Verbesserte energetische Leistung basierend auf der Integration mit Al/PTFE-Nanolaminaten

Hintergrund

In den letzten zehn Jahren haben Untersuchungen an nanostrukturierten energetischen Materialien aufgrund ihrer überlegenen energetischen Leistung, einschließlich niedriger Zündtemperatur, schneller Energiefreisetzung, hoher Energiedichte und einstellbarer Reaktivität, weltweites Interesse und zunehmendes Forschungsinteresse gefunden [1,2,3,4,5 ,6,7,8,9,10]. Die in diesen Materialien gespeicherte chemische Energie kann bei elektrischer, optischer, stoßartiger oder thermischer Betätigung freigesetzt werden, die für militärische Zwecke und zivile Anwendungen genutzt werden kann, z Airbag-Treibmittel [13] und Stromversorgung [14]. Viele Methoden, einschließlich des physikalischen Mischens von Nanopulvern, des arretierten reaktiven Mahlens dichter Nanokomposite, der elektrophoretischen nanoenergetischen Beschichtung und der periodischen Abscheidung von Nanolaminaten, wurden eingeführt, um nanostrukturierte energetische Materialien herzustellen [15,16,17,18,19]. Unter diesen Methoden bietet die Herstellung von Nanolaminaten durch abwechselndes Abscheiden von zwei oder mehr unterschiedlichen Filmen eine faszinierende Struktur für die Geräteintegration mit einstellbarer energetischer Leistung, da die Anzahl der Schichten und die Dicke der Monoschicht leicht kontrolliert werden können und folglich ihre energetischen Leistungen abgestimmt werden können.

Exploding Foil Initiator (EFI) ist eine Art pyrotechnischer Vorrichtungen zur Stromerzeugung, die zur Initiierung von Sekundärreaktionen verwendet werden [20]. Nach dem Anlegen eines elektrischen Impulses bewirkt eine augenblicklich steigende Stromdichte die Verdampfung der Metallfilmbrücke und die Erzeugung von Hochdruckplasma. Dann wird der Flyer auf der Filmbrücke geschert und beschleunigt, um auf den Sprengstoff aufzuprallen. Mit den steigenden Anforderungen an die Miniaturisierung elektrischer Zündvorrichtungen und die Initiierung mit niedriger Energie stellt die Integration von nanoenergetischen Schichten mit einer Metallfilmbrücke basierend auf mikroelektronischer und mechanischer System (MEMS)-Technologie zur Erzielung funktionaler Nanoenergetik-on-a-Chip (NOC) ein vielversprechendes Option für die Entwicklung von EFI. Die Kombination der Reaktionswärme energetischer Materialien mit der traditionellen elektrischen Joule der Metallfilmbrücke ermöglicht es, die elektrischen Explosionsleistungen von EFI mit geringer Energieinitiierung in einer kompakten Größe zu verbessern.

Al/PTFE-Nanolaminatfolie ist aus den folgenden Gründen ein vielversprechender Kandidat für die Integration mit EFI. Erstens ist das Metall Al ein übliches Material mit einer hohen Energiedichte und Energiefreisetzungsrate während der Oxidation. Inzwischen beträgt der Fluorgehalt in PTFE bis zu 76 Gew.-%, der mit dem Metall Al reagieren kann, um AlF₃ . zu bilden mit einer hohen theoretischen Energiefreisetzung von 5571 J/g [21]. Zweitens kann die potenzielle Gasfreisetzung aus der Pyrolyse des PTFE-Films und des Reaktionsprodukts von Oxycarbid unter atmosphärischen Bedingungen den Druck des erzeugten Plasmas erhöhen, was für das Scheren und Beschleunigen des Flyers vorteilhaft ist [22]. In dieser Arbeit wurde eine integrierte Filmbrücke entworfen und hergestellt, indem die Al/PTFE-Nanolaminate mit einer Cu-Explosionsfilmbrücke integriert wurden. Die Struktur und chemische Zusammensetzung von Al/PTFE-Nanolaminaten im abgeschiedenen Zustand wurde durch TEM- und XPS-Analysen untersucht. Die Auswirkungen der integrierten Al/PTFE-Nanolaminate auf die elektrische Zündleistung wurden durch elektrische Explosionstests untersucht.

