Rendimiento energético mejorado basado en la integración con los nanolaminados de Al / PTFE

Resumen

La integración de materiales energéticos en un chip ha recibido una gran atención por sus aplicaciones ampliamente potenciales en el sistema de consumo de energía a microescala, incluido el dispositivo de iniciación eléctrica. En este artículo, los nanolaminados reactivos de Al / PTFE con estructura de capas periódicas se preparan mediante pulverización catódica con magnetrón, que consiste en combustible Al, oxidante PTFE y capa inerte de compuesto Al-F en un sistema metaestable. Los nanolaminados de Al / PTFE depositados exhiben una producción de energía significativamente alta, y la temperatura de inicio y el calor de reacción son 410 ° C y 3034 J / g, respectivamente. Con base en estas propiedades, se diseña y fabrica un puente de película integrado mediante la integración de nanolaminados de Al / PTFE con una lámina explosiva de Cu, que exhibe un rendimiento energético mejorado con un fenómeno de explosión más violento, mayores cantidades de producto expulsado y una temperatura de plasma más alta en comparación con el Puente de película de Cu. La energía cinética de los volantes derivada de la expansión del puente de la película de Cu también aumenta alrededor del 29,9% mediante la integración con los nanolaminados de Al / PTFE. En general, los rendimientos energéticos se pueden mejorar sustancialmente mediante una combinación de la reacción química de los nanolaminados de Al / PTFE con la explosión eléctrica del puente de película de Cu.

Antecedentes

Durante la última década, las investigaciones sobre materiales energéticos nanoestructurados han suscitado preocupación en todo el mundo y un creciente interés en la investigación debido a sus rendimientos energéticos superiores, incluida la baja temperatura de ignición, la rápida liberación de energía, la alta densidad de energía y la reactividad sintonizable [1,2,3,4,5 , 6,7,8,9,10]. La energía química almacenada por estos materiales puede liberarse mediante activación eléctrica, óptica, de impacto o térmica, que se puede utilizar con fines militares y aplicaciones civiles, como la iniciación de reacciones secundarias [11], la unión de materiales [12], automoción. propulsores de bolsas de aire [13] y suministro de energía [14]. Se han introducido muchos métodos que incluyen la mezcla física de nanopolvos, la trituración reactiva detenida de nanocompuestos densos, el recubrimiento nanoenergético electroforético y la deposición periódica de nanolaminados para fabricar materiales energéticos nanoestructurados [15,16,17,18,19]. Entre estos métodos, la fabricación de nanolaminados mediante el depósito alternativo de dos o más películas diferentes proporciona una estructura fascinante para la integración de dispositivos con rendimientos energéticos sintonizables, porque el número de capas y el espesor de la monocapa se controlan fácilmente y, en consecuencia, se ajustan sus rendimientos energéticos.

El iniciador de láminas explosivas (EFI) es un tipo de dispositivo pirotécnico de generación eléctrica que se utiliza para la iniciación de reacciones secundarias [20]. Después de aplicar un pulso eléctrico, el aumento instantáneo de la densidad de corriente provoca la vaporización del puente de película metálica y la generación de plasma a alta presión. Luego, el volante en el puente de la película se corta y se acelera para impactar los explosivos. Con los crecientes requisitos para la miniaturización de dispositivos de encendido eléctrico y la iniciación de baja energía, la integración de capas nanoenergéticas con un puente de película metálica basada en tecnología de sistemas microelectrónicos y mecánicos (MEMS) para lograr nanoenergéticos funcionales en un chip (NOC) constituye un prometedor opción para el desarrollo de EFI. La combinación del calor de reacción de los materiales energéticos con el tradicional joule eléctrico del puente de película metálica permite mejorar las prestaciones de explosión eléctrica de EFI con iniciación de baja energía en un tamaño compacto.

