第四代火工品部分概念初步探讨

褚恩义，张 方，张 蕊，薛 艳，任 炜，王燕兰，解瑞珍



第四代火工品部分概念初步探讨

褚恩义，张 方，张 蕊，薛 艳，任 炜，王燕兰，解瑞珍

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学重点实验室，陕西 西安，710061）

针对第四代火工品的典型结构组成，探讨了其基础研究过程中涉及的部分概念，主要包括MEMS火工品、微纳结构药剂、微结构换能元、原位装药技术、直写墨水药剂、微含能芯片和微起爆序列等，为第四代火工品的发展提供技术支持。

第四代火工品；结构；概念；MEMS

20世纪90年代，为适应信息化武器和各类微型武器发展的需要，国外开始研究以换能信息化、结构微型化、序列集成化为主要特点的新概念火工品，国内将具有这类特征的火工品定义为第四代火工品。与传统火工品相比，第四代火工品在研究过程中通常涉及微尺度下（微米、纳米）含能材料响应特性和能量传递问题，加之第四代火工品的设计主要基于MEMS技术的设计思想，制造基本采用MEMS工艺，与传统火工品有着本质的区别。因此，第四代火工品在探索研究阶段出现了大量的新现象、新原理、新方法和新技术。由于不同研究机构对于同一研究对象的理解不同，致使目前国内第四代火工品的各种概念、称谓各不相同。本研究对第四代火工品涉及的概念进行了初步探讨，对典型MEMS火工品的结构组成中的主要概念进行了定义，给出了概念之间的关系，并通过典型例子和图例进行了说明。希望借此抛砖引玉，共同促进第四代火工品相关技术发展。

1 MEMS火工品概念

MEMS火工品（MEMS Pyrotechnics）是MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems，微机电系统）技术、微纳米材料技术与火工品技术结合的产物。典型的MEMS火工品包含微结构换能元、微含能芯片、微安保机构（微安全芯片）等3部分，其共同组成一个微起爆序列或微点火序列，如图1所示。MEMS火工品的主要特点是结构微型化、换能信息化和序列集成化，并以MEMS工艺为主要制造工艺。MEMS火工品的核心是微含能芯片，其采用微纳结构火工药剂作为装药，且装药工艺要求与MEMS工艺相兼容，如原位装药、直写装药等。微含能芯片与微结构换能元和微安保机构可以一体化设计并集成制造，并与控制芯片集成封装。

图1 典型MEMS火工品结构示意图

MEMS火工品是第四代火工品的典型代表，是火工品技术发展的重要方向。2005年，法国国家科学研究中心系统分析与架构实验室（LAAS）的Carol Rossi教授[1]首次提出了“微火工品”（Micropyrotechnics）的概念，指出微火工品是含能材料与微系统（Micro- system）的集成（在欧洲，MEMS指微系统）。2008年，瑞士传感器、执行器和微系统实验室（The Sensors, Actuators and Micro- systems Laboratory Samlab）的Nico de Rooij[2]将固体含能材料与微系统的集成称为MEMS火工品（Pyrotechnical Micro-Electro- Mechanical Systems, PyroMEMS）。在欧洲PyroMEMS多用于微驱动（Micro-actuation）[3]、微推冲（Micro- thrustor）[4]和微点火（Ignitor）[5]等。美国早在20世纪90年代就将MEMS技术用于火工品关键元件的制造。1999年，美国采用溅射工艺制成桥膜代替火工品的桥丝，以增强火工品抗过载能力，提高产品质量一致性，将使用薄膜换能元的雷管称为“薄膜雷管”（Thin Film Detonator）[6]；2000年，美国引信年会上公布了一款“灵巧雷管”（Smart Detonator），该雷管采用MEMS技术制作了微安保机构的机械锁及隔断装置（Lock/Interrupter）[7]；2001年，美国人分别采用DRIE（Deep Reactive Ion Etching，深度反应离子刻蚀）和LIGA（Lithographie Galvano- Forming Abformung，制版电铸造成形与注塑）工艺，制作了微安保机构，并将其用于微雷管和爆炸序列中（Micor-detonator and Explosive Train）[8]。2004年，引信年会的资料中，将控制电路、微安保机构、含能材料集成在一个由多个功能芯片组成的模块上，并将其称为“MEMS引信模块”（Modular MEMS Fuze）[9]。

2 MEM火工品结构及其概念

2.1 微结构换能元

微结构换能元（Micro-initiator/Micro-actuator）是火工品能量转换器件，即将电能转换成热能、光能、飞片动能等引发火工药剂产生燃烧或爆炸的器件。国外将换能元称为Initiator或Actuator。微结构换能元是指采用MEMS工艺制作、特征尺寸在毫米量级的火工品用换能器件，一般具有平面多层结构，易于进行大批量自动化制造。2010年，美国公布了其研制的可替代M100电雷管的MEMS火工品中的微结构换能元，如图2所示。该换能元采用MEMS工艺，将不同结构、形状和材料的桥膜制作在不同的基底上，以达到提高换能效率的目的，至今其发展已经经历了4个阶段[10]。表1给出了微换能元的参数。

图2 可替代M100电雷管的MEMS火工品中的微结构换能元

2.2 微含能芯片

微含能芯片（Micro-energetics-on-a-chip）是MEMS火工品的重要组成部分。微含能芯片以硅片等为载体，采用与MEMS工艺相兼容的方法，在芯片（Chip）上装填微纳结构药剂，以实现火工品的起爆、点火等功能。芯片是半导体元件产品的统称，是集成电路（IC, integrated circuit）的载体，每个芯片可以独立完成其设计功能。美国将装填了叠氮化铜或叠氮化银的芯片称为“微雷管”（Micro-detonator, Micro- detonics）[10]，香港城市大学的张开黎则把集成有微纳结构Al/Cuo材料的芯片称为“含能芯片”（Energetics- on-a-chip）[11]。典型的含能芯片是微结构换能元与微纳结构药剂集成的产物。

表1 微组装技术公司的四代换能元发展历程[10]

Tab.1 The development of micro assembly technologies micro-initiator

一种典型的装填有叠氮化铜微含能芯片的制备流程为：首先，以硅片为基底，采用MEMS工艺在其上制作Ni/Cr合金材料的微结构换能元。然后在微结构换能元上制作金属铜薄膜，经光刻-腐蚀及原位叠氮化反应后，金属铜薄膜生成叠氮化铜薄膜微纳结构药剂，形成微含能芯片[12]。该设计中微纳结构换能元和微纳结构药剂（叠氮化铜薄膜）被设计在同一个平面上。微结构换能元通电后，产生热量引发叠氮化铜薄膜，发生爆炸反应。

2.3 微纳结构药剂

微纳结构药剂（Micro/nano Structured Energetic Materials）是采用与MEMS工艺相兼容的技术，如模板技术、光刻掩膜技术、化学气相沉积、物理气相沉积、磁控溅射、电化学沉积、原位合成技术等，在一定基底上形成纳米尺度的具有一定结构（纳米管、带、棒、线等）的含能材料，作为MEMS火工品的装药。微纳结构药剂在微观尺度，具有一定的空间排布和有序性等特征，可以实现毫克量级精确制备，并在芯片上与微结构换能元或微安保机构集成。

2007年，法国C. Rossi在文章中将这类药剂称“MEMS纳米含能材料”（Nanoenergetic Materials for MEMS）[13]。美国则将这类药剂称为微含能材料（Micro-Energetics），或“集成在芯片上的含能材料”（Energetic Materials for Integration on Chip）[14]，包括含能、纳米管、二维纳米结构薄膜和三维纳米多孔材料等，将集成了微含能材料的芯片称为“微雷管”（Micro-detonator）。目前，研究较多的微纳结构药剂包括：碳纳米管复合含能材料、叠氮化铜纳米线阵列、亚稳态分子间复合物（MIC）薄膜、多孔硅/氧化物复合含能材料、叠氮多孔铜等。

图3所示的叠氮化铜纳米线阵列为一类典型的微纳结构药剂[15]。其主要制作方法为：采用阳极氧化铝模板（AAO）法并结合电沉积法，在AAO模板的垂直孔道里电沉积纳米铜线，然后用NaOH溶液去掉模板获得纳米铜线，经叠氮酸气体与纳米铜线发生气固原位反应，生成纳米叠氮化铜线阵列。该方法制备的微纳结构药剂可以通过模板控制纳米线直径，并使纳米线按一定方向均匀整齐排列。另外，采用该方法形成的微纳结构药剂具有明显的晶面择优取向。

图3 模板法结合电化学沉积制备叠氮化铜纳米线阵列

2.4 原位装药技术

原位装药（In-situ Formed Energetics）在MEMS火工品中是指在微结构换能元表面或硅基装药腔体等指定的装药位置，采用与MEMS工艺兼容的物理或化学方法，直接生成起爆（点火）装药的技术。“In situ”字面意思是指“在原位”。化学中的“In situ”是指“在反应过程中”。2004年，美国海军表面武器中心的研究人员采用气固叠氮化反应，将微安保机构上的多孔铜转化成多孔叠氮化铜起爆药，并将这一过程称为“干法原位合成”（Dry In-situ Conversion Process），特别强调干法原位合成工艺与MEMS工艺兼容（多孔叠氮化铜MEMS device friendly）[10]。2013年，美国“MEMS雷管”专利中，采用微反应器结合快速沉淀反应，在微含能芯片上形成叠氮化银起爆药，并把这一装药过程称为原位沉淀反应（In-situ Precipitation Reaction）[16]。香港城市大学的Xiang Zhou使用标准的MEMS制造工艺在硅片上制备了Mg/CuO纳米线MIC含能材料，并把这一构造亚稳态分子间复合物的过程称为“原位合成”（In-situ Synthesize）[17]。

2.5 直写墨水药剂

直写墨水药剂（Direct-written Energetic Ink）是通过在含能材料中加入适当的溶剂、粘结剂和少量添加剂，配制成具有类似墨水性质的混合物，供直写、打印等MEMS火工品用药剂的成型过程使用。其具有柔性制造和成型精度高等特点，是湿法装药的一种，可避免装药过程中产生浮药，提高装药安全性。在已有的文献中，对于墨水药剂的称谓很多，如含能油墨[18-20]、炸药油墨[21-22]、炸药墨水[23-24]、直写炸药墨水[25]和含能墨水[26]等。最典型的用于MEMS火工品的直写墨水药剂是美国2010年公开的EDF-11[27]直写炸药墨水（Direct Write Explosive Inks）。EDF-11以CL-20炸药为主成分配制，采用微控制直写成型技术，在MEMS组件上进行图形化，得到多种形状的传爆药线，并用常规的商用雷管进行传爆实验。结果表明，直写成型的EDF-11药线在厚度0.51mm时，稳定爆轰的临界尺寸为86μm，爆速为7 150m/s，爆轰可以通过90~120°的拐角传递。目前该墨水药剂已经作为MEMS引信装药获得美军资格认证。

2.6 微起爆序列

微起爆序列（Micro-explosive Train）是采用MEMS工艺，通过一体化设计和集成，将微结构换能元、微含能芯片和微安保机构结合在一起的起爆装置。该装置可以将输入的电能等刺激能量，通过微结构换能元引发微含能芯片上的微纳结构药剂，使能量传递、放大，形成能量增长的序列。

目前，最典型的微起爆序列通常采用微结构换能元引发微纳结构药剂驱动飞片作为能量放大主要形式。2000年美国引信年会报道了一种微起爆序列。该序列的作用过程是：通过半导体桥换能元作为微结构换能元，引发采用原位装药形成的微纳结构药剂（AgN3）驱动钛飞片，钛飞片撞击直写墨水药剂EDF-11传爆药线，形成爆轰输出，引爆PBXN5传爆药，完成整个序列的能量引发与放大过程[10]。

3 结语

（1）介绍了与第四代火工品中关系最紧密的7个概念。除此之外，第四代火工品发展过程中仍有很多研究人员关注的新现象和新概念，如有序化、器件化、低极限药量、微爆轰等。相信随着研究的推进和深入，对这些现象还会有新的理解和认识，也会出现一些新的研究方向和概念。（2）未对微安保机构的概念进行说明，原因是微安保机构的概念在许多微引信或MEMS引信模块中有介绍可供参考。（3）由于是新概念，因此，以上概念的定义中必定有不够完善的地方，希望在同行之间的交流中不断地修正和完善。

[1] C. Rossi, D. Estёve. Micropyrotechnics, a new technology for making energetic microsystems: review and prospective[J]. Sensors and Actuators A Physical, 2005, 120 (2): 297-310.

[2] http://samlab. epfl.ch/page-15515-en.html

[3] C. Rossi, D. Esteve, C. Mingues. Pyrotechnic actuator: a new generation of Si integrated actuator[J]. Sensors and Actuators A Physical, 1999, 74 (1-3): 211-215.

[4] G. Lamedica, M. Balucani, A. Ferrari, et al. Microthruster in silicon for aerospace application[J]. IEEE AESS Syst, 2002, 17 (9): 22-27.

[5] T. Troianello. Precision foil resistors used as electro- pyrotechnic initiators[C]//51st Electronic Components and Technology Conference, 2001.

[6] Markus Joost. Detonator technology for special environments [C]//43th Annual Fuze Conference, 1999.

[7] Randall D.Cope. Fuzing overview[C]//44th Annual Fuze Conference, 2000.

[8] Steven E. Fowler. Naval air systems command fuzing overview[C]//45th Annual Fuze Conference, 2001.

[9] John Hendershot. Weapon fuzing/safety & arming technology programs overview[C]//48th Annual Fuze Conference, 2004.

[10] Chopin Hua. Low-cost MEMS initiator [C]//NDIA 54th Annual Fuze Conference, 2010.

[11] K. L. Zhang, C. Rossi, P. Marine, et al. A nano initiatior realized by integrating Al/CuO-based nanoenergetic materials with a Au/Pt/Cr microheater [J]. Microelectromechanical Systems, 2008, 17(4): 832-836.

[12] Zhang Fang, Wang Yanlan, Zhang Lei, Zhang Zhidong, Han Ruishan, Wang Cuiling, Wang Yunxia. Integrated microheater- copper azide chip[J].Journal of Beijing Institute of Technology, 2016, 25(Suppl.1): 210-215.

[13] Carole Rossi, Kaili Zhang, Daniel Estève, et al. Nanoenergetic materials for mems: a review[J]. Journal of Microelectro- mechanical Systems, 2007, 16(4): 919-931.

[14] L J. Currano, W. Churaman, C. Becker, et al. Energetic materials for integration on chip[C]//14th Intern National Detonation Symposium.Coeurd’Alene: Idaho, 2010.

[15] Zhang F.; Wang Y.L.; Bai Y.W.; Zhang R. Preparation and characterization of copper azide nanowire array[J]. Mater. Letters, 2012(89): 176-179.

[16] Robert Claridge, David Combes. MEMS detonator:US, 20130008334[P].2013-01-10.

[17] Xiang Zhou, Daguo Xu, Qiaobao Zhang, et al. Facile green in situ synthesis of mg/cuo core/shell nanoenergetic arrays with a superior heat-release property and long-term storage stability[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces,2013,5(15): 7 641-7 646.

[18] 张晓婷.用于喷墨打印快速成形技术的纳米铝热剂含能油墨研究[D].南京:南京理工大学, 2013.

[19] 汝承博,张晓婷,叶迎华,等.用于喷墨打印微装药方法的纳米铝热剂含能油墨研究[J].火工品, 2013 (4): 33-36.

[20] 宋长坤,安崇伟,叶宝云,等. 含能油墨微流动直写沉积三维数值模拟[J].火工品, 2017(4): 28-32.

[21] 王景龙.3DP炸药油墨配方设计及制备技术[D].太原:中北大学, 2015.

[22] 朱自强,陈瑾,谯志强,等. CL-20基直写炸药油墨的制备与表征[J].含能材料, 2013, 21(2): 235-238．

[23] 刘毅,郑保辉,李显寅,等. CL-20 基炸药墨水直写沉积规律[J].含能材料, 2017, 25(9): 738-744.

[24] Eric Windso. Application of inkjet printing technology to produce test materials of 1,3,5-trinitro-1,3,5 triazcyclo- hexane for trace explosive analysis[J]. Analytical Chemistry, 2010, 82(20): 8 519-8 524.

[25] 朱自强.基于CL-20的直写炸药墨水的设计与性能研究[D].绵阳:西南科技大学, 2013.

[26] 姚艺龙,王晶,吴立志,等. CL-20 含能墨水喷射速度仿真[J].爆破器材, 2016, 45(4): 14-17.

[27] Brain E. Fuchs, Amy Wilson A.; Cook P.; Stec III D. Development, performance and use of direct write explosive inks[C]//14th International Detonation Symposium.Coeurd’ Alene: Idaho, 2010.

Preliminary Discussion of New Concepts of the 4th Generation Pyrotechnics

CHU En-yi, ZHANG Fang, ZHANG Rui, XUE Yan, REN Wei, WANG Yan-lan, XIE Rui-zhen

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

According to the representative structure of the 4th generation pyrotechnics, part of the new concepts were preliminarily discussed in this paper, including MEMS pyrotechnics, micro/nano structured energetic materials, micro-initiator, in-situ formed energetic, direct-written energetic ink, micro-energetics-on-a-chip, micro-explosive train. The study provides support for the development of the 4th generation pyrotechnics.

4th generation pyrotechnics；Structure；New concepts；MEMS

TJ450

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.01.001

1003-1480（2018）01-0001-05

2017-12-05

褚恩义（1965 -），男，研究员，主要从事先进火工品技术研究。