基于含能复合薄膜的非线性电爆换能元

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1、万方数据博士学位论文基于含能复合薄膜的非线性电爆换能元作者：朱朋指导教师：沈瑞琪教授南京理工大学2014年9月万方数据Ph．D．DissertationNon--linearElectro·-explosiveDevicesBasedonEnergeticMultilayerFilmsZhuPengSupervisedL5upervlseabvProf{)vProt．ShenRuiqiNanjingUniversityofScience&TechnologySeptember,2014万方数据声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所

2、知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其它人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而利用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：)_f，V年lf月∥日学位论文利用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：晴叶工。够年，c月∥日万方数据博士学位论文基于含能复合薄膜

3、的非线性电爆换能元摘要非线性电爆换能元具有良好的安全性和可靠性，是火工品的基础部件。含能复合薄膜是一种新结构形式的含能材料，其中AI／CuO、AI／M003和A1／Fe203三种放热量较高。本文研究了三种含能复合薄膜材料的制备和表征，在此基础上研究了基于含能复合薄膜的非线性电爆换能元。主要研究内容和结论如下：(1)使用磁控溅射方法制备了微米和纳米级调制周期的AI／CuO、AI／M003和A1／Fe203三种含能薄膜材料。使用场发射扫描电-了显微镜(FESEM)、原予力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、光电予能谱仪(XPS)和差示扫描量热仪

4、(DSC)等分析和表征方法研究了薄膜的微观结构、化学成分、反应热力学和动力学性能。研究结果表明：制备的含能复合薄膜表面平整无缺陷，层状结构清晰、层与层之间连接紧密；Al薄膜主要以正方晶系存在，CuO薄膜中含有弱的多晶CuO和Cu20，M003薄膜主要以非晶状态存在，主要由M003、M0205和M002组成，Fe203薄膜中含有弱的多晶Fe203和FeO。含能复合薄膜热稳定性良好，可长期保存，激发后反应迅速，反应产物主要是单晶态的金属和非晶的A1203。(2)以半导体桥(SCB)为基础，分别将AI／CuO和AI／M003纳米含能复合薄膜集成到SCB

5、上，制备了SCB．AI／CuO和SCB．AI／M003两种非线性电爆换能元。并联有热敏电阻芯片(NTC)的换能元可防射频、防静电、满足IA／IW／5min不发火要求。并联NTC对换能元电爆性能无显著性影响。(3)在电容放电条件下，分别对SCB，SCB．AI／CuO和SCB．AI／M003的电爆换能规律进行了实验及理论研究。研究发现，换能元的发火时间和发火能量与SCB桥区的固有性质有关，趋于一稳定值，与激发条件没有显著关系，三种换能元的发火时间和发火能量无显著性差别。SCB．AI／CuO和SCB．AI／M003的电容作用总时问、总能量和输入能量利用

6、率小于SCB。但由于纳米含能复合薄膜的放热反应提高了输出能量，SCB．A1／CuO和SCB．AI／M003的输出能量效率高于SCB，并具备间隙点火的能力。(4)基于电容放电和传热学原理，分别建立了含能SCB电爆换能模型、含能复合薄膜的温度分布模型和自蔓燃烧反应模型。得出了含能SCB发火时间和发火电压的理论表达式，分析了电爆过程中含能复合薄膜的温度分布和含能复合薄膜的自蔓燃烧反应。所建模型较好的从理论上解释了含能SCB的电爆换能特性，为含能SCB的设计和优化提供了理论依据和计算方法。(5)CuO是半导体材料，Al薄膜和CuO薄膜可以形成面接触肖特基

7、结，以此为切入点，从理论上分析了AI／CuO肖特基电爆换能元(S-AI／CuO)的可行性。设计、制备了S-AI／CuO和S-AI／CuO／Cr两种结构形式的非线性电爆换能元。电容放电激发时，l万方数据摘要博士学位论文S-AI／CuO具有直流封堵和延迟放电特性，肖特基结击穿后，呈现热功率增大的正反馈效应。恒压激发时，S-A1／CuO／Cr在实现电击穿后的全发火电压为40V。两种换能元在电激发时不仅产生焦耳热，还可以激发Al和CuO发生氧化还原反应释放出化学反应热，提高换能元输出能量。关键词：火工品，含能复合薄膜，含能半导体桥，肖特基结，非线性电爆换

8、能万方数据搏l学位论文基于含能复合薄膜的非线性电爆换能元AbstractNonlinearelectro—explosivedevice