Superrede energética de Al / Ni como um microprodutor de plasma com desempenhos excelentes

Resumo

Neste estudo, a superrede energética Al / Ni foi depositada por pulverização catódica de magnetron. Um micro-gerador de plasma foi fabricado usando a superrede energética Al / Ni. A microestrutura transversal da superrede energética Al / Ni foi digitalizada por microscopia eletrônica de transmissão. Os resultados mostram que a superrede é composta por camadas de Al e camadas de Ni, e sua estrutura periódica é claramente visível. Além disso, a espessura da bicamada é de cerca de 25 nm, que consiste em cerca de 15 nm de camada de Al e 10 nm de camada de Ni. O microiniciador foi estimulado usando um capacitor de 0,22 μF carregado em 2900-4100 V. Os comportamentos elétricos foram investigados testando a forma de onda de corrente-tensão e a geração de plasma foi explorada por câmera de ultra-alta velocidade e fotodiodo. O microgerador integrado exibiu notável fenômeno de explosão elétrica, levando a gerações de plasma em uma pequena escala de tempo. As saídas de plasma refletidas pelas velocidades do flyer foram superiores àquelas com uma bicamada muito mais espessa de 500 nm Al / Ni multicamadas. A maior velocidade do flyer combinada com o modelo de energia de Gurney confirmou que a reação química da superrede de Al / Ni contribuiu para a produção de plasma em comparação com as multicamadas de Al / Ni. No geral, esperava-se que a superrede energética Al / Ni abrisse um caminho promissor para melhorar a eficiência do iniciador com um menor investimento de energia.

Introdução

As folhas multicamadas reativas (RMFs) contêm energia química armazenada na forma de estruturas de camadas que sofrem rápida liberação de energia quando estimuladas por uma fonte de energia externa [1,2,3,4,5]. A velocidade de reação e temperatura dessas folhas estão intimamente relacionadas com a composição e geometria [6,7,8,9]. Eles são potenciais para soldagem de materiais [10,11,12], iniciação explosiva [13,14,15] e neutralização biológica [16].

Entre os numerosos RMFs existentes, Al / CuO [17], Al / MoO ₃ [18], Al / PTFE [19], B / Ti [20] e Al / Ni [21, 22] são mais extensivamente estudados. Al / Ni RMFs exibe superioridade devido ao seu alto calor de reação (330 cal / g), excelente qualidade de fabricação e economia de custos. Muitos trabalhos foram conduzidos para revelar as propriedades termodinâmicas e o desempenho da reação exotérmica auto-sustentada de Al / Ni RMFs [23,24,25,26]. Os resultados implicam que os desempenhos da reação (por exemplo, temperatura máxima de combustão, tempo de atraso de combustão) de Al / Ni RMFs dependem fortemente de sua espessura de bicamada [27]. Os RMFs com bicamadas mais finas aumentaram as áreas de contato interfacial combustível / oxidante e reduziram as distâncias de difusão atômica média de modo a promover o início da reação química [28]. Enquanto isso, a velocidade da reação e a temperatura aumentam conforme a espessura da bicamada diminui. No entanto, quando a espessura da bicamada de RMFs está abaixo de 20 nm, uma tendência contrária é encontrada devido a um grande grau de região intermixada [29].

Quando a espessura da bicamada dos RMFs de Al / Ni é diminuída para uma escala molecular ou sub-nanométrica, uma superrede energética de Al / Ni é formada. A superrede energética Al / Ni apresenta propriedades únicas de reação química devido às distâncias extremamente curtas entre os reagentes e à região intermisturada relativamente grande. A reação química da superrede energética Al / Ni foi caracterizada por vários métodos (calorimetria diferencial de varredura [29], microscopia eletrônica de transmissão [30] e microdifração de raios-X resolvida no tempo [31]) para melhor compreender o mecanismo da reação química. Os resultados indicaram que a fase metaestável não foi formada para a estrutura da superrede devido à sua distância de difusão extremamente baixa [32].

Extensos trabalhos foram realizados referentes às características de combustão e mecanismo químico da superrede energética Al / Ni. No entanto, há falta de relatórios sobre os comportamentos elétricos e desempenho do plasma com base na superrede energética Al / Ni sob estimulação elétrica extra. No presente estudo, a superrede energética Al / Ni foi depositada em Al ₂ O ₃ substratos por pulverização catódica de magnetron e padronizados por corrosão úmida para formar um gerador de plasma. Os comportamentos elétricos e o desempenho do plasma do gerador sob estimulação elétrica foram investigados em detalhes.

