /Cu filmbrug. Dit betekent dat de kinetische energie van vliegers afkomstig van de elektrische explosie met ongeveer 29,9% wordt verhoogd dankzij de integratie met Al/PTFE-nanolaminaten. Hoewel de starttijd voor (Al/PTFE)_n /Cu-filmbrug is iets later dan die van de Cu-filmbrug, de algehele acceleratietijd is redelijk bij benadering. De chemische reactie van de Al/PTFE-nanolaminaten is in overeenstemming met de elektrische explosie van de Cu-filmbrug, en de energie-output van de Cu-filmbrug kan duidelijk worden verhoogd door integratie met de Al/PTFE-nanolaminaten.

een Schematische illustratie zijaanzicht van EFI-werking in elektrisch initiatieproces. b De snelheidsvariatiecurven gereconstrueerd uit het PDV-signaal tijdens de elektrische initiatieprocessen voor de Cu-filmbrug en de (Al/PTFE)_n /Cu-filmbrug bij een ontlaadspanning van 2500 V

Conclusies

Samenvattend werden reactieve Al/PTFE-nanolaminaten met een periodieke laagstructuur met succes gefabriceerd door middel van magnetronsputteren. De Al/PTFE-nanolaminaten waren samengesteld uit PTFE-lagen (amorf), Al-lagen (polykristallijn) en inerte lagen (Al-F-verbinding) in een metastabiel systeem, dat een hoge energie-output van 3034 J/g zou kunnen leveren. Door middel van MEMS-technologie werden de Al/PTFE-nanolaminaten geïntegreerd met een Cu-exploderende folie om een geïntegreerde filmbrug te construeren. De chemische reactie van Al/PTFE-nanolaminaten komt goed overeen met de elektrische explosie van de Cu-filmbrug. De elektrische explosietemperatuur en de energie-output van de geïntegreerde filmbrug worden ook duidelijk verhoogd. Over het algemeen kunnen de initiatieprestaties van de Cu-filmbrug duidelijk worden verbeterd door integratie met de Al/PTFE-nanolaminaten.