Pd/Al含能金属薄膜在火焰雷管中的应用

户永炜



Pd/Al含能金属薄膜在火焰雷管中的应用

户永炜

（陆军西安军事代表局驻二一二所军事代表室，陕西 西安，710061）

为提升火焰雷管在全寿命周期内的环境适应性，首次采用Pd/Al含能薄膜替代绸垫作为输入端结构设计。通过各项对比试验，在满足传火可靠性的前提下，密封性优于传统设计方案，最终对最佳方案进行了表征与参数固化。

火焰雷管；含能薄膜；火焰感度；密封

火焰雷管作为雷管的重要组成之一，广泛应用于引信传爆序列和航天/航空非电火工系统中[1]。火焰雷管结构相对简单，主要由管壳、加强帽和装药等组成。为了提高传火的可靠性，目前多采用带有传火孔的加强帽，孔内用绸垫防止药粉撒出[2]。但该设计无法实现真正的密封，导致该类产品在长期振动和高温高湿度环境下出现可靠性下降的问题。因此在实际工程应用过程中，亟待寻找一替代绸垫的设计方案，在不影响传火可靠性的前提下，提高该类产品在特殊工况下的可靠性。

复合含能金属薄膜是由不同金属相互交替叠加形成的一种含能薄膜材料。由于多层薄膜中各组分的单层膜厚度仅为数纳米到数百纳米，层与层结构紧密，比表面积大，可大大加快各层间的互渗，进而提高反应速率和能量转换效率。在一定外界刺激下，合金化多层薄膜能发生自蔓延合金化反应，具有较高的火焰感度[3]，在火工品领域被作为新型换能元进行研究[4-6]。本研究拟采用磁控溅射方法制备不同排列状态的Pd/Al复合金属薄膜，在进行传火可靠性、振动以及温度-湿度-高度等设计验证试验的基础上，研究规律，确定最佳方案。

1 实验部分

1.1 试验设备、材料及工艺参数

采用磁控溅射方法，使用MSP-400B型磁控溅射镀膜机，制备合金化纳米多层薄膜。金属靶均采用直流功率源，靶与基底之间距离为10cm，真空室中工作气体为Ar气，纯度为99.99%。靶材选用江西科特公司生产的Al、Pd靶，纯度为99.99%。基片为聚酰亚胺（PI）薄膜，厚度为50μm，基底经洗涤剂、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗后烘干待用。

本底真空度8×10-4Pa，工作压强为0.5Pa，氩气流量为290ccm，Al靶溅射功率为200W，Pd靶溅射功率为220W。此条件下制备薄膜沉积速度分别为Al 70nm·min-1，Pd 110nm·min-1。程序自动控制基片在双靶间来回循环，同时起晖对称方向为Pd靶到Al靶，由Pd层开始，Al层结束（基底为PI，50μm）。Pd /Al多层薄膜中Al和Pd单层厚度、层数以及薄膜总厚度如表1所示。

表1 Pd/Al多层薄膜制备样品类型

Tab.1 Preparation of samples with the Pd/Al multilayer thin film

备注：根据磁控溅射工艺特点，溅射层总厚度一般不高于6μm

1.2 验证试验方法及项目

1.2.1 传火性能验证

将制备好的Pd /Al薄膜装配到火焰雷管中，如图1所示，并在规定的工装中，如图2所示，进行传火裕度设计验证试验。以12号电点火管向上离开底端面的距离作为考核变量，拉偏步长为2mm，初始传火距离为12.5mm。

图1 Pd/Al薄膜火焰雷管

该工装在进行以绸垫为基底的火焰雷管传火试验时，需经过最大传火距离150%的设计验证试验，因此本次传火性能验证试验参照的合格值为18.5mm (拉偏6mm)。

1.2.2 环境适应性验证

对传火设计裕度试验验证考核合格产品，进行湿热（GJB 150A-2009）、温度-湿度-高度（GJB 344A- 2005）、温度循环（GJB 150A-2009）以及浸水试验（GJB 5309.31- 2004）考核，各项试验分别依据相关标准进行。

图2 传火裕度试验示意图

2 结果与讨论

2.1 传火性能分析

利用图2所示装置，使用样品1、样品2以及样品3进行了传火裕度试验，试验结果如表2所示。

表2 传火裕度I试验结果

Tab.2 Test results of the ignition margin I

由表2可知，样品1在传火裕度试验中，拉偏距离达到了10mm，最大传火距离达到了22.5mm，虽然金属层单层沉积厚度相同，均为0.5μm，但随着排列层数的下降，金属薄膜的火焰感度逐渐变低，其中样品3的层数排列为4层时火焰感度最低。因此可见，在6μm以下范围内，金属层单层厚度相同时，含能薄膜火焰感度由金属单层叠加层数决定，叠加层数越多，火焰感度越高。这是由于每一次金属层叠加都会为金属层自蔓延合金化反应提供一个换能界面，有利于各层间的互渗，进而提高反应速率和能量转换效率。对样品4、样品5、样品6与样品7进行了传火裕度试验，试验结果如表3所示。

表3 传火裕度试验Ⅱ结果

Tab.3 Test results of the ignition margin II

由表3试验结果可知，在样品4与样品5总厚度均为6μm的情况下，随着单层厚度的增加，火焰感度逐渐降低。对比表2~3试验结果，可见在单层厚度增加、总厚度不同情况下，火焰感度会降低。说明金属薄膜的火焰感度除与单层叠加层数相关外，随着单层厚度的增加，薄膜火焰感度呈下降趋势。当单层金属薄膜达到2μm时，含能金属薄膜在规定火焰刺激下，基本不会发生自蔓延合金化反应，如样品6~7。

2.2 环境适应性分析

选取样品1进行了环境适应性试验，试验之后采用图2所示的传火试验工装，在拉偏150%（18.5cm）情况下，进行低温（-55℃）下的传火功能试验。试验结果如表4所示。

表4 环境适应性验证试验结果

Tab.4 Test results of environmental suitability

由表4结果可知，采用复合金属薄膜作为垫片的火焰雷管，在抗温湿度方面具有良好适应性。

3 结论

利用Pd /Al含能金属薄膜在受热状态下发生自蔓延合金化反应的特性，结合火焰雷管进行了应用研究，得到结论如下：（1）含能金属薄膜替代了原有绸垫，在火焰感度不变的情况下，经试验证明具有良好的耐温湿度性能；（2）火焰雷管火焰感度与金属薄膜叠加层的层数有关，在总厚度一定的情况下（≤6μm），层数越多，火焰感度越高；同时，火焰雷管火焰感度与金属薄膜单层厚度有关，单层厚度越大火焰感度越低。

[1] 王凯民.军用火工品设计原理[M].北京:国防工业出版社, 2006.

[2] 蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社, 1999.

[3] 李东乐,朱鹏,等.Al/Ni和Al/Ti纳米多层薄膜制备与表征[J].含能材料,2013,21(6):749-753.

[4] QIU X, Zhu J, Oil J, et al. Localized parylene-C bonding with reactive multilayer foils [J]. J Phys D, 2009,42 (18): 185 411.

[5] 金晓云,胡艳,沈瑞琪,等.嵌入式Al/Ni纳米复合材料的制备与表征[J].火工品, 2011(5):24-28.

[6] 王亮,何碧,蒋小华,等.Al/Ni反应多层膜中反应波传播速度的理论研究[J].含能材料, 2009, 17(2): 1-4.

Application of the Pd/Al Energetic Metal Film to the Flame Detonator

HU Yong-wei

(Office of Xi’an Military Representative Bureau of CPLA Groud Force in the 212th Institute, Xi’an, 710061)

In order to improve the environmental suitability of the flame detonator in the lifecycle, the Pd/Al energetic film was taken the place of the silk pad as the input terminal firstly. After experiments, the sealing effects of two material were compared, which indicated that the Pd /Al energetic film’s sealing property is better than traditional structural design, under the condition of reliable ignition. Finally, the parameters of the best scheme were obtained.

Flame detonator；Energetic film；Flame sensitivity；Sealing

1003-1480（2018）02-0029-03

TJ45+2.1

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.008

2018-01-31

户永炜（1971 -），男，工程师，主要从事火工品产品检验工作。