Pd/Al含能金屬薄膜在火焰雷管中的應用

戶永煒

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Pd/Al含能金屬薄膜在火焰雷管中的應用

戶永煒

（陸軍西安軍事代表局駐二一二所軍事代表室，陜西 西安，710061）

為提升火焰雷管在全壽命周期內(nèi)的環(huán)境適應性，首次采用Pd/Al含能薄膜替代綢墊作為輸入端結(jié)構(gòu)設計。通過各項對比試驗，在滿足傳火可靠性的前提下，密封性優(yōu)于傳統(tǒng)設計方案，最終對最佳方案進行了表征與參數(shù)固化。

火焰雷管；含能薄膜；火焰感度；密封

火焰雷管作為雷管的重要組成之一，廣泛應用于引信傳爆序列和航天/航空非電火工系統(tǒng)中[1]?；鹧胬坠芙Y(jié)構(gòu)相對簡單，主要由管殼、加強帽和裝藥等組成。為了提高傳火的可靠性，目前多采用帶有傳火孔的加強帽，孔內(nèi)用綢墊防止藥粉撒出[2]。但該設計無法實現(xiàn)真正的密封，導致該類產(chǎn)品在長期振動和高溫高濕度環(huán)境下出現(xiàn)可靠性下降的問題。因此在實際工程應用過程中，亟待尋找一替代綢墊的設計方案，在不影響傳火可靠性的前提下，提高該類產(chǎn)品在特殊工況下的可靠性。

復合含能金屬薄膜是由不同金屬相互交替疊加形成的一種含能薄膜材料。由于多層薄膜中各組分的單層膜厚度僅為數(shù)納米到數(shù)百納米，層與層結(jié)構(gòu)緊密，比表面積大，可大大加快各層間的互滲，進而提高反應速率和能量轉(zhuǎn)換效率。在一定外界刺激下，合金化多層薄膜能發(fā)生自蔓延合金化反應，具有較高的火焰感度[3]，在火工品領域被作為新型換能元進行研究[4-6]。本研究擬采用磁控濺射方法制備不同排列狀態(tài)的Pd/Al復合金屬薄膜，在進行傳火可靠性、振動以及溫度-濕度-高度等設計驗證試驗的基礎上，研究規(guī)律，確定最佳方案。

1 實驗部分

1.1 試驗設備、材料及工藝參數(shù)

采用磁控濺射方法，使用MSP-400B型磁控濺射鍍膜機，制備合金化納米多層薄膜。金屬靶均采用直流功率源，靶與基底之間距離為10cm，真空室中工作氣體為Ar氣，純度為99.99%。靶材選用江西科特公司生產(chǎn)的Al、Pd靶，純度為99.99%?；瑸榫埘啺罚≒I）薄膜，厚度為50μm，基底經(jīng)洗滌劑、丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗后烘干待用。

本底真空度8×10-4Pa，工作壓強為0.5Pa，氬氣流量為290ccm，Al靶濺射功率為200W，Pd靶濺射功率為220W。此條件下制備薄膜沉積速度分別為Al 70nm·min-1，Pd 110nm·min-1。程序自動控制基片在雙靶間來回循環(huán)，同時起暉對稱方向為Pd靶到Al靶，由Pd層開始，Al層結(jié)束（基底為PI，50μm）。Pd /Al多層薄膜中Al和Pd單層厚度、層數(shù)以及薄膜總厚度如表1所示。

表1 Pd/Al多層薄膜制備樣品類型

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

備注：根據(jù)磁控濺射工藝特點，濺射層總厚度一般不高于6μm

1.2 驗證試驗方法及項目

1.2.1 傳火性能驗證

將制備好的Pd /Al薄膜裝配到火焰雷管中，如圖1所示，并在規(guī)定的工裝中，如圖2所示，進行傳火裕度設計驗證試驗。以12號電點火管向上離開底端面的距離作為考核變量，拉偏步長為2mm，初始傳火距離為12.5mm。

圖1 Pd/Al薄膜火焰雷管

該工裝在進行以綢墊為基底的火焰雷管傳火試驗時，需經(jīng)過最大傳火距離150%的設計驗證試驗，因此本次傳火性能驗證試驗參照的合格值為18.5mm (拉偏6mm)。

1.2.2 環(huán)境適應性驗證

對傳火設計裕度試驗驗證考核合格產(chǎn)品，進行濕熱（GJB 150A-2009）、溫度-濕度-高度（GJB 344A- 2005）、溫度循環(huán)（GJB 150A-2009）以及浸水試驗（GJB 5309.31- 2004）考核，各項試驗分別依據(jù)相關標準進行。

圖2 傳火裕度試驗示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 傳火性能分析

利用圖2所示裝置，使用樣品1、樣品2以及樣品3進行了傳火裕度試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 傳火裕度I試驗結(jié)果

Tab.2 Test results of the ignition margin I

由表2可知，樣品1在傳火裕度試驗中，拉偏距離達到了10mm，最大傳火距離達到了22.5mm，雖然金屬層單層沉積厚度相同，均為0.5μm，但隨著排列層數(shù)的下降，金屬薄膜的火焰感度逐漸變低，其中樣品3的層數(shù)排列為4層時火焰感度最低。因此可見，在6μm以下范圍內(nèi)，金屬層單層厚度相同時，含能薄膜火焰感度由金屬單層疊加層數(shù)決定，疊加層數(shù)越多，火焰感度越高。這是由于每一次金屬層疊加都會為金屬層自蔓延合金化反應提供一個換能界面，有利于各層間的互滲，進而提高反應速率和能量轉(zhuǎn)換效率。對樣品4、樣品5、樣品6與樣品7進行了傳火裕度試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 傳火裕度試驗Ⅱ結(jié)果

Tab.3 Test results of the ignition margin II

由表3試驗結(jié)果可知，在樣品4與樣品5總厚度均為6μm的情況下，隨著單層厚度的增加，火焰感度逐漸降低。對比表2~3試驗結(jié)果，可見在單層厚度增加、總厚度不同情況下，火焰感度會降低。說明金屬薄膜的火焰感度除與單層疊加層數(shù)相關外，隨著單層厚度的增加，薄膜火焰感度呈下降趨勢。當單層金屬薄膜達到2μm時，含能金屬薄膜在規(guī)定火焰刺激下，基本不會發(fā)生自蔓延合金化反應，如樣品6~7。

2.2 環(huán)境適應性分析

選取樣品1進行了環(huán)境適應性試驗，試驗之后采用圖2所示的傳火試驗工裝，在拉偏150%（18.5cm）情況下，進行低溫（-55℃）下的傳火功能試驗。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 環(huán)境適應性驗證試驗結(jié)果

Tab.4 Test results of environmental suitability

由表4結(jié)果可知，采用復合金屬薄膜作為墊片的火焰雷管，在抗溫濕度方面具有良好適應性。

3 結(jié)論

利用Pd /Al含能金屬薄膜在受熱狀態(tài)下發(fā)生自蔓延合金化反應的特性，結(jié)合火焰雷管進行了應用研究，得到結(jié)論如下：（1）含能金屬薄膜替代了原有綢墊，在火焰感度不變的情況下，經(jīng)試驗證明具有良好的耐溫濕度性能；（2）火焰雷管火焰感度與金屬薄膜疊加層的層數(shù)有關，在總厚度一定的情況下（≤6μm），層數(shù)越多，火焰感度越高；同時，火焰雷管火焰感度與金屬薄膜單層厚度有關，單層厚度越大火焰感度越低。

[1] 王凱民.軍用火工品設計原理[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2006.

[2] 蔡瑞嬌.火工品設計原理[M].北京:北京理工大學出版社, 1999.

[3] 李東樂,朱鵬,等.Al/Ni和Al/Ti納米多層薄膜制備與表征[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] 金曉云,胡艷,沈瑞琪,等.嵌入式Al/Ni納米復合材料的制備與表征[J].火工品, 2011(5):24-28.

[6] 王亮,何碧,蔣小華,等.Al/Ni反應多層膜中反應波傳播速度的理論研究[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

戶永煒（1971 -），男，工程師，主要從事火工品產(chǎn)品檢驗工作。