La película nanolaminada de Al / PTFE es un candidato prometedor para integrarse con EFI por las siguientes razones. Primero, el metal Al es un material común con una alta densidad de energía y tasa de liberación de energía durante la oxidación. Mientras tanto, el contenido de flúor en PTFE es de hasta 76% en peso, que puede reaccionar con el metal Al para formar AlF ₃ con una liberación de energía teórica elevada de 5571 J / g [21]. En segundo lugar, la posible liberación de gas derivada de la pirólisis de la película de PTFE y el producto de reacción del oxicarburo en las condiciones atmosféricas pueden aumentar la presión del plasma generado, lo que es beneficioso para el cizallamiento y la aceleración del volante [22]. En este artículo, se diseñó y fabricó un puente de película integrado mediante la integración de nanolaminados de Al / PTFE con un puente de película explosiva de Cu. La estructura y composición química de los nanolaminados de Al / PTFE depositados se estudiaron mediante análisis TEM y XPS. Los efectos de los nanolaminados integrados de Al / PTFE sobre los rendimientos de iniciación eléctrica se investigaron a través de las pruebas de explosión eléctrica.

Métodos

Deposición de nanolaminados de Al / PTFE

Se prepararon nanolaminados de Al / PTFE depositando alternativamente capas de Al y capas de PTFE mediante pulverización catódica con magnetrón de corriente continua y pulverización catódica con magnetrón de radiofrecuencia, respectivamente. Los objetivos utilizados para la pulverización catódica fueron papel de aluminio puro (pureza> 99,999%) y papel de politetrafluoroetileno (pureza> 99,99%) con un tamaño de 100 mm de diámetro. Se empleó una mesa de sustrato giratoria para realizar múltiples deposiciones alternas. La presión base para la deposición de la película fue inferior a 5 × 10 ^{- 4} Pa, y el gas argón se introdujo como medio gaseoso. Los parámetros de deposición se establecieron en 1,1 Pa, 300 W para capas de PTFE y 0,45 Pa, 100 W para capas de Al, para obtener una calidad de película optimizada y una tasa de deposición estable.

Preparación del (Al / PTFE) _n / Cu-EFI integrado

El (Al / PTFE) _n / El puente de película de Cu se preparó mediante pulverización catódica con magnetrón y técnicas MEMS sobre un sustrato de cerámica de alúmina con un diámetro de 3 pulgadas. El proceso de fabricación del (Al / PTFE) _n El puente de película de Cu / Cu se muestra en la Fig. 1. Cada unidad consta de un puente de película explosiva de Cu en la parte inferior, una película de nanolaminado de Al / PTFE de forma rectangular depositada en la parte superior de un puente de película de Cu y dos zonas de almohadillas de Cu ubicadas en ambos lados de los nanolaminados de Al / PTFE.

Dibujo esquemático y flujo del proceso de fabricación del (Al / PTFE) _n / Puente de película Cu

Antes de la deposición, el sustrato se limpió por ultrasonidos secuencialmente utilizando acetona, alcohol y agua desionizada durante 10 min. A continuación, el sustrato limpio se secó mediante soplado con gas argón y se trató térmicamente a 120ºC durante 1 h para un secado adicional. Después del secado, se depositó una capa de Cu de 2 μm de espesor sobre el sustrato limpio mediante pulverización catódica con magnetrón de CC. Posteriormente, la película de Cu depositada se modeló mediante fotolitografía y se grabó en húmedo con un agente de grabado de cobre (CE - 100). La dimensión del puente de película de Cu con patrón era de 600 µm x 600 µm. Luego, nanolaminados de Al / PTFE de ~ 2 μm de espesor se depositaron en la parte superior del puente de película de Cu y se modelaron con el proceso de despegue de inversión de imagen. La secuencia de apilamiento para la pulverización catódica de nanolaminados de Al / PTFE fue Al / PTFE / Al / PTFE / Al, y la capa de Al se dejó como capa superior. Después de eso, se apilaron dos almohadillas de contacto de Cu con patrón de máscara a ambos lados de los nanolaminados de Al / PTFE para la conexión a la fuente de voltaje. Finalmente, la muestra terminada se cortó en cubitos en unidades individuales.