Métodos Experimentais

As amostras energéticas da superrede Al / Ni foram fabricadas depositando alternadamente uma camada composta de Al e Ni em Al ₂ O ₃ substratos de alvos de Ni (99,99% em peso) e Al (99,99% em peso). A pressão de base da câmara de deposição era 5 × 10 ⁻⁵ Pa, e a pulverização catódica foi realizada com um gás de processo de Ar a pressões de 0,8 Pa. Ambas as camadas de Al e Ni foram depositadas a 90 W. Nas condições de deposição acima, a taxa de deposição de Al e Ni foi de cerca de 15 nm / min e 10 nm / min, respectivamente. A espessura da bicamada da superrede energética de Al / Ni conforme depositada era de cerca de 25 nm, e a espessura total era de cerca de 4 μm. Cada bicamada consistia em uma camada de Al e uma camada de Ni com uma proporção de espessura de 3:2 para manter uma proporção atômica geral de 1:1. Como amostras de comparação, Al / Ni RMFs com espessura de bicamada de 500 nm também foram depositados. A camada de cobre com espessura de 20 nm foi depositada sobre as amostras de forma a manter uma boa aderência ao plugue de cerâmica.

O processo de fabricação do micro-gerador de plasma foi baseado na técnica MEMS, conforme mostrado na Fig. 1. Primeiramente, 0,5 mm de espessura de 4 pol. Al ₂ O ₃ o substrato foi limpo com acetona, álcool e água deionizada em banho ultrassônico por 5 min, respectivamente. Em segundo lugar, os substratos foram secos em estufa por 30 min a 100 ° C. Em terceiro lugar, os substratos foram fixados no suporte de amostra e seus contaminantes de superfície foram removidos por plasma de oxigênio. Em seguida, a superrede energética Al / Ni foi depositada na superfície do Al ₂ O ₃ substrato. Subsequentemente, um fotoresiste positivo (AZ5214E) foi revestido por rotação na superfície de amostras conforme depositadas a 5000 rpm por 60 se pré-cozido em um forno por 90 s a 100 ° C. Posteriormente, as amostras foram padronizadas e expostas a uma radiação ultravioleta com uma intensidade de 16 mJ / cm ² . Posteriormente, as amostras foram desenvolvidas em solução de NaOH. As amostras foram novamente cozidas a 120 ° C para estabilizar o padrão fotoresiste. Finalmente, as amostras foram gravadas para formar uma ponte bowtie em solução de ácido de Alumínio (Alumínio Etchant Tipo A, Transene Company, Danvers, Massachusetts) a 30 ° C. As amostras padronizadas foram cortadas em vários chips individuais, e o fotorresiste restante foi removido em acetona. Por último, o chip foi montado em um plugue de cerâmica para formar o gerador de plasma.

Processo de fabricação de micro gerador de plasma

A estrutura transversal do gerador de plasma foi caracterizada por microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Posteriormente, o gerador de microplasma foi estimulado usando um gerador de corrente de pulso alto (0,22 μF, 2900-4100 V), e as formas de onda de corrente-tensão foram medidas usando uma bobina de Rogowski e uma sonda de alta tensão, que registrou por um osciloscópio . Nesse ínterim, a geração do plasma foi registrada por uma câmera de alta velocidade (SIM, SIL3001-00-H06). O tempo de exposição da câmera de ultra-alta velocidade foi de 10 ns, e o tempo de intervalo de cada quadro foi de cerca de 20–50 ns. Além disso, a intensidade da luz geradora foi medida por um fotodiodo. O atraso de linha de base de teste entre o gerador de corrente de pulso alto, câmera de ultra-alta velocidade e osciloscópio foi controlado por um gerador de atraso digital (DG535), que é mostrado na Fig. 2.

Teste do desenho esquemático do gerador de micro-plasma

Além disso, o desempenho do micro-gerador de plasma foi caracterizado pelo teste de sua capacidade de acionar o flyer de Kapton com a espessura de 30 μm. Um pulso de corrente curta foi aplicado no gerador de plasma, causando uma explosão rápida da ponte bowtie (0,4 × 0,4 mm), que por sua vez obrigou o voador a acelerar a uma velocidade de vários quilômetros por segundo [33,34,35] . E a velocidade do passageiro foi registrada por um Doppler fotônico velocimetria (PDV).

