油墨含能NiCr桥电爆换能规律及间隙点火性能研究

张江涛，许建兵，程健，张泽华，李福伟，杨腾龙，叶迎华，沈瑞琪

油墨含能NiCr桥电爆换能规律及间隙点火性能研究

张江涛1,2，许建兵1,2，程健1,2，张泽华1,2，李福伟1,2，杨腾龙3，叶迎华1,2，沈瑞琪1,2

（1.南京理工大学 化学与化工学院，南京 210094；2.微纳含能器件工业与信息化部重点实验室，南京 210094；3.南京电子设备研究所，南京 210007）

针对低功耗换能元点火能力不足的问题，采用油墨直写技术制备一种油墨含能NiCr桥换能元。以Al/CuO为主体含能材料，完成含能油墨的制备，并将其集成到NiCr桥上，形成油墨含能NiCr桥。对油墨含能NiCr桥换能元进行电爆实验和间隙点火实验，验证油墨含能NiCr桥的非接触式点火能力。在24 V/100 µF条件下，油墨装药量为2.9 mg时，油墨含能NiCr桥可以在5 mm间隙下点燃B/KNO3装药，在间隙为1 mm条件下，油墨含能NiCr桥能够成功引发装药为硝酸肼镍的雷管。含能油墨的引入能够增强NiCr桥的点火起爆能力，有望在工程实践中进行应用。

Al/CuO；含能油墨；电爆点火；间隙点火；含能NiCr桥；点火增强

火工品是武器和弹药中的首发元件，在武器和弹药中的点火、起爆、分离、开舱和抛撒等领域应用广泛，其安全性、可靠性和作用精度直接影响武器和弹药的安全性、可靠性和效能[1-3]。随着信息化先进武器的发展，火工技术迎来了诸如微型化、智能化、灵活化的发展趋势，同时还要兼顾高可靠性、低成本的要求[4-6]。低能非线性桥箔式点火桥换能元（半导体桥、金属Pt、NiCr等薄膜桥）采用电爆炸形式输出能量，与传统桥丝式火工品相比，具有功耗低，发火时间迅速、体积小等优点[7-9]。然而随着微纳火工含能器件的发展，非线性换能元虽兼顾了安全性和可靠性的要求，但仍然面临着器件小型化以后点火能力不足的问题[10]。在微纳火工含能器件中，桥箔式点火桥换能元和装药尺寸在毫米或亚毫米量级，受限于桥区质量和激励能量，桥箔式点火桥换能元点火起爆的输出能量较小，更难以可靠点燃毫米级的装药[11]。因此，如何提高桥箔式点火桥换能元的点火输出能力是今后微纳含能器件发展中的主要问题之一。

含能材料通常由氧、燃料和功能添加剂组成，在外界的能量刺激下，可以发生快速燃烧，在有限的空间内释放出大量的反应热，具有极高的能量释放速率以及体积能量密度[12-15]。将高能量密度的含能材料与点火桥芯片集成，制备成含能发火件，可以利用含能材料释放的化学反应弥补点火桥点火能力不足的问题，实现降低点火桥功耗的目的。近年来，国内外研究学者采用各种技术实现含能材料与换能元的集成，主要包括3D打印增材制造技术[16-18]、磁控溅射方法[19-22]、静电喷射法[23-24]。磁控溅射方法能够精确控制含能材料内部的结构组成，实现能量释放的精确调控，但是其制备成本高，沉积的薄膜厚度在10 µm以下，并且需要增加光刻工艺实现图形化。静电喷射法可以实现含能材料的厚膜沉积，制备效率更高，但是依旧需要制备额外掩膜，才可以形成特定的形状。3D打印技术已被广泛应用于快速、低成本地制作物体原型和图形，在能源、电子、工程复合材料、微流体和生物技术等领域都有广泛的应用，将其应用于含能材料领域可以实现复杂药柱的制备[25-27]。