Caracterización de los nanolaminados de Al / PTFE

La cristalinidad y la caracterización microscópica estructural de los nanolaminados de Al / PTFE se realizaron mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). Se depositó una película de Al de ~ 1 nm de espesor sobre la capa de PTFE para determinar las composiciones químicas de la interfaz entre la capa de Al y la capa de PTFE mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Los nanolaminados de PTFE se eliminaron del sustrato y se transfirieron a un crisol de alúmina para el análisis de la liberación de energía por calorimetría diferencial de barrido (DSC). La masa de la muestra para cada prueba fue ~ 10 mg, y las pruebas se llevaron a cabo de 25 a 800 ° C a una velocidad de calentamiento de 10 ° C / min en argón fluido.

Prueba de explosión eléctrica del puente de película

Las propiedades de explosión eléctrica de las muestras se probaron mediante un sistema de medición de explosión eléctrica, que es similar al informe anterior para el puente de película Cu / Al / CuO [23]. Las características de la temperatura de explosión eléctrica se determinaron mediante un modo de diagnóstico de temperatura de explosión eléctrica basado en la “espectroscopia de emisión atómica de doble línea de un elemento de cobre” [24, 25]. Los fenómenos de explosión eléctrica fueron registrados sincrónicamente por una cámara de alta velocidad con 20.000 fotogramas por segundo. El proceso de aceleración de los volantes se obtuvo mediante velocimetría Doppler fotónica (PDV) para investigar la capacidad de conducir volantes.

Resultados y discusión

Caracterización de los nanolaminados de Al / PTFE

La imagen TEM en sección transversal de los nanolaminados de Al / PTFE se muestra en la Fig. 2a. Las capas de Al y las capas de PTFE se disponen periódicamente en orientación vertical y la estructura de la capa bien alineada es claramente visible. Las franjas oscuras corresponden a las capas de Al, mientras que las franjas brillantes coinciden con las capas de PTFE. Las capas de Al y las capas de PTFE se pueden distinguir fácilmente, y las interfaces onduladas entre las capas de Al y las capas de PTFE también son visibles en la imagen. El espesor de la monocapa de la capa de Al y la capa de PTFE es de aproximadamente 50 y 75 nm, respectivamente. Las imágenes de alta resolución de la capa de Al y la capa de PTFE se muestran en la Fig. 2b, c, y se insertan los patrones de difracción de electrones. Se puede observar claramente la disposición reticular de la película de Al, que presenta una estructura nano-policristalina bien definida. Mientras que la película de PTFE exhibe anillos amplios y difusos, lo que indica una estructura amorfa. La estructura de la capa periódica es beneficiosa para la difusión interfacial entre las capas de Al y las capas de PTFE para liberar energía. El espesor de película homogéneo también permite el rendimiento energético sintonizable al cambiar el espesor de cada capa y el número de capas.

un Imagen TEM de campo claro de sección transversal de los nanolaminados de Al / PTFE. b Se inserta una imagen de alta resolución de la capa de Al y el patrón de difracción de electrones. c Se inserta una imagen de alta resolución de la capa de PTFE y el patrón de difracción de electrones

Para confirmar aún más la composición química interfacial entre la capa de Al y la capa de PTFE, se realizan análisis de XPS en las muestras de película de Al, película de PTFE y película de PTFE con una capa de Al de ~ 1 nm de espesor depositada en la superficie. La Figura 3a muestra los espectros de nivel de núcleo de Al 2p de la película de Al y la película de PTFE con deposición de Al de ~ 1 nm de espesor. Los picos del nivel del núcleo de Al 2p que aparecieron con una energía de enlace (BE) de 72,2 eV se deben al Al metálico. Los picos a 75,4 eV de la película de Al y 75,6 eV de ~ 1 nm de Al depositados sobre la película de PTFE podrían atribuirse al aluminio oxidado. En comparación con la película de PTFE sin Al depositado en la superficie, el pico del nivel del núcleo de Al 2p que coincide con Al ³⁺ cambiar ligeramente a una energía de enlace más alta. Puede ser inducida por la reacción entre Al y PTFE [26, 27]. Mientras tanto, la Fig. 3b muestra los cambios en el nivel del núcleo F1s de la película de PTFE antes y después de la deposición de ~ 1 nm Al. El pico a 686,6 eV encaja bien con los enlaces Al-F en AlF ₃ , lo que demuestra claramente que la reacción química ocurre en la interfaz entre la capa de Al y la capa de PTFE en la etapa inicial de deposición de la película. Estos resultados también prueban que los nanolaminados de Al / PTFE están en un sistema de reacción metaestable que consiste en combustible Al, PTFE oxidante y compuesto de capa inerte Al-F. Pequeñas cantidades de enlaces Al-F que existen en las interfaces de los nanolaminados de Al / PTFE podrían evitar la reacción continua entre PTFE y Al, que son componentes importantes para mantener una alta densidad de energía y estabilidad de los nanolaminados de Al / PTFE [28].