Resultados e discussão

A Figura 3a mostra a imagem TEM em corte transversal de campo claro da superrede energética Al / Ni, que indica uma estrutura periódica que consiste em bicamadas de Al e Ni com uma espessura controlada e diferentes camadas podem ser facilmente distinguidas. A difração de elétrons de área selecionada (SAED) é ainda realizada, como mostrado na Fig. 3b, c. A imagem clara corresponde à camada de Al, enquanto a imagem escura denota a camada de Ni. A espessura da bicamada é de cerca de 25 nm, que consiste em cerca de 15 nm de camada de Al e 10 nm de camada de Ni. Os anéis de difração indicam uma estrutura policristalina bem definida da camada de Ni e Al. A Figura 3d mostra a imagem TEM em corte transversal de campo claro de multicamadas de Al / Ni com uma espessura de bicamada de 500 nm.

a Imagem TEM de campo claro transversal da superrede energética Al / Ni. b Padrão de difração de elétrons da camada de Ni. c Padrão de difração de elétrons da camada de Al. d Imagem TEM de campo claro transversal de Al / Ni RMFs

A Figura 4a ilustra os históricos de tensão, corrente, intensidade de luz e energia da superrede energética de Al / Ni carregada a 3,5 kV. A evolução da tensão-corrente exibe picos de corrente e tensão. Quando um pulso de corrente é fornecido aos materiais da superrede Al / Ni, o filme é localmente aquecido devido ao efeito Joule, resultando em um rápido aumento na temperatura correspondente a um aumento na tensão através da ponte [36, 37]. Eventualmente, a tensão é aumentada o suficiente para induzir uma queda na corrente, onde a resistência atinge o máximo. O material vaporizado e ionizado constrói um novo caminho de baixa resistência para fazer a voltagem cair para zero, acompanhando a corrente de descarga para um valor máximo.

a Evolução da corrente-tensão e intensidade de emissão de luz para superrede energética de Al / Ni com o capacitor de armazenamento inicialmente carregado com 3,5 kV. b Imagens em corte transversal dos processos dinâmicos por câmera de ultra-alta velocidade

A Figura 4b mostra a evolução do plasma da superrede energética de Al / Ni capturada por uma câmera de ultra-alta velocidade. O processo de aquecimento Joule, evaporação e geração e expansão de plasma é evidente. De acordo com a Fig. 4, uma luz turva é observada e a tensão e a corrente aumentam lentamente, indicando um processo de aquecimento Joule (≤ 168 ns). Em 218 ns, a voltagem é aumentada repentinamente enquanto a luz emissora é distinta, e a área da luz é quase a área da ponte do arco-íris. Isso corresponde ao processo de evaporação da superrede energética Al / Ni. Quando a tensão atinge seu máximo em 258 ns, a explosão associada à geração de plasma ocorre seguindo com luz intensa. Depois de explodir, a expansão do plasma em direção ao ambiente pode causar ondas de choque. Partículas de produto que existiam na combustão de Al / Ni RMFs não são observadas neste estudo, implicando que a explosão da superrede energética Al / Ni é uniforme sob alta corrente de pulso [38]. Portanto, o tempo do pico de tensão pode ser considerado como o tempo de atraso ( T _b ) (entre o início do pulso de corrente e o sinal de pico de tensão). A energia absorvida pela amostra durante este tempo de atraso é considerada como a energia de explosão crítica ( E _c ) Devemos notar que o ponto de início da intensidade da emissão de luz corresponde ao pico de tensão (258 ns). O sinal de intensidade de emissão de luz dificilmente pode ser detectado por causa da luz fraca antes da explosão.

Os resultados de T _b e E _c são obtidos a partir da integração de curvas de tensão-corrente elétrica sob diferentes tensões de carga variando de 2900 a 4100 V, conforme apresentado na Fig. 5a. Conforme mostrado na Fig. 5a, T _b diminui com o aumento da tensão de carregamento. De acordo com a imagem inserida na Fig. 5a, a corrente máxima atinge cerca de 2572 A a 4100 V, enquanto o pico da corrente atinge 1870 A a 2900 V. É indicado que a entrada de energia elétrica por unidade de tempo da superrede energética Al / Ni é aumentou com o aumento da tensão de carregamento. Portanto, o tempo de atraso na tensão de carga mais baixa é muito mais longo em comparação com as tensões de carga altas. No entanto, para E _c valores, exibe uma tendência acentuada com o aumento da tensão de carga, implicando que mais energia elétrica é absorvida a ponto de explodir a 4100 V para a superrede energética Al / Ni em comparação com a de 3500 e 2900 V, o que pode ser atribuído a a explosão da heterogeneidade sob um pulso elétrico. Quando um pulso de alta corrente é aplicado à superrede energética de Al / Ni, a temperatura dos quatro cantos é muito mais alta do que a de outras seções, resultando em uma explosão em um tempo mais curto, conforme mostrado na Fig. 5b. A diferença entre as seções explodindo diminui com o aumento da tensão de carga. Assim, a explosão elétrica da superrede energética de Al / Ni parece mais homogênea a 4100 V do que aquelas com tensões de carga mais baixas, sendo responsáveis ​​pela alta tensão de explosão e energia elétrica.