Methoden

Abscheidung der Al/PTFE-Nanolaminate

Al/PTFE-Nanolaminate wurden durch abwechselndes Abscheiden von Al-Schichten und PTFE-Schichten durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern bzw. Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern hergestellt. Die zum Sputtern verwendeten Targets waren reine Aluminiumfolie (Reinheit> 99,999 %) und Polytetrafluorethylenfolie (Reinheit> 99,99 %) mit einer Größe von 100 mm Durchmesser. Ein rotierender Substrattisch wurde verwendet, um mehrere abwechselnde Abscheidungen zu realisieren. Der Basisdruck für die Filmabscheidung lag unter 5 × 10 ^– 4 Pa, und das Argongas wurde als Gasmedium eingeführt. Die Abscheidungsparameter wurden auf 1,1 Pa, 300 W für PTFE-Schichten und 0,45 Pa, 100 W für Al-Schichten eingestellt, um eine optimierte Filmqualität und eine stabile Abscheidungsrate zu erzielen.

Vorbereitung des (Al/PTFE)_n /Cu-integriertes EFI

Die (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke wurde durch Magnetron-Sputtern und MEMS-Techniken auf einem Aluminiumoxid-Keramiksubstrat mit einem Durchmesser von 3 Zoll hergestellt. Der Herstellungsprozess des (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke ist in Abb. 1 gezeigt. Jede Einheit besteht aus einer Cu-Explosionsfilmbrücke auf der Unterseite, einem rechteckigen Al/PTFE-Nanolaminatfilm, der auf der Oberseite einer Cu-Filmbrücke abgeschieden ist, und zwei Kontaktflächen von Cu-Pads bei die beiden Seiten der Al/PTFE-Nanolaminate.

Schematische Zeichnung und Herstellungsprozessablauf des (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke

Vor der Abscheidung wurde das Substrat nacheinander mit Aceton, Alkohol und entionisiertem Wasser 10 Minuten lang mit Ultraschall gereinigt. Als nächstes wurde das gereinigte Substrat mit Argongas blasgetrocknet und zur weiteren Trocknung 1 h bei 120 °C wärmebehandelt. Nach dem Trocknen wurde auf dem gereinigten Substrat durch DC-Magnetron-Sputtern eine 2 µm dicke Cu-Schicht abgeschieden. Anschließend wurde der abgeschiedene Cu-Film durch Photolithographie strukturiert und mit einem Kupferätzmittel (CE – 100) naßgeätzt. Die Abmessung der gemusterten Cu-Filmbrücke betrug 600 μm  ×   600 μm. Dann wurden ~2 µm dicke Al/PTFE-Nanolaminate auf der Oberseite der Cu-Filmbrücke abgeschieden und mit einem Bildumkehr-Lift-Off-Prozess strukturiert. Die Stapelfolge zum Sputtern von Al/PTFE-Nanolaminaten war Al/PTFE/Al/PTFE/Al, und die Al-Schicht wurde als oberste Schicht belassen. Danach wurden auf beiden Seiten der Al/PTFE-Nanolaminate zwei mit Maske strukturierte Cu-Kontaktpads für den Anschluss an die Spannungsquelle gestapelt. Schließlich wurde die fertige Probe in einzelne Einheiten gewürfelt.

Charakterisierung der Al/PTFE-Nanolaminate

Die Kristallinität und strukturmikroskopische Charakterisierung der Al/PTFE-Nanolaminate erfolgte mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Auf der PTFE-Schicht wurde ein ~1 nm dicker Al-Film abgeschieden, um die chemischen Zusammensetzungen der Grenzfläche zwischen Al-Schicht und PTFE-Schicht durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zu bestimmen. Die PTFE-Nanolaminate wurden vom Substrat abgeschrottet und in einen Aluminiumoxidtiegel zur Analyse der Energiefreisetzung durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) überführt. Die Probenmasse für jeden Test betrug ~ 10 mg, und die Tests wurden von 25 bis 800 °C mit einer Heizrate von 10 °C/min in fließendem Argon durchgeführt.