un Espectro de alta resolución del nivel del núcleo de Al 2p de la película de Al y la película de PTFE con una capa de Al de ~ 1 nm de espesor. b Espectro de alta resolución del nivel del núcleo F 1s de la película de PTFE y la película de PTFE con una capa de Al de ~ 1 nm de espesor

Las características de liberación de calor de los nanolaminados de Al / PTFE fueron probadas por DSC en un rango de temperatura de 25 a 800 ° C bajo una velocidad de calentamiento constante de 10 ° C / min en argón fluyendo. Como se muestra en la Fig. 4, se observa que un pico exotérmico importante aumenta abruptamente al valor de temperatura de 507 ° C, que está asociado con la reacción de oxidación-reducción entre Al y PTFE. La temperatura de inicio de la reacción de los nanolaminados de Al / PTFE es de 410 ° C, y el calor de reacción es de aproximadamente 3034 J / g calculado integrando el flujo de calor exotérmico positivo con respecto al tiempo. Los nanolaminados de Al / PTFE exhiben una producción de energía significativamente alta con una temperatura de reacción de inicio relativamente baja. Tenga en cuenta que el calor de reacción está por debajo del valor teórico máximo; esto podría deberse a reacciones incompletas durante el aumento de temperatura, y la formación de una capa de compuesto Al-F en las interfaces disminuye ligeramente la liberación de calor.

Curvas DSC de los nanolaminados de Al / PTFE en función de la temperatura en un ambiente de argón

Actuaciones de iniciación eléctrica del (Al / PTFE) _n / Puentes de película de Cu

Sobre la base de la estructura y las propiedades exotérmicas de los nanolaminados de Al / PTFE, se fabricó un puente de película integrado integrando nanolaminados de Al / PTFE con un puente de película explosiva de Cu. Una secuencia de fotogramas de vídeo de alta velocidad para el fenómeno de iniciación eléctrica del puente de película de Cu y el (Al / PTFE) _n / Puente de película Cu se registraron a un voltaje de descarga de 2500 V, como se muestra en la Fig. 5; el intervalo entre imágenes contiguas es de 50 μs. Después de descargar la energía eléctrica almacenada a través del puente, se observa un violento proceso de explosión eléctrica acompañado de un destello brillante en el puente de película de Cu. Esto indica un cambio de estado rápido de plasma sólido a ionizado que se produjo en el puente de la película de Cu; el tiempo de duración es de 250 μs. Mientras que para el (Al / PTFE) _n / Puente de película de Cu, se observa un proceso de explosión más feroz con mayores cantidades de producto expulsado hacia arriba. El tiempo de duración es de más de 500 μs, que es el doble que el del puente de película de Cu. Estos resultados revelan claramente que la reacción química de los nanolaminados de Al / PTFE participa en la ionización del puente de película de Cu, y la liberación de energía de los nanolaminados de Al / PTFE puede mejorar sustancialmente los rendimientos de iniciación eléctrica. La posible liberación de gas y mayores cantidades de producto expulsado hacia arriba es beneficioso para aumentar la presión del plasma generado.

Observación con cámara de alta velocidad de los procesos de explosión eléctrica del puente de película de Cu ( a ) y el (Al / PTFE) _n / Puente de película Cu ( b ) a una tensión de descarga de 2500 V

Es un trabajo difícil medir la temperatura transitoria porque la temperatura de la explosión eléctrica puede alcanzar varios miles de grados Kelvin en micro o nanosegundos. En este artículo, las variaciones de temperatura del plasma durante los procesos de iniciación se determinan comparando intensidades relativas de líneas espectrales de la misma especie atómica o iónica. La Figura 6 muestra las variaciones de temperatura del plasma del puente de la película de Cu y el (Al / PTFE) _n / Puente de película de Cu durante los procesos de iniciación eléctrica. Después del disparo, la temperatura de explosión eléctrica del puente de película de Cu aumenta rápidamente y alcanza el máximo de ~ 6819 K. Mientras que para el (Al / PTFE) _n / Puente de película de Cu, la temperatura máxima es de ~ 8289 K; es mucho más alto que el del puente de película de Cu. Indica claramente que la reacción química en los nanolaminados de Al / PTFE se desencadena con una gran cantidad de liberación de calor. La temperatura más alta es beneficiosa para la ionización de la película metálica y la expansión del plasma rápidamente. Estos resultados concuerdan con la observación de alta velocidad.

Las curvas de variación de temperatura después del procesamiento de datos durante el proceso de explosión eléctrica para el puente de película de Cu y el (Al / PTFE) _n / Puente de película de Cu a un voltaje de descarga de 2500 V

Como todos sabemos, la velocidad final de los voladores afectará la detonación exitosa de los explosivos, y la energía cinética de los voladores se deriva de la rápida expansión del plasma de Cu. Después de disparar, la lámina volante aislada revestida en el puente de la película se corta y empuja hacia arriba por el plasma a alta temperatura y presión, como se muestra en la Fig. 7a. Las variaciones de velocidad con el tiempo se reconstruyeron a partir de la señal PDV mediante la transformación rápida de Fourier [29]. La Figura 7b muestra las curvas de variación de velocidad para el puente de película de Cu y el (Al / PTFE) _n / Puente de película de Cu a un voltaje de descarga de 2500 V. A medida que la película del puente se vaporiza y el plasma se expande rápidamente, la capa volante comienza a formar una burbuja y luego se corta por el borde del barril. El volador se acelera hacia arriba hasta que alcanza un equilibrio entre la resistencia del aire y la presión de la explosión, y posteriormente se produce una plataforma. La velocidad máxima es de 2792 m / s para el puente de película de Cu, mientras que es de 3180 m / s para el (Al / PTFE) _n / Puente de película Cu. Esto significa que la energía cinética de los volantes derivada de la explosión eléctrica se incrementa alrededor de un 29,9% debido a la integración con nanolaminados de Al / PTFE. Aunque el tiempo de lanzamiento para (Al / PTFE) _n / El puente de la película Cu es un poco más tarde que el del puente de la película Cu, el tiempo de aceleración total es bastante aproximado. La reacción química de los nanolaminados de Al / PTFE está de acuerdo con la explosión eléctrica del puente de película de Cu, y la producción de energía del puente de película de Cu puede incrementarse evidentemente mediante la integración con los nanolaminados de Al / PTFE.

un Vista lateral de la ilustración esquemática del funcionamiento del EFI en el proceso de iniciación eléctrica. b Las curvas de variación de velocidad reconstruidas a partir de la señal PDV durante los procesos de iniciación eléctrica para el puente de película de Cu y el (Al / PTFE) _n / Puente de película de Cu a un voltaje de descarga de 2500 V

Conclusiones

En resumen, nanolaminados reactivos de Al / PTFE con estructura de capa periódica se fabricaron con éxito mediante pulverización catódica con magnetrón. Los nanolaminados de Al / PTFE estaban compuestos por capas de PTFE (amorfas), capas de Al (policristalino) y capas inertes (compuesto de Al-F) en un sistema metaestable, que podría proporcionar una salida de alta energía de 3034 J / g. A través de la tecnología MEMS, los nanolaminados de Al / PTFE se integraron con una lámina explosiva de Cu para construir un puente de película integrado. La reacción química de los nanolaminados de Al / PTFE es muy consistente con la explosión eléctrica del puente de película de Cu. La temperatura de explosión eléctrica y la producción de energía del puente de película integrado también aumentan evidentemente. En general, las prestaciones de iniciación del puente de película de Cu se pueden mejorar obviamente mediante la integración con los nanolaminados de Al / PTFE.