Ti/B多层结构含能点火元件的制备与表征

王丽玲，王 亮，蒋小华，何 碧，尹强，朱和平

(中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900)

反应多层膜是一种新型含能纳米材料，通常由2 种或多种可发生放热反应的材料交替沉积形成A/B/A 结构。反应多层膜的一个特点是其在一定能量刺激下能发生快速反应，形成稳定化合物并产生大量热和高的绝热反应温度。由于反应不需要来自周围环境的附加原子(如氧气等)，并且反应能够放出热量、迅速点燃，达到1400K 以上的温度，局部加热温度达到109K/s 的自持能源，该能源可以在要求迅速且局部产生热量的应用中(如焊接、点火)有巨大的应用前景［1］。

20 世纪80 年代以来德国、瑞典等国利用物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)技术研制了多种以金属复合薄膜桥为发火元件的点火器和雷管。如瑞典Sven-Erik 等人申报的美国专利US4335653 和4409898 介绍了电磁辐射和杂电钝感的金属复合膜桥点火器［2］。20 世纪90 年代，美国科学家们便设计了一种基于反应多层膜的含能桥电爆装置［3］。英国皇家军械研究院和标准电信试验有限公司联合研制了一种双层金属薄膜桥雷管，其特点是发火安全可靠，作用时间快。

由于含能桥点火能力强，药剂与含能桥之间可以有一定间隙空腔，可以实现隔离点火，在这个空腔点火通道中可以实现基于MEMS 的微安保系统。药剂与含能桥不直接接触，就不会存在传统桥丝火工品药剂在长期贮存条件下可能腐蚀桥丝缩短火工品寿命的可能，在火工品贮存性方面含能桥更有优势。复合含能桥电爆装置具有很好地抗射频和电磁干扰、杂散电流的能力，这也是桥丝电火工品不能达到的。另外还可望在复合含能桥上通过对桥膜结构的设计形成一个类似二极管的结构达到释放静电的作用，防止静电引起的意外起爆，大大提高了火工品的安全性［4］。由于复合含能桥的发火特点，其点火能力较强，有望使用感度较低的点火药、增加火工品的安全性，甚至能减化点火装置的结构，减小现有点火系统的体积。由于复合含能桥组成的电爆装置可以利用微电子集成技术，提高了产品的可靠性，批量生产降低了成本。它将对军用和民用火工品发展以及相关系统的发展产生巨大影响，并对火工品应用领域的拓宽起到推动作用。

1 试验方法

本文选用含能桥的2 种材料为硼和金属钛。基底采用玻璃电极塞，先在丙酮、无水乙醇中超声波清洗15 min，再用去离子水冲洗后烘干。含能桥的制备在沈阳世昂真空生产的SAJS-500 型多靶磁控溅射仪上进行，采用氩气(纯度＞99.999%)为工作气体，本底真空抽至1(10-3Pa，工作气压为0.9 Pa，靶基距约50 mm。Ti 薄膜采用直流溅射，溅射功率为70 W，B 薄膜制备是陶瓷靶，采用射频溅射，溅射功率为100 W。真空腔加热温度为100℃。

含能桥结构设计如图1 所示，在玻璃电极塞上用掩模方法制备钛薄膜，作为电阻桥，用于加热含能桥，控制钛电阻桥电阻2 ～3 Ω。再沉积B 膜作为绝缘层，绝缘层的作用是控制电阻桥的电阻大小，不会随着表面沉积了含能桥而改变。然后制备含能桥，交替沉积Ti 和B 薄膜。点火器设计如图2所示，采用点火药为BNCP 药柱。

图1 含能桥结构

图2 含能桥点火元件

2 试验结果及讨论

对多层含能薄膜进行了XRD 图谱测试，如图3 所示，在2θ 值35.1°、38.2°和52.6°分别对应Ti(100)、(102)晶面的特征吸收峰，在2θ 值25.5°、36.8°、43.2°、57.5°、66.4°、68.3°出现B(012)、(110)、(021)、(211)、(009)和(027)晶面的特征吸收峰，由此可以证明所制备的含能薄膜成分为Ti 和B的单质状态，尚未形成钛和硼的化合物或只有少量钛硼化合物。

图3 多层含能薄膜的XRD 图谱

图4 是剥离掉的含能桥的断面形貌，多层膜的典型显微结构，可以清楚地看到多层连续结构。从含能桥表面形貌可以看出，形成了致密的岛状结构，光滑平整，但颗粒界面清晰。

图4 含能桥表面及断面照片

含能桥通2A 直流电流，未发火，5 A 条件下发火，并用HS4540MX12 高速运动记录系统记录下来含能桥发火过程，如图5 所示，可以看到火花飞溅的现象，火花甚至可以达到30 mm 左右。这是由于含能桥在热能刺激下，快速发生反应2B+Ti→TiB2+5.52 J/mg［4］，反应生成的高温产物飞溅，形成火花。对比发火前后的照片图6 可以看出，发火后两电极之间部分都已经反应。

图5 含能桥发火过程照片

图6 含能桥发火前后照片

为了验证含能桥的点火性能，进行了含能桥点火试验，BNCP 药柱尺寸为Φ3.4mm ×2mm，质量为35 mg，密度约为1.9 g/cm3。5 A 条件下成功实现了隔离0.1 mm 的空腔点火，作用时间小于100 μs，点火过程电压曲线如图7 所示。

图7 隔离0.1 mm 点火电压曲线

另外还将点火药与含能桥之间用0.02 mm 的聚酯薄膜完全隔离，也成功点火。

3 结束语

采用磁控溅射方法制备硼钛复合含能桥。通过含能桥断面和表面形貌观察，可以看到Ti 和B 的连续交互层。用HS4540MX12 高速摄像系统记录下来含能桥发火过程，火花溅射距离可达到30 mm 左右。进行了含能桥对BNCP 药柱的点火试验，成功实现0.1 mm 距离隔离点火，并且在含能桥与药柱之间用厚度0.02 mm 的聚酯薄膜隔离时也成功点火。试验证明含能桥具有较强的点火能力，安全性更好。

［1］Barbee T W，Jr.，A.E.Gash，Satcher J H，et al.Nanotechnology based Environmentally Robust Primers［C］//34th Annual Institute of Chemical Technology Meeting.［S.l.］:［s.n.］，2003.

［2］Thomas A. Baginski，Steven L. Taliaferro，Wm. David Fahey. Novel Electroexplosive device incorporating a reactive laminated metallic bridge［J］. Journal of propulsion and power，2001，17（1）:20-25.

［3］Thomas A.Baginski，Todd S.Parker，Wm.David Fahey.Electro-explosive device with laminate bridge［P］. U. S. patent:0081146，2006-05-12.

［4］Shuji Tanaka，Kazuyuki Kondo，Hiroto Habu. Test of BTi Multilayer Reactive Igniters for a Micro Solid Rocket Array Thruster Thruster［J］. Sensors and Actuators: A Physical（2007），2008.