基于此，本文基于油墨直写技术制备含能NiCr桥，实现含能油墨在NiCr桥换能元上的集成，研究含能NiCr桥换能元的电爆特性，在不改变含能NiCr桥输出能力的情况下，实现降低其功耗的目的。设计了间隙点火实验，来验证油墨含能NiCr桥的非接触式点火能力。期望通过本研究对该类含能点火器的实际应用提供相应的实验与技术支持，并为智能化弹药的发展起到积极的推动作用。

1 含能油墨与油墨含能NiCr桥的制备

1.1 含能油墨的制备与性能研究

含能油墨主体由Al/CuO纳米铝热剂组成，硝化棉（NC）作为含能粘结剂，乙酸丁酯作为含能油墨的溶剂。实验使用的药品及试剂见表1。

表1 配制含能油墨所选用的材料

Tab.1 Materials used in the preparation of energetic ink

在制备含能油墨时，考虑到Al粉中有效Al的质量分数约为68%，计算得到的配方：NC作为粘结剂，固体质量分数为2.5%，乙酸丁酯作为溶剂，在配制油墨时，固定固体质量浓度为200 mg/mL。首先将15 mg NC溶解于3 mL乙酸丁酯中，磁力搅拌1 h，形成NC溶液，如图1所示。分别称取128.1 mg纳米Al粉和456.9 mg CuO，依次加入溶解好的NC溶液中，在500 W、40 kHz条件下超声1 h，使团聚的纳米颗粒充分分散，形成Al/CuO悬浮液。然后使用磁力搅拌6 h，以形成混合均匀的含能油墨。

图1 含能油墨制备过程

NC是一种含能材料，可以释放能量，并产生气体，它也可以作为粘结剂，组装纳米颗粒。采用热分析研究了含能油墨的反应特性及能量释放特性，热分析曲线如图2所示，为了对比，增加了普通混合的Al/CuO热分析曲线。从图2中可以看出，180～220 ℃内的放热为NC的热分解放热，500～630 ℃内出现的放热峰为纳米Al与CuO的反应。普通混合的Al/CuO没有NC的放热峰。对DSC曲线放热峰进行积分可以获得2种样品的DSC放热量，结果见表2。结果表明，NC对Al/CuO的能量释放具有一定的促进作用。当NC的质量分数为2.5%时，通过适量NC的粘结作用，能够促进纳米Al颗粒与纳米CuO紧密结合，放热量为1 179.5 J/g，高于Al/CuO的放热量（730.9 J/g），能量输出提高了61.4%。

图2 含能油墨DSC曲线

表2 NC对纳米Al/CuO反应放热的影响

Tab.2 Effect of NC on exothermic reaction of nano Al/CuO

1.2 NiCr桥的制备

镍铬桥膜的制作采用的是微机电系统技术（MEMS）加工工艺，主要包括磁控溅射、紫外光刻以及湿法刻蚀等。首先在Al2O3陶瓷基底上通过磁控溅射沉积一层厚度为1.3 μm的镍铬合金薄膜，光刻、显影之后，电镀上1 μm金焊盘。再次通过光刻、显影和湿法刻蚀将点火桥的形状转移到基底上，与此同时，焊盘也成形了。最后通过激光划片机划片，得到了单个镍铬薄膜点火桥，制作流程如图3a所示。桥型尺寸如图3b所示，中间为60° V形尖角，桥区大小为1 mm（长）×0.35 mm（宽）。

为了方便样品的使用，将镍铬薄膜点火桥和陶瓷塞进行集成封装。封装采用的是具有良好导热性的陶瓷塞，封装时，使用环氧树脂胶将点火桥固定在陶瓷塞上脚线之间的小凹槽内，随后使用硅铝丝将桥膜焊盘和金属的连接脚线键合在一起，再通过导电银浆包覆硅铝丝，从而提高换能元的可靠性和安全性。测量换能元的电阻，镍铬薄膜换能元实测的电阻平均值为0.948 Ω，标准偏差为0.012 Ω，镍铬薄膜换能元的阻值与点火桥阻值相差不大。由此可知，镍铬桥膜加工工艺稳定可靠，一致性较好。