Elektrischer Explosionstest der Filmbrücke

Die elektrischen Explosionseigenschaften der Proben wurden mit einem elektrischen Explosionsmesssystem getestet, das dem vorherigen Bericht für die Cu/Al/CuO-Filmbrücke [23] ähnelt. Die elektrischen Explosionstemperatureigenschaften wurden durch einen elektrischen Explosionstemperatur-Diagnosemodus basierend auf der „Doppellinien-Atomemissionsspektroskopie eines Kupferelements“ bestimmt [24, 25]. Die elektrischen Explosionsphänomene wurden von einer Hochgeschwindigkeitskamera mit 20.000 Bildern pro Sekunde synchron aufgezeichnet. Der Beschleunigungsprozess von Flyern wurde durch photonische Doppler-Velocimetrie (PDV) ermittelt, um die Fähigkeit zum Fahren von Flyern zu untersuchen.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung der Al/PTFE-Nanolaminate

Das TEM-Querschnittsbild der Al/PTFE-Nanolaminate ist in Abb. 2a gezeigt. Die Al- und PTFE-Schichten sind periodisch in vertikaler Ausrichtung angeordnet und der gut ausgerichtete Schichtaufbau ist deutlich sichtbar. Die dunklen Streifen entsprechen den Al-Schichten, während die hellen Streifen den PTFE-Schichten entsprechen. Die Al-Schichten und PTFE-Schichten sind gut zu unterscheiden und auch die wellenförmigen Grenzflächen zwischen Al-Schichten und PTFE-Schichten sind im Bild sichtbar. Die Monoschichtdicke der Al-Schicht und der PTFE-Schicht beträgt etwa 50 bzw. 75 nm. Die hochauflösenden Bilder der Al-Schicht und der PTFE-Schicht sind in Fig. 2b, c gezeigt und die Elektronenbeugungsmuster sind eingefügt. Deutlich zu erkennen ist die Gitteranordnung des Al-Films, der eine wohldefinierte nano-polykristalline Struktur aufweist. Während der PTFE-Film breite und diffuse Ringe aufweist, was auf eine amorphe Struktur hinweist. Die periodische Schichtstruktur ist vorteilhaft für die Grenzflächendiffusion zwischen Al-Schichten und PTFE-Schichten, um Energie freizusetzen. Die homogene Filmdicke ermöglicht auch die abstimmbare energetische Leistung durch Ändern der Dicke jeder Schicht und der Anzahl der Schichten.

a Hellfeld-TEM-Querschnittsaufnahme der Al/PTFE-Nanolaminate. b Ein hochauflösendes Bild der Al-Schicht und des Elektronenbeugungsmusters wird eingefügt. c Hochauflösendes Bild der PTFE-Schicht und des Elektronenbeugungsmusters wird eingefügt

Um die chemische Grenzflächenzusammensetzung zwischen Al-Schicht und PTFE-Schicht weiter zu bestätigen, werden XPS-Analysen an den Proben von Al-Film, PTFE-Film und PTFE-Film mit einer auf der Oberfläche abgeschiedenen ~1 nm dicken Al-Schicht durchgeführt. Abbildung 3a zeigt Al 2p-Kernniveauspektren des Al-Films und des PTFE-Films mit Abscheidung von ~ 1 nm dickem Al. Die Peaks des Al 2p-Kernniveaus, die bei einer Bindungsenergie (BE) von 72,2 eV auftraten, sind auf das metallische Al zurückzuführen. Die Peaks bei 75,4 eV vom Al-Film und 75,6 eV von ~ 1 nm Al, das auf dem PTFE-Film abgeschieden wurde, könnten dem oxidierten Aluminium zugeschrieben werden. Verglichen mit dem PTFE-Film ohne Al-Ablagerung auf der Oberfläche, der Peak des Al 2p-Kernniveaus, das Al ³⁺ . entspricht leicht zu höherer Bindungsenergie verschieben. Es könnte durch die Reaktion zwischen Al und PTFE induziert werden [26, 27]. In der Zwischenzeit zeigt Fig. 3b die Änderungen des F 1s-Kernniveaus des PTFE-Films vor und nach der Abscheidung von ~   1 nm Al. Der Peak bei 686,6 eV passt gut zu Al-F-Bindungen in AlF₃ , die deutlich zeigt, dass die chemische Reaktion an der Grenzfläche zwischen der Al-Schicht und der PTFE-Schicht im Anfangsstadium der Filmabscheidung stattfindet. Diese Ergebnisse beweisen auch, dass sich die Al/PTFE-Nanolaminate in einem metastabilen Reaktionssystem befinden, das aus Brennstoff-Al, Oxidationsmittel PTFE und einer inerten Schicht Al-F-Verbindung besteht. Kleine Mengen an Al-F-Bindungen, die an den Grenzflächen von Al/PTFE-Nanolaminaten vorhanden sind, könnten die kontinuierliche Reaktion zwischen PTFE und Al verhindern, die wichtige Komponenten sind, um eine hohe Energiedichte und Stabilität der Al/PTFE-Nanolaminate aufrechtzuerhalten [28].

a Hochauflösendes Spektrum der Al 2p-Kernebene des Al-Films und des PTFE-Films mit einer ~ 1 nm dicken Al-Deckschicht. b Hochauflösendes Spektrum der F 1s-Kernebene des PTFE-Films und des PTFE-Films mit einer ~ 1-nm-dicken Al-Deckschicht

Die Wärmeabgabeeigenschaften der Al/PTFE-Nanolaminate wurden durch DSC in einem Temperaturbereich von 25 bis 800 °C unter einer konstanten Heizrate von 10 °C/min in fließendem Argon getestet. Wie in Abb. 4 gezeigt, wird beobachtet, dass ein großer exothermer Peak bei einem Temperaturwert von 507 °C abrupt ansteigt, was mit der Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Al und PTFE in Verbindung steht. Die Reaktionsbeginntemperatur der Al/PTFE-Nanolaminate beträgt 410 °C und die Reaktionswärme beträgt etwa 3034 J/g, berechnet durch Integrieren des positiven exothermen Wärmeflusses in Bezug auf die Zeit. Die Al/PTFE-Nanolaminate zeigen eine signifikant hohe Energieabgabe bei relativ niedriger Reaktionstemperatur. Beachten Sie, dass die Reaktionswärme unter dem maximalen theoretischen Wert liegt; dies kann durch die Reaktionen verursacht werden, die während des Temperaturanstiegs unvollständig sind, und die Bildung einer Al-F-Verbindungsschicht an den Grenzflächen verringert die Wärmeabgabe geringfügig.

DSC-Kurven der Al/PTFE-Nanolaminate als Funktion der Temperatur in Argonumgebung

Elektrische Initiationsleistungen der (Al/PTFE)_n /Cu-Film-Brücken

Basierend auf der Struktur und den exothermen Eigenschaften der Al/PTFE-Nanolaminate wurde eine integrierte Filmbrücke hergestellt, indem Al/PTFE-Nanolaminate mit einer Cu-explodierenden Filmbrücke integriert wurden. Eine Sequenz von Hochgeschwindigkeits-Videoframes für das elektrische Initiierungsphänomen der Cu-Filmbrücke und des (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke wurden bei einer Entladungsspannung von 2500 V aufgezeichnet, wie in Fig. 5 gezeigt; der Abstand zwischen benachbarten Bildern beträgt 50 μs. Nach dem Entladen der gespeicherten elektrischen Energie durch die Brücke wird ein heftiger elektrischer Explosionsprozess begleitet von einem hellen Blitz auf der Cu-Filmbrücke beobachtet. Dies weist auf eine schnelle Zustandsänderung von festem zu ionisiertem Plasma hin, die auf der Cu-Filmbrücke auftrat; die Dauer beträgt 250 μs. Während für (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke wird ein heftigerer Explosionsprozess mit größeren Mengen an ausgestoßenem Produkt nach oben beobachtet. Die Dauer beträgt über 500 μs, was dem Doppelten der Cu-Filmbrücke entspricht. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die chemische Reaktion von Al/PTFE-Nanolaminaten an der Ionisierung der Cu-Filmbrücke beteiligt ist und die Energiefreisetzung von Al/PTFE-Nanolaminaten die elektrischen Initiierungsleistungen wesentlich verbessern kann. Die potenzielle Gasfreisetzung und größere Mengen an ausgestoßenem Produkt nach oben sind vorteilhaft, um den Druck des erzeugten Plasmas zu erhöhen.

Hochgeschwindigkeitskamerabeobachtung der elektrischen Explosionsprozesse für die Cu-Filmbrücke (a ) und die (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke (b ) bei 2500-V-Entladespannung

Es ist eine schwierige Arbeit, die transiente Temperatur zu messen, denn die Temperatur der elektrischen Explosion kann innerhalb von Mikro- oder Nanosekunden mehrere Tausend Kelvin erreichen. In diesem Artikel werden die Temperaturschwankungen des Plasmas während der Initiationsprozesse durch Vergleich der relativen Intensitäten von Spektrallinien derselben atomaren oder ionischen Spezies bestimmt. Abbildung 6 zeigt die Plasmatemperaturschwankungen der Cu-Filmbrücke und des (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke während der elektrischen Zündvorgänge. Nach dem Auslösen steigt die elektrische Explosionstemperatur der Cu-Filmbrücke schnell an und erreicht das Maximum von ~ 6819 K. Während für (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke, die Spitzentemperatur beträgt ~ 8289 K; sie ist viel höher als die der Cu-Filmbrücke. Es zeigt deutlich, dass die chemische Reaktion in Al/PTFE-Nanolaminaten mit einer Vielzahl von Wärmefreisetzungen ausgelöst wird. Die höhere Temperatur ist günstig für die Ionisierung des Metallfilms und die schnelle Expansion des Plasmas. Diese Ergebnisse stimmen gut mit der Hochgeschwindigkeitsbeobachtung überein.

Die Temperaturänderungskurven nach der Datenverarbeitung während des elektrischen Explosionsprozesses für die Cu-Filmbrücke und das (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke bei 2500-V-Entladespannung

Wie wir alle wissen, beeinflusst die Endgeschwindigkeit von Flyern die erfolgreiche Detonation des Sprengstoffs, und die kinetische Energie von Flyern stammt aus der schnellen Expansion des Cu-Plasmas. Nach dem Auslösen wird die auf der Filmbrücke beschichtete isolierte Flyerfolie abgeschert und durch das Hochtemperatur- und Druckplasma nach oben gedrückt, wie in Abb. 7a dargestellt. Die Geschwindigkeitsvariationen mit der Zeit wurden aus dem PDV-Signal durch schnelle Fourier-Transformation rekonstruiert [29]. Abbildung 7b zeigt die Geschwindigkeitsänderungskurven für die Cu-Filmbrücke und das (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke bei 2500-V-Entladespannung. Wenn der Brückenfilm verdampft und sich das Plasma schnell ausdehnt, beginnt die Flyerschicht eine Blase zu bilden und wird dann durch den Rand des Zylinders herausgeschnitten. Der Flyer wird nach oben beschleunigt, bis er ein Gleichgewicht zwischen Luftwiderstand und Explosionsdruck erreicht, und tritt anschließend auf eine Plattform. Die Spitzengeschwindigkeit beträgt 2792 m/s für die Cu-Filmbrücke, während sie 3180 m/s für die (Al/PTFE)_n beträgt /Cu-Filmbrücke. Dies bedeutet, dass die kinetische Energie von Flyern aus der elektrischen Explosion durch die Integration mit Al/PTFE-Nanolaminaten um 29,9 % erhöht wird. Obwohl die Startzeit für (Al/PTFE)_n /Cu-Filmbrücke ist etwas später als die der Cu-Filmbrücke, die Gesamtbeschleunigungszeit ist ziemlich ungefähr. Die chemische Reaktion der Al/PTFE-Nanolaminate steht im Einklang mit der elektrischen Explosion der Cu-Filmbrücke, und die Energieabgabe der Cu-Filmbrücke kann offensichtlich durch die Integration mit den Al/PTFE-Nanolaminaten erhöht werden.

a Schematische Darstellung Seitenansicht des EFI-Betriebs im elektrischen Anfahrvorgang. b Die aus dem PDV-Signal während der elektrischen Initiierungsprozesse für die Cu-Filmbrücke und das (Al/PTFE)_n . rekonstruierten Geschwindigkeitsänderungskurven /Cu-Filmbrücke bei 2500-V-Entladespannung

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden reaktive Al/PTFE-Nanolaminate mit periodischer Schichtstruktur erfolgreich durch Magnetron-Sputtern hergestellt. Die Al/PTFE-Nanolaminate bestanden aus PTFE-Schichten (amorph), Al-Schichten (polykristallin) und inerten Schichten (Al-F-Verbindung) in einem metastabilen System, das eine hohe Energieabgabe von 3034 J/g bereitstellen konnte. Durch die MEMS-Technologie wurden die Al/PTFE-Nanolaminate mit einer Cu-Explosionsfolie integriert, um eine integrierte Filmbrücke zu konstruieren. Die chemische Reaktion von Al/PTFE-Nanolaminaten stimmt gut mit der elektrischen Explosion der Cu-Filmbrücke überein. Auch die elektrische Explosionstemperatur und die Energieausbeute der integrierten Folienbrücke werden deutlich erhöht. Insgesamt kann die Initiierungsleistung der Cu-Filmbrücke offensichtlich durch die Integration mit den Al/PTFE-Nanolaminaten verbessert werden.

Abkürzungen

Al:

Aluminium

Ku:

Cuprum

DSC:

Differenzkalorimetrie

EFI:

Sprengfolienzünder

MEMS:

Mikroelektronische und mechanische Systeme

NOC:

Nanoenergetisch-auf-einem-Chip

PTFE:

Polytetrafluorethylen

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie