油墨含能NiCr橋電爆換能規(guī)律及間隙點火性能研究

張江濤，許建兵，程健，張澤華，李福偉，楊騰龍，葉迎華，沈瑞琪

油墨含能NiCr橋電爆換能規(guī)律及間隙點火性能研究

張江濤1,2，許建兵1,2，程健1,2，張澤華1,2，李福偉1,2，楊騰龍3，葉迎華1,2，沈瑞琪1,2

（1.南京理工大學 化學與化工學院，南京 210094；2.微納含能器件工業(yè)與信息化部重點實驗室，南京 210094；3.南京電子設(shè)備研究所，南京 210007）

針對低功耗換能元點火能力不足的問題，采用油墨直寫技術(shù)制備一種油墨含能NiCr橋換能元。以Al/CuO為主體含能材料，完成含能油墨的制備，并將其集成到NiCr橋上，形成油墨含能NiCr橋。對油墨含能NiCr橋換能元進行電爆實驗和間隙點火實驗，驗證油墨含能NiCr橋的非接觸式點火能力。在24 V/100 μF條件下，油墨裝藥量為2.9 mg時，油墨含能NiCr橋可以在5 mm間隙下點燃B/KNO3裝藥，在間隙為1 mm條件下，油墨含能NiCr橋能夠成功引發(fā)裝藥為硝酸肼鎳的雷管。含能油墨的引入能夠增強NiCr橋的點火起爆能力，有望在工程實踐中進行應(yīng)用。

Al/CuO；含能油墨；電爆點火；間隙點火；含能NiCr橋；點火增強

火工品是武器和彈藥中的首發(fā)元件，在武器和彈藥中的點火、起爆、分離、開艙和拋撒等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其安全性、可靠性和作用精度直接影響武器和彈藥的安全性、可靠性和效能[1-3]。隨著信息化先進武器的發(fā)展，火工技術(shù)迎來了諸如微型化、智能化、靈活化的發(fā)展趨勢，同時還要兼顧高可靠性、低成本的要求[4-6]。低能非線性橋箔式點火橋換能元（半導體橋、金屬Pt、NiCr等薄膜橋）采用電爆炸形式輸出能量，與傳統(tǒng)橋絲式火工品相比，具有功耗低，發(fā)火時間迅速、體積小等優(yōu)點[7-9]。然而隨著微納火工含能器件的發(fā)展，非線性換能元雖兼顧了安全性和可靠性的要求，但仍然面臨著器件小型化以后點火能力不足的問題[10]。在微納火工含能器件中，橋箔式點火橋換能元和裝藥尺寸在毫米或亞毫米量級，受限于橋區(qū)質(zhì)量和激勵能量，橋箔式點火橋換能元點火起爆的輸出能量較小，更難以可靠點燃毫米級的裝藥[11]。因此，如何提高橋箔式點火橋換能元的點火輸出能力是今后微納含能器件發(fā)展中的主要問題之一。

含能材料通常由氧、燃料和功能添加劑組成，在外界的能量刺激下，可以發(fā)生快速燃燒，在有限的空間內(nèi)釋放出大量的反應(yīng)熱，具有極高的能量釋放速率以及體積能量密度[12-15]。將高能量密度的含能材料與點火橋芯片集成，制備成含能發(fā)火件，可以利用含能材料釋放的化學反應(yīng)彌補點火橋點火能力不足的問題，實現(xiàn)降低點火橋功耗的目的。近年來，國內(nèi)外研究學者采用各種技術(shù)實現(xiàn)含能材料與換能元的集成，主要包括3D打印增材制造技術(shù)[16-18]、磁控濺射方法[19-22]、靜電噴射法[23-24]。磁控濺射方法能夠精確控制含能材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成，實現(xiàn)能量釋放的精確調(diào)控，但是其制備成本高，沉積的薄膜厚度在10 μm以下，并且需要增加光刻工藝實現(xiàn)圖形化。靜電噴射法可以實現(xiàn)含能材料的厚膜沉積，制備效率更高，但是依舊需要制備額外掩膜，才可以形成特定的形狀。3D打印技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于快速、低成本地制作物體原型和圖形，在能源、電子、工程復合材料、微流體和生物技術(shù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，將其應(yīng)用于含能材料領(lǐng)域可以實現(xiàn)復雜藥柱的制備[25-27]。

基于此，本文基于油墨直寫技術(shù)制備含能NiCr橋，實現(xiàn)含能油墨在NiCr橋換能元上的集成，研究含能NiCr橋換能元的電爆特性，在不改變含能NiCr橋輸出能力的情況下，實現(xiàn)降低其功耗的目的。設(shè)計了間隙點火實驗，來驗證油墨含能NiCr橋的非接觸式點火能力。期望通過本研究對該類含能點火器的實際應(yīng)用提供相應(yīng)的實驗與技術(shù)支持，并為智能化彈藥的發(fā)展起到積極的推動作用。

1 含能油墨與油墨含能NiCr橋的制備

1.1 含能油墨的制備與性能研究

含能油墨主體由Al/CuO納米鋁熱劑組成，硝化棉（NC）作為含能粘結(jié)劑，乙酸丁酯作為含能油墨的溶劑。實驗使用的藥品及試劑見表1。

表1 配制含能油墨所選用的材料

Tab.1 Materials used in the preparation of energetic ink

在制備含能油墨時，考慮到Al粉中有效Al的質(zhì)量分數(shù)約為68%，計算得到的配方：NC作為粘結(jié)劑，固體質(zhì)量分數(shù)為2.5%，乙酸丁酯作為溶劑，在配制油墨時，固定固體質(zhì)量濃度為200 mg/mL。首先將15 mg NC溶解于3 mL乙酸丁酯中，磁力攪拌1 h，形成NC溶液，如圖1所示。分別稱取128.1 mg納米Al粉和456.9 mg CuO，依次加入溶解好的NC溶液中，在500 W、40 kHz條件下超聲1 h，使團聚的納米顆粒充分分散，形成Al/CuO懸浮液。然后使用磁力攪拌6 h，以形成混合均勻的含能油墨。

圖1 含能油墨制備過程

NC是一種含能材料，可以釋放能量，并產(chǎn)生氣體，它也可以作為粘結(jié)劑，組裝納米顆粒。采用熱分析研究了含能油墨的反應(yīng)特性及能量釋放特性，熱分析曲線如圖2所示，為了對比，增加了普通混合的Al/CuO熱分析曲線。從圖2中可以看出，180～220 ℃內(nèi)的放熱為NC的熱分解放熱，500～630 ℃內(nèi)出現(xiàn)的放熱峰為納米Al與CuO的反應(yīng)。普通混合的Al/CuO沒有NC的放熱峰。對DSC曲線放熱峰進行積分可以獲得2種樣品的DSC放熱量，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，NC對Al/CuO的能量釋放具有一定的促進作用。當NC的質(zhì)量分數(shù)為2.5%時，通過適量NC的粘結(jié)作用，能夠促進納米Al顆粒與納米CuO緊密結(jié)合，放熱量為1 179.5 J/g，高于Al/CuO的放熱量（730.9 J/g），能量輸出提高了61.4%。

圖2 含能油墨DSC曲線

表2 NC對納米Al/CuO反應(yīng)放熱的影響

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

1.2 NiCr橋的制備

鎳鉻橋膜的制作采用的是微機電系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）加工工藝，主要包括磁控濺射、紫外光刻以及濕法刻蝕等。首先在Al2O3陶瓷基底上通過磁控濺射沉積一層厚度為1.3 μm的鎳鉻合金薄膜，光刻、顯影之后，電鍍上1 μm金焊盤。再次通過光刻、顯影和濕法刻蝕將點火橋的形狀轉(zhuǎn)移到基底上，與此同時，焊盤也成形了。最后通過激光劃片機劃片，得到了單個鎳鉻薄膜點火橋，制作流程如圖3a所示。橋型尺寸如圖3b所示，中間為60° V形尖角，橋區(qū)大小為1 mm（長）×0.35 mm（寬）。

為了方便樣品的使用，將鎳鉻薄膜點火橋和陶瓷塞進行集成封裝。封裝采用的是具有良好導熱性的陶瓷塞，封裝時，使用環(huán)氧樹脂膠將點火橋固定在陶瓷塞上腳線之間的小凹槽內(nèi)，隨后使用硅鋁絲將橋膜焊盤和金屬的連接腳線鍵合在一起，再通過導電銀漿包覆硅鋁絲，從而提高換能元的可靠性和安全性。測量換能元的電阻，鎳鉻薄膜換能元實測的電阻平均值為0.948 Ω，標準偏差為0.012 Ω，鎳鉻薄膜換能元的阻值與點火橋阻值相差不大。由此可知，鎳鉻橋膜加工工藝穩(wěn)定可靠，一致性較好。

1.3 油墨含能NiCr橋的制備

含能油墨在NiCr橋上的打印示意圖見圖4。將配好的含能油墨放入針管內(nèi)，再設(shè)置好點膠機的氣動壓強和軟件參數(shù)，含能油墨便會通過針孔打印到NiCr橋表面上，從而制備成含能NiCr橋。通過控制點膠機的壓強和3D打印機的運動路徑，便可以精確控制油墨的打印量。

當油墨在NiCr橋?qū)懭胫螅瑢氤善酚湍躈iCr橋小心地置于烘箱中，在80 ℃條件下，烘干2 h，使得其中的溶劑揮發(fā)干凈，得到可以使用的油墨含能NiCr橋。烘干后的成品如圖5所示。從圖5中可以看出，含能油墨完全覆蓋在NiCr橋表面，說明采用3D打印方法可以方便地實現(xiàn)含能油墨與NiCr橋的集成。

圖3 NiCr橋工藝流程以及實物樣品

圖4 含能油墨在NiCr橋上打印示意圖

圖5 制備完成的油墨含能NiCr橋

2 實驗驗證

2.1 油墨含能NiCr橋電爆實驗

在24 V/100 μF點火條件下，采用電容放電方式，對油墨含能NiCr橋進行電爆點火實驗。油墨含能NiCr橋的油墨裝藥情況見表3，可以看出，油墨分布較為均勻，大部分裝藥量在0.2～0.6 mg。油墨含能NiCr橋電爆電流電壓（-）曲線如圖6所示。定義從開始點火到電壓達到最大值時所用的時間為臨界爆發(fā)時間，從開始點火到電壓峰值后穩(wěn)定時所用的時間為總爆發(fā)時間。相關(guān)的電爆情況見表4，可以看出，油墨裝藥量在0.2 mg時，NiCr橋在24 V/100 μF下能成功點燃含能油墨，臨界爆發(fā)時間為17～20.25 μs，發(fā)火時間為1.98～2.64 ms。油墨含能NiCr橋電爆發(fā)火圖見圖7，可以看出，含能NiCr橋的電爆火焰高度可達11 mm，表明NiCr橋能可靠地點著含能油墨。

圖6 油墨含能NiCr橋電爆U-I曲線

表3 油墨含能NiCr橋裝藥量記錄

Tab.3 Energetic ink NiCr bridge charging record

表4 油墨含能NiCr橋電爆情況

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

圖7 油墨含能NiCr橋電爆發(fā)火圖

2.2 油墨含能NiCr橋間隙點火實驗

在24 V/100 μF條件下，用玻璃墊片作為間隙，采用制備的油墨含能NiCr橋?qū)/KNO3（藥片）進行點火實驗。首先，對沒有裝藥的NiCr橋進行點火實驗，發(fā)現(xiàn)NiCr橋均不能點燃B/KNO3裝藥。然后，對油墨含能NiCr橋進行點火實驗，實驗結(jié)果見表5。間隙點火實驗裝置如圖8a所示，間隙點火實驗現(xiàn)象如圖8b所示。

表5 油墨含能NiCr橋發(fā)火情況

Tab.5 Ignition performance of energetic ink NiCr bridge

圖8 間隙點火裝置以及間隙點火發(fā)火圖

結(jié)果表明，在間隙5 mm條件下，裝藥量?。?.2 mg）的油墨含能NiCr橋點火不穩(wěn)定，難以發(fā)火，裝藥量大（2.9 mg）的油墨含能NiCr橋點火時燃燒狀況良好。說明足夠的裝藥量是油墨含能NiCr橋穩(wěn)定發(fā)火的必要條件。單純的NiCr橋不能點燃B/KNO3裝藥，說明在NiCr橋上添加一層含能油墨可以有效增強其點火能力。

2.3 基于油墨含能NiCr橋的電雷管起爆實驗

上述實驗結(jié)果表明，油墨含量為2.9 mg的NiCr含能橋在間隙5 mm、24 V/100 μF條件下能夠點燃B/KNO3裝藥，說明采用油墨含能NiCr橋相比較于NiCr橋，具有更強的點火能力。為了進一步驗證油墨含能NiCr橋的點火能力，制作了基于油墨含能NiCr橋的工程電雷管，驗證在24 V/100 μF、間隙1 mm條件下，油墨含能NiCr橋能否起爆硝酸肼鎳，實驗記錄見表6。由實驗結(jié)果可知，油墨含能NiCr橋在24 V/100 μF、間隙為1 mm條件下，能夠成功起爆裝藥為硝酸肼鎳的雷管。

表6 油墨含能NiCr橋起爆雷管實驗記錄

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

3 結(jié)論

通過將含能油墨集成到NiCr橋換能元上形成油墨含能NiCr橋，并對油墨含能NiCr橋進行點火性能實驗的研究，可以得到以下結(jié)論：

1）以Al/CuO作為基本含能材料、硝化棉（NC）作為粘結(jié)劑、乙酸丁酯作為溶劑的含能油墨，通過NC的粘結(jié)作用，能夠促進納米Al顆粒與納米CuO的緊密結(jié)合，放熱量為1 179.5 J/g，高于Al/CuO的放熱量（730.9 J/g），能量輸出提高了61.4%。

2）油墨含能NiCr橋在24 V/100 μF條件下，當油墨裝藥量為2.9 mg時，油墨含能NiCr橋可以在5 mm間隙下點燃B/KNO3裝藥。在24 V/100 μF、間隙為1 mm條件下，油墨含能NiCr橋能夠成功起爆裝藥為硝酸肼鎳的雷管，表明油墨含能NiCr橋的點火起爆能力得到了增強。

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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

航天創(chuàng)新基金（CASC150710）

Space Innovation Fund (CASC150710)

張江濤（2001—），男，碩士研究生，主要研究方向為MEMS含能器件。

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

葉迎華（1962—），女，博士，研究員，主要研究方向為MEMS先進火工品技術(shù)。

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

張江濤, 許建兵, 程健, 等. 油墨含能NiCr橋電爆換能規(guī)律及間隙點火性能研究[J]. 裝備環(huán)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.

責任編輯：劉世忠