1.3 油墨含能NiCr桥的制备

含能油墨在NiCr桥上的打印示意图见图4。将配好的含能油墨放入针管内，再设置好点胶机的气动压强和软件参数，含能油墨便会通过针孔打印到NiCr桥表面上，从而制备成含能NiCr桥。通过控制点胶机的压强和3D打印机的运动路径，便可以精确控制油墨的打印量。

当油墨在NiCr桥写入之后，将半成品油墨含能NiCr桥小心地置于烘箱中，在80 ℃条件下，烘干2 h，使得其中的溶剂挥发干净，得到可以使用的油墨含能NiCr桥。烘干后的成品如图5所示。从图5中可以看出，含能油墨完全覆盖在NiCr桥表面，说明采用3D打印方法可以方便地实现含能油墨与NiCr桥的集成。

图3 NiCr桥工艺流程以及实物样品

图4 含能油墨在NiCr桥上打印示意图

图5 制备完成的油墨含能NiCr桥

2 实验验证

2.1 油墨含能NiCr桥电爆实验

在24 V/100 µF点火条件下，采用电容放电方式，对油墨含能NiCr桥进行电爆点火实验。油墨含能NiCr桥的油墨装药情况见表3，可以看出，油墨分布较为均匀，大部分装药量在0.2～0.6 mg。油墨含能NiCr桥电爆电流电压（-）曲线如图6所示。定义从开始点火到电压达到最大值时所用的时间为临界爆发时间，从开始点火到电压峰值后稳定时所用的时间为总爆发时间。相关的电爆情况见表4，可以看出，油墨装药量在0.2 mg时，NiCr桥在24 V/100 µF下能成功点燃含能油墨，临界爆发时间为17～20.25 µs，发火时间为1.98～2.64 ms。油墨含能NiCr桥电爆发火图见图7，可以看出，含能NiCr桥的电爆火焰高度可达11 mm，表明NiCr桥能可靠地点着含能油墨。

图6 油墨含能NiCr桥电爆U-I曲线

表3 油墨含能NiCr桥装药量记录

Tab.3 Energetic ink NiCr bridge charging record

表4 油墨含能NiCr桥电爆情况

Tab.4 Electro-explosion situation of energetic ink NiCr bridge

图7 油墨含能NiCr桥电爆发火图

2.2 油墨含能NiCr桥间隙点火实验

在24 V/100 µF条件下，用玻璃垫片作为间隙，采用制备的油墨含能NiCr桥对B/KNO3（药片）进行点火实验。首先，对没有装药的NiCr桥进行点火实验，发现NiCr桥均不能点燃B/KNO3装药。然后，对油墨含能NiCr桥进行点火实验，实验结果见表5。间隙点火实验装置如图8a所示，间隙点火实验现象如图8b所示。

表5 油墨含能NiCr桥发火情况

Tab.5 Ignition performance of energetic ink NiCr bridge

图8 间隙点火装置以及间隙点火发火图

结果表明，在间隙5 mm条件下，装药量小（0.2 mg）的油墨含能NiCr桥点火不稳定，难以发火，装药量大（2.9 mg）的油墨含能NiCr桥点火时燃烧状况良好。说明足够的装药量是油墨含能NiCr桥稳定发火的必要条件。单纯的NiCr桥不能点燃B/KNO3装药，说明在NiCr桥上添加一层含能油墨可以有效增强其点火能力。

2.3 基于油墨含能NiCr桥的电雷管起爆实验

上述实验结果表明，油墨含量为2.9 mg的NiCr含能桥在间隙5 mm、24 V/100 µF条件下能够点燃B/KNO3装药，说明采用油墨含能NiCr桥相比较于NiCr桥，具有更强的点火能力。为了进一步验证油墨含能NiCr桥的点火能力，制作了基于油墨含能NiCr桥的工程电雷管，验证在24 V/100 µF、间隙1 mm条件下，油墨含能NiCr桥能否起爆硝酸肼镍，实验记录见表6。由实验结果可知，油墨含能NiCr桥在24 V/100 µF、间隙为1 mm条件下，能够成功起爆装药为硝酸肼镍的雷管。

表6 油墨含能NiCr桥起爆雷管实验记录

Tab.6 Experiment record of energetic ink NiCr energetic bridge igniting detonator

3 结论

通过将含能油墨集成到NiCr桥换能元上形成油墨含能NiCr桥，并对油墨含能NiCr桥进行点火性能实验的研究，可以得到以下结论：

1）以Al/CuO作为基本含能材料、硝化棉（NC）作为粘结剂、乙酸丁酯作为溶剂的含能油墨，通过NC的粘结作用，能够促进纳米Al颗粒与纳米CuO的紧密结合，放热量为1 179.5 J/g，高于Al/CuO的放热量（730.9 J/g），能量输出提高了61.4%。

2）油墨含能NiCr桥在24 V/100 µF条件下，当油墨装药量为2.9 mg时，油墨含能NiCr桥可以在5 mm间隙下点燃B/KNO3装药。在24 V/100 µF、间隙为1 mm条件下，油墨含能NiCr桥能够成功起爆装药为硝酸肼镍的雷管，表明油墨含能NiCr桥的点火起爆能力得到了增强。

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Energy Exchange Law and Gap Ignition Performance of Energetic Ink NiCr Bridge

ZHANG Jiang-tao1,2, XU Jian-bing1,2, CHENG Jian1,2, ZHANG Ze-hua1,2, LI Fu-wei1,2, YANG Teng-long3, YE Ying-hua1,2, SHEN Rui-qi1,2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China; 2. Micro-Nano Energetic Devices Key Laboratory of MIIT, Nanjing 210094, China; 3. Nanjing Electronic Equipment Institute, Nanjing 210007, China)

The work aims to prepare an energetic ink NiCr bridge igniter by ink direct writing technology to solve the problem of insufficient ignition ability of low energy igniter. Energetic ink was fabricated with Al/CuO nanothermite as the main energetic material, and then integrated on the NiCr bridge to fabricate the energetic ink NiCr bridge igniter. Electro-explosion experiment and gap ignition experiment were carried out on the energetic ink NiCr bridge igniter to verify the non-contact ignition ability of energetic ink NiCr bridge. The energetic ink NiCr bridge igniter could ignite the B/KNO3charge at a gap of 5 mm under the condition of 24 V/100 µF and ink charging amount of 2.9 mg. At a gap of 1 mm, the energetic ink NiCr bridge igniter could successfully initiate a detonator charged with nickel hydrazine nitrate. The introduction of energetic ink can enhance the ignition and detonation ability of NiCr bridge, which is expected to be applied in engineering practice.

Al/CuO; energetic ink; electro-explosion ignition; gap ignition; energetic NiCr bridge; ignition enhancement

TJ450

A

1672-9242(2022)12-0019-07

10.7643/ issn.1672-9242.2022.12.004

2022–11–24；

2022–12–12

2022-11-24；

2022-12-12

航天创新基金（CASC150710）

Space Innovation Fund (CASC150710)

张江涛（2001—），男，硕士研究生，主要研究方向为MEMS含能器件。

ZHANG Jiang-tao (2001-), Male, Postgraduate, Research focus: MEMS energetic device.

叶迎华（1962—），女，博士，研究员，主要研究方向为MEMS先进火工品技术。

YE Ying-hua (1962-), Female, Doctor, Researcher, Research focus: MEMS advanced pyrotechnic technology.

张江涛, 许建兵, 程健, 等. 油墨含能NiCr桥电爆换能规律及间隙点火性能研究[J]. 装备环境工程, 2022, 19(12): 019-025.

ZHANG Jiang-tao, XU Jian-bing, CHENG Jian, et al.Energy Exchange Law and Gap Ignition Performance of Energetic Ink NiCr Bridge[J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(12): 019-025.

责任编辑：刘世忠