a Resultados experimentais do tempo de explosão e da energia crítica da explosão com tensões de carregamento variando de 2900 a 4100 V para superrede energética de Al / Ni. b Imagens dos processos dinâmicos da superrede energética Al / Ni com a direção da câmera de ultra-alta velocidade

A Figura 6a mostra as velocidades do flyer por expansão de plasma em tensões de carga variando de 2900 a 4100 V para superrede energética Al / Ni. Depois que o pulso elétrico é carregado na superrede, a pressão de plasma em expansão acelera o flyer para longe da superfície da amostra, fazendo com que uma porção do flyer se rasgue e continue a aceleração. Como esperado, a velocidade do flyer aumenta à medida que a voltagem de carga aumenta. Para a tensão de carga de 4100 V, a velocidade máxima do flyer atinge mais de 3 km / s, o que é significativamente maior do que o valor de pico obtido na tensão de carga de 3500 V. Quando a tensão de carga diminui para 2900 V, a velocidade do flyer é de cerca de 2,3 km / s.

a Curvas de velocidade do flyer para diferentes níveis de tensão de carga do capacitor aplicadas à superrede energética de Al / Ni. b Velocidade do flyer para a superrede energética Al / Ni e RMFs Al / Ni com tensões de carga variando de 2900 a 4100 V

A velocidade do flyer foi medida três vezes em cada voltagem de carga, e a velocidade máxima do flyer é a média, conforme mostrado na Fig. 6b. Os resultados mostram que a velocidade máxima do flyer de amostra de RMFs é muito menor do que a de estruturas de superrede energética. O modelo de energia de Gurney é introduzido para reconciliar diferentes relações de energia elétrica e massa de flyer para camadas entre as amostras [39, 40]. A velocidade final do flyer é prevista de acordo com:
$$ {v} _ {\ mathrm {f}} =\ sqrt {2 {E} _ {\ mathrm {g}}} {\ left (\ frac {M} {B} + \ frac {1} {3 } \ right)} ^ {- \ frac {1} {2}} $$ (1) $$ {E} _ {\ mathrm {g}} =K {J _ {\ mathrm {b}}} ^ n $ $ (2)
onde M é a massa do voador, B é a massa de onde vem a energia do plasma para aceleração, e E _g é a energia por unidade de massa fornecida ao sistema. K , n é o fator Gurney que é decidido pela composição e geometria da folha. J _b é a densidade de corrente elétrica explodindo. No caso atual, as amostras têm as mesmas razões de massa flyer-para-camada e fator de Gurney devido à idêntica espessura de bicamada, espessura total e geometria. A velocidade do passageiro está relacionada à energia elétrica fornecida ao sistema ( E _g ), que é calculado pela densidade de corrente explosiva.

Em nossos resultados de experimentos, a densidade de corrente de explosão de Al / Ni RMFs é maior do que a superrede. De acordo com o modelo de energia de Gurney, a velocidade final do flyer de Al / Ni RMFs deve exibir um valor mais alto em comparação com as amostras integradas com superrede energética Al / Ni. Mas os resultados previstos não são consistentes com a produção experimental (Fig. 6b). Pelo contrário, os resultados experimentais com superrede exibem maior velocidade do voador por contraste de RMFs. Os incrementos da energia cinética do flyer confirmam que a energia química gerada a partir da reação entre Al e Ni é afetada pelo processo de plasma para a superrede energética Al / Ni. A liberação de calor é atribuída à alta ionização da superrede durante o processo de formação do plasma, resultando em uma rápida velocidade de expansão do plasma.

Conclusões

Neste trabalho, a superrede energética de Al / Ni foi fabricada alternativamente por camadas de Al e Ni depositadas na superfície de Al ₂ O ₃ substratos cerâmicos por pulverização catódica magnetron, caracterizados por TEM. Foram investigados os comportamentos elétricos e o desempenho do plasma com base na superrede energética Al / Ni sob estimulação elétrica extra, a qual foi integrada como um microgerador de plasma. O microgerador integrado exibiu notável fenômeno de explosão elétrica, levando a gerações de plasma em uma pequena escala de tempo. As saídas de plasma refletidas pelas velocidades do flyer foram superiores àquelas com uma bicamada muito mais espessa de 500 nm Al / Ni multicamadas. O modelo de energia de Gurney confirmou que a reação química da estrutura da superrede de Al / Ni estava envolvida na geração de plasma em comparação com RMFs de Al / Ni. No geral, o microgerador de plasma baseado na superrede energética Al / Ni exibe desempenho superior com altas saídas de plasma, melhorando assim a transdução de energia elétrica e a confiabilidade do sistema. Portanto, há muitas perspectivas de aplicação de superrede energética de Al / Ni em iniciadores de micro ou nano plasma para implementar funções especiais.

Abreviações

RMFs:

Folhas multicamadas reativas

TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão

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