Desempenho energético aprimorado com base na integração com os nanolaminados de Al / PTFE

Resumo

A integração de materiais energéticos em um chip tem recebido grande atenção por suas amplas aplicações potenciais no sistema de consumo de energia em microescala, incluindo dispositivo de iniciação elétrica. Neste artigo, nanolaminatos reativos de Al / PTFE com estrutura de camada periódica são preparados por pulverização catódica de magnetron, que consiste em Al combustível, PTFE oxidante e composto de camada inerte Al-F em um sistema metaestável. Os nanolaminados de Al / PTFE como depositados exibem uma produção de energia significativamente alta, e a temperatura de início e o calor de reação são 410 ° C e 3034 J / g, respectivamente. Com base nessas propriedades, uma ponte de película integrada é projetada e fabricada por meio da integração de nanolaminados de Al / PTFE com uma folha de explosão de Cu, que exibe desempenho energético aprimorado com fenômeno de explosão mais violento, maiores quantidades de produto ejetado e temperatura de plasma mais alta em comparação com o Ponte de filme de cobre. A energia cinética dos panfletos derivados da expansão da ponte do filme de Cu também é aumentada em cerca de 29,9% por meio da integração com os nanolaminatos de Al / PTFE. No geral, os desempenhos energéticos podem ser melhorados substancialmente por meio de uma combinação da reação química de nanolaminados de Al / PTFE com a explosão elétrica da ponte de filme de Cu.

Histórico

Na última década, as investigações em materiais energéticos nanoestruturados têm recebido preocupação mundial e crescente interesse de pesquisa devido aos seus desempenhos energéticos superiores, incluindo baixa temperatura de ignição, rápida liberação de energia, alta densidade de energia e reatividade ajustável [1,2,3,4,5 , 6,7,8,9,10]. A energia química armazenada por esses materiais pode ser liberada mediante acionamento elétrico, ótico, de impacto ou térmico, podendo ser utilizado para fins militares e civis, como iniciação de reações secundárias [11], união de materiais [12], automotivo propelentes de airbag [13] e fonte de alimentação [14]. Muitos métodos, incluindo a mistura física de nanopós, moagem reativa interrompida de nanocompósitos densos, revestimento nanoenergético eletroforético e deposição periódica de nanolaminatos, foram introduzidos para fabricar materiais energéticos nanoestruturados [15,16,17,18,19]. Entre esses métodos, a fabricação de nanolaminados por meio da deposição alternada de dois ou mais filmes diferentes fornece uma estrutura fascinante para a integração do dispositivo com desempenhos energéticos ajustáveis, porque o número de camadas e a espessura da monocamada são facilmente controlados e, consequentemente, para ajustar seus desempenhos energéticos.

Exploding foil iniciator (EFI) é um tipo de dispositivo pirotécnico de geração elétrica usado para iniciação de reações secundárias [20]. Após a aplicação de um pulso elétrico, o aumento instantâneo da densidade da corrente causa a vaporização da ponte do filme metálico e a geração de plasma de alta pressão. Em seguida, o flyer na ponte do filme é cortado e acelerado para impactar os explosivos. Com os crescentes requisitos para miniaturização de dispositivos de ignição elétrica e iniciação de baixa energia, a integração de camadas nanoenergéticas com uma ponte de filme metálico baseada em tecnologia de sistema microeletrônico e mecânico (MEMS) para alcançar nanoenergético-em-um-chip funcional (NOC) constitui uma promessa opção para o desenvolvimento de EFI. A combinação do calor de reação de materiais energéticos com o joule elétrico tradicional de ponte de filme metálico possibilita melhorar o desempenho da explosão elétrica de EFI com iniciação de baixa energia em um tamanho compacto.

O filme de nanolaminado de Al / PTFE é um candidato promissor para integração com EFI com base nas seguintes razões. Primeiro, o metal Al é um material comum com alta densidade de energia e taxa de liberação de energia durante a oxidação. Enquanto isso, o teor de flúor no PTFE é de até 76% em peso, que pode reagir com o metal Al para formar AlF ₃ com uma alta liberação de energia teórica de 5571 J / g [21]. Em segundo lugar, a potencial liberação de gás derivada da pirólise do filme de PTFE e do produto da reação de oxicarbeto nas condições atmosféricas pode aumentar a pressão do plasma gerado, o que é benéfico para o cisalhamento e aceleração do flyer [22]. Neste artigo, uma ponte de filme integrado foi projetada e fabricada por meio da integração dos nanolaminados de Al / PTFE com uma ponte de filme de explosão de Cu. A estrutura e composição química dos nanolaminatos de Al / PTFE como depositados foram estudados por análises TEM e XPS. Os efeitos dos nanolaminados de Al / PTFE integrados nos desempenhos de iniciação elétrica foram investigados através dos testes de explosão elétrica.

Métodos

Deposição de Nanolaminatos Al / PTFE

Os nanolaminatos de Al / PTFE foram preparados através da deposição alternada de camadas de Al e camadas de PTFE por pulverização catódica de magnetron de corrente contínua e pulverização catódica de magnetron de radiofrequência, respectivamente. Os alvos usados para pulverização catódica foram folha de alumínio puro (pureza> 99,999%) e folha de politetrafluoroetileno (pureza> 99,99%) com um tamanho de 100 mm de diâmetro. Uma mesa de substrato giratória foi empregada para realizar múltiplas deposições alternadas. A pressão de base para a deposição do filme estava abaixo de 5 × 10 ^{- 4} Pa, e o gás argônio foi introduzido como meio gasoso. Os parâmetros de deposição foram definidos como 1,1 Pa, 300 W para camadas de PTFE e 0,45 Pa, 100 W para camadas de Al, para obter uma qualidade de filme otimizada e taxa de deposição estável.

Preparação do (Al / PTFE) _n / Cu-Integrated EFI

O (Al / PTFE) _n / A ponte de filme de Cu foi preparada por pulverização catódica de magnetron e técnicas de MEMS em um substrato de cerâmica de alumina com um diâmetro de 3 pol. O processo de fabricação do (Al / PTFE) _n / A ponte de filme de Cu é mostrada na Fig. 1. Cada unidade consiste em uma ponte de filme de explosão de Cu na parte inferior, um filme de nanolaminado de Al / PTFE de forma retangular depositado no topo de uma ponte de filme de Cu e duas partes de blocos de Cu localizados em os dois lados dos nanolaminatos de Al / PTFE.

Desenho esquemático e fluxo do processo de fabricação do (Al / PTFE) _n / Ponte filme Cu

Antes da deposição, o substrato foi limpo por ultrassom sequencialmente usando acetona, álcool e água deionizada por 10 min. Em seguida, o substrato limpo foi seco com gás argônio e tratado termicamente a 120 ° C por 1 h para secagem posterior. Após a secagem, uma camada de Cu de 2 μm de espessura foi depositada no substrato limpo por pulverização catódica DC magnetron. Posteriormente, o filme de Cu depositado foi padronizado por fotolitografia e gravado a úmido por agente de corrosão de cobre (CE - 100). A dimensão da ponte de filme de Cu padronizado era 600 μm × 600 μm. Em seguida, nanolaminatos de Al / PTFE de ~ 2 μm de espessura foram depositados no topo da ponte do filme de Cu e padronizados com o processo de reversão de imagem. A sequência de empilhamento para pulverização catódica de nanolaminatos de Al / PTFE foi Al / PTFE / Al / PTFE / Al, e a camada de Al foi deixada como a camada superior. Em seguida, duas placas de contato de Cu padronizadas com máscara foram empilhadas em ambos os lados dos nanolaminados de Al / PTFE para a conexão à fonte de tensão. Finalmente, a amostra acabada foi dividida em unidades individuais.

Caracterização dos nanolaminados de Al / PTFE

A cristalinidade e a caracterização microscópica estrutural dos nanolaminados de Al / PTFE foram realizadas usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Um filme de Al de ~ 1 nm de espessura foi depositado na camada de PTFE para determinar as composições químicas da interface entre a camada de Al e a camada de PTFE por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS). Os nanolaminatos de PTFE foram raspados do substrato e transferidos para um cadinho de alumina para análise da liberação de energia por calorimetria diferencial de varredura (DSC). A massa da amostra para cada teste foi de ~ 10 mg, e os testes foram realizados de 25 a 800 ° C a uma taxa de aquecimento de 10 ° C / min em fluxo de argônio.

Teste de explosão elétrica da ponte do filme

As propriedades de explosão elétrica das amostras foram testadas por um sistema de medição de explosão elétrica, que é semelhante ao relatório anterior para ponte de filme Cu / Al / CuO [23]. As características da temperatura de explosão elétrica foram determinadas por um modo de diagnóstico de temperatura de explosão elétrica baseado na “espectroscopia de emissão atômica de linha dupla de um elemento de cobre” [24, 25]. Os fenômenos de explosão elétrica foram registrados de forma síncrona por uma câmera de alta velocidade com 20.000 quadros por segundo. O processo de aceleração de voadores foi obtido por meio da velocimetria Doppler fotônica (PDV) para investigar a capacidade de conduzir voadores.

Resultados e discussão

Caracterização dos Nanolaminatos Al / PTFE

A imagem TEM em seção transversal dos nanolaminatos de Al / PTFE é mostrada na Fig. 2a. As camadas de Al e as camadas de PTFE são organizadas periodicamente na orientação vertical e a estrutura da camada bem alinhada é claramente visível. As faixas escuras correspondem às camadas de Al, enquanto as faixas claras correspondem às camadas de PTFE. As camadas de Al e as camadas de PTFE podem ser distinguidas facilmente, e as interfaces onduladas entre as camadas de Al e as camadas de PTFE também são visíveis na imagem. A espessura da monocamada da camada de Al e da camada de PTFE é de cerca de 50 e 75 nm, respectivamente. As imagens de alta resolução da camada de Al e da camada de PTFE são mostradas na Fig. 2b, c, e os padrões de difração de elétrons são inseridos. O arranjo da rede do filme de Al pode ser observado claramente, que exibe uma estrutura nano-policristalina bem definida. Enquanto o filme de PTFE exibe anéis largos e difusos, indicando estrutura amorfa. A estrutura da camada periódica é benéfica para a difusão interfacial entre as camadas de Al e as camadas de PTFE para liberar energia. A espessura homogênea do filme também permite o desempenho energético ajustável, alterando a espessura de cada camada e o número de camadas.

a Imagem TEM de campo claro transversal dos nanolaminados de Al / PTFE. b Imagem de alta resolução da camada de Al e do padrão de difração de elétrons é inserida. c A imagem de alta resolução da camada de PTFE e o padrão de difração de elétrons são inseridos

Para confirmar ainda mais a composição química interfacial entre a camada de Al e a camada de PTFE, as análises de XPS são realizadas nas amostras de filme de Al, filme de PTFE e filme de PTFE com uma camada de Al de ~ 1 nm de espessura depositada na superfície. A Figura 3a mostra os espectros de nível de núcleo de Al 2p do filme de Al e do filme de PTFE com deposição de Al de ~ 1 nm de espessura. Os picos do nível do núcleo do Al 2p que apareceram na energia de ligação (BE) de 72,2 eV são devidos ao Al metálico. Os picos a 75,4 eV do filme de Al e 75,6 eV de ~ 1 nm de Al depositado no filme de PTFE podem ser atribuídos ao alumínio oxidado. Em comparação com o filme de PTFE sem Al depositado na superfície, o pico do nível do núcleo Al 2p que corresponde ao Al ³⁺ mude ligeiramente para uma energia de ligação mais alta. Pode ser induzido pela reação entre Al e PTFE [26, 27]. Enquanto isso, a Fig. 3b mostra as mudanças no nível do núcleo F 1s do filme de PTFE antes e depois da deposição de Al de ~ 1 nm. O pico em 686,6 eV se encaixa bem com ligações Al-F em AlF ₃ , o que demonstra claramente que a reação química ocorre na interface entre a camada de Al e a camada de PTFE no estágio inicial de deposição do filme. Esses resultados também provam que os nanolaminatos de Al / PTFE estão em um sistema de reação metaestável que consiste em Al combustível, PTFE oxidante e composto de camada inerte Al-F. Pequenas quantidades de ligações Al-F que existem nas interfaces de nanolaminatos de Al / PTFE poderiam impedir a reação contínua entre PTFE e Al, que são componentes importantes para manter alta densidade de energia e estabilidade dos nanolaminatos de Al / PTFE [28].

a Espectro de alta resolução do nível do núcleo de Al 2p do filme de Al e do filme de PTFE com uma camada de Al de ~ 1 nm de espessura. b Espectro de alta resolução do nível do núcleo F 1s do filme PTFE e do filme PTFE com uma camada de Al de ~ 1 nm de espessura

As características de liberação de calor dos nanolaminatos de Al / PTFE foram testadas por DSC em uma faixa de temperatura de 25 a 800 ° C sob taxa de aquecimento constante de 10 ° C / min em fluxo de argônio. Como mostrado na Fig. 4, um pico exotérmico principal é observado subindo abruptamente no valor de temperatura de 507 ° C, que está associado à reação de oxidação-redução entre Al e PTFE. A temperatura de início da reação dos nanolaminatos de Al / PTFE é de 410 ° C e o calor da reação é de cerca de 3034 J / g calculado integrando o fluxo de calor exotérmico positivo em relação ao tempo. Os nanolaminatos de Al / PTFE exibem saída de energia significativamente alta com uma temperatura de reação de início relativamente baixa. Observe que o calor de reação está abaixo do valor máximo teórico; isso pode ser causado pelas reações que são incompletas durante o aumento da temperatura, e a formação da camada de composto Al-F nas interfaces diminui ligeiramente a liberação de calor.

Curvas DSC dos nanolaminatos de Al / PTFE em função da temperatura em ambiente de argônio

Desempenhos de iniciação elétrica do (Al / PTFE) _n / Cu Film Bridges

Com base na estrutura e nas propriedades exotérmicas dos nanolaminados de Al / PTFE, uma ponte de filme integrado foi fabricada integrando nanolaminados de Al / PTFE com uma ponte de filme explodindo de Cu. Uma sequência de quadros de vídeo de alta velocidade para o fenômeno de iniciação elétrica da ponte de filme Cu e o (Al / PTFE) _n / Ponte de filme de Cu foram registrados em uma tensão de descarga de 2500 V, como mostrado na Fig. 5; o intervalo entre as imagens adjacentes é de 50 μs. Depois de descarregar a energia elétrica armazenada através da ponte, um violento processo de explosão elétrica acompanhado de um flash brilhante é observado na ponte de filme de Cu. Isso indica uma rápida mudança de estado de plasma sólido para ionizado que ocorreu na ponte do filme de Cu; o tempo de duração é 250 μs. Enquanto para o (Al / PTFE) _n / Ponte de filme de cobre, um processo de explosão mais violento com maiores quantidades de produto ejetado para cima é observado. O tempo de duração é superior a 500 μs, o que é o dobro da ponte de filme de Cu. Estes resultados revelam claramente que a reação química dos nanolaminados de Al / PTFE participa da ionização da ponte do filme de Cu, e a liberação de energia dos nanolaminatos de Al / PTFE pode melhorar substancialmente os desempenhos de iniciação elétrica. A liberação potencial de gás e maiores quantidades de produto ejetado para cima são benéficas para aumentar a pressão do plasma gerado.

Observação de câmera de alta velocidade dos processos de explosão elétrica para a ponte do filme Cu ( a ) e o (Al / PTFE) _n Ponte de filme / Cu ( b ) a uma tensão de descarga de 2500 V

É um trabalho difícil medir a temperatura transitória, pois a temperatura da explosão elétrica pode atingir vários milhares de graus Kelvin em micro ou nanossegundos. Neste artigo, as variações de temperatura do plasma durante os processos de iniciação são determinadas pela comparação das intensidades relativas das linhas espectrais da mesma espécie atômica ou iônica. A Figura 6 mostra as variações de temperatura do plasma da ponte de filme de Cu e do (Al / PTFE) _n / Ponte filme Cu durante os processos de iniciação elétrica. Após o disparo, a temperatura de explosão elétrica da ponte de filme de Cu aumenta rapidamente e chega ao máximo de ~ 6819 K. Enquanto para o (Al / PTFE) _n / Ponte filme Cu, a temperatura de pico é ~ 8289 K; é muito mais alto do que a ponte de filme de Cu. Indica claramente que a reação química em nanolaminatos de Al / PTFE é desencadeada com um grande número de liberação de calor. A temperatura mais alta é benéfica para a ionização do filme metálico e a expansão do plasma rapidamente. Esses resultados são bem consistentes com a observação em alta velocidade.

As curvas de variação de temperatura após o processamento de dados durante o processo de explosão elétrica para a ponte de filme de Cu e o (Al / PTFE) _n / Ponte de filme Cu a uma tensão de descarga de 2500 V

Como todos sabemos, a velocidade final dos voadores afetará o sucesso da detonação dos explosivos, e a energia cinética dos voadores deriva da rápida expansão do plasma de Cu. Após o disparo, a folha adesiva isolada revestida na ponte de filme é cortada e empurrada para cima pelo plasma de alta temperatura e pressão, como mostrado na Fig. 7a. As variações da velocidade com o tempo foram reconstruídas a partir do sinal do PDV por meio da transformação rápida de Fourier [29]. A Figura 7b mostra as curvas de variação de velocidