Al-Ni和Al-Ti納米含能薄膜材料的制備及其性能研究.pdf

1、Al/Ni、Al/Ti納米含能薄膜材料是一類新型含能材料，在外界能量激勵下可發(fā)生合金化反應，釋放出大量的反應熱。基于此制備的納米含能橋膜具有更高的輸出能量，可以提高換能元的點火能力、發(fā)火的可靠性以及火工品的安全性。本文主要研究了多層Al/Ni、Al/Ti納米含能薄膜的最佳制備工藝、化學反應性和電爆炸特性，取得一定的研究進展，為Al/Ni和Al/Ti含能橋膜換能元的實際應用奠定基礎。
　　利用FE-SEM對Ni、Ti薄膜表面形貌進行

2、表征，最終確定了Ni薄膜的最佳制備工藝條件為:濺射氣壓為0.4Pa，濺射功率為150W; Ti薄膜的最佳制備工藝條件為:濺射氣壓為0.4Pa，濺射功率為150W。測得了最佳制備工藝條件下Ni和Ti薄膜的沉積速率分別約為7.6 nm·min-1和5.0 nm·min-1。
　　磁控濺射法沉積的Al/Ni納米含能薄膜表面平整，成膜顆粒均勻致密。調制周期分別為50nm、100nm和200nm的Al/Ni納米含能薄膜層狀結構清晰。三種不同

3、調制周期的Al/Ni納米含能薄膜中的Al薄膜和Ni薄膜均為晶體結構，Al薄膜主要沿著Al(111)晶面生長，Ni薄膜主要沿著Ni(111)晶面生長。Al/Ti納米含能薄膜表面也很平整，薄膜顆粒均勻致密。Al/Ti納米含能薄膜中Al薄膜主要沿著Al(111)晶面生長，而Ti薄膜主要沿著Ti(110)晶面生長。
　　三種調制周期的Al/Ni納米含能薄膜的DSC曲線規(guī)律相同，均出現(xiàn)了三個主要的放熱峰，對應的溫度區(qū)間分別為500K-530

4、K、570K-650K和670K-730K，且每個放熱峰峰值對應的溫度隨著調制周期的增大呈現(xiàn)上升的趨勢。調制周期為50nm、100nm和200nm的Al/Ni納米含能薄膜的反應放熱量分別為389.43 J/g、396.69 J/g和409.92 J/g。反應后的多層Al/Ni納米含能薄膜XRD測試結果表明:當Al和Ni的原子比為1比1時，三種調制周期的多層Al/Ni納米含能薄膜的最終反應產物均為AlNi，與調制周期無關。
　　采用

5、Kissinger法和Ozawa法計算得到三種調制周期的Al/Ni納米含能薄膜每個放熱峰的活化能，兩種方法得到的活化能呈現(xiàn)的規(guī)律一致，每種調制周期下Al/Ni納米含能薄膜三個放熱峰的活化能隨著峰值溫度的增大均依次升高，且不同調制周期的Al/Ni納米含能薄膜對應的放熱峰活化能都比較接近。
　　三種調制周期的Al/Ti納米含能薄膜的DSC曲線規(guī)律也基本相同，均出現(xiàn)了兩個主要的放熱峰，對應的溫度區(qū)間分別為720K-770K和950K-9

6、70K。調制周期為50nm、100nm和200nm的Al/Ti納米含能薄膜的反應放熱量分別為457.99J/g、493.42 J/g和696.81 J/g。反應后的XRD測試結果表明:當Al和Ti的原子比為1比1時，三種調制周期的多層Al/Ti納米含能薄膜的最終反應產物均為AlTi，與調制周期無關。
　　采用Kissinger法和Ozawa法計算得到三種調制周期的Al/Ti納米含能薄膜的活化能所呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，每種調制周期的A

7、l/Ti納米含能薄膜的第一個放熱峰的活化能均大于第二放熱峰的活化能。
　　Al/Ni和Al/Ti系列納米含能橋膜的爆發(fā)時間與電壓之間的關系規(guī)律一致，并且等離子體持續(xù)時間與電壓之間的關系也規(guī)律一致。橋膜的爆發(fā)時間隨著電壓的增大而降低，而等離子體持續(xù)時間隨著電壓的增加而增大。Al/Ni納米含能橋膜在充電電壓一定時等離子體持續(xù)時間均大于Al橋膜和Ni橋膜;Al/Ti納米含能橋膜等離子體持續(xù)時間均大于Al橋膜和Ti橋膜，且持續(xù)時間差距明顯

8、。
　　在相同的激勵電壓條件下納米含能橋膜都出現(xiàn)了劇烈的電爆炸，Al/Ni和Al/Ti納米含能橋膜的等離子體形成的時間小于Al橋膜、Ni橋膜和Ti橋膜的等離子體的形成時間，而Al/Ni和Al/Ti納米含能橋膜的電爆炸持續(xù)時間卻要長于Al橋膜、Ni橋膜和Ti橋膜的電爆炸持續(xù)時間，這與伏安特性曲線得到的結論一致。三種不同調制周期的Al/Ni和Al/Ti納米含能橋膜均存在著劇烈的燃燒現(xiàn)象，高溫粒子的飛濺距離約有5mm-8mm，這種高溫粒

9、子飛散的現(xiàn)象對于實現(xiàn)微系統(tǒng)的隔離點火有非常重要的研究意義。
　　三種不同調制周期的Al/Ni納米含能橋膜的溫度均高于Al橋膜、Ni橋膜的溫度。Al/Ni納米含能橋膜在電爆時的峰值溫度都在6000K以上，且調制周期50nm的Al/Ni納米含能橋膜的峰值溫度最高約在7000K左右，比Al橋膜和Ni橋膜的峰值溫度高出50％左右。研究表明Al和Ni之間的合金化反應對于Al/Ni納米含能橋膜的溫度提升的確具有一定的促進作用。
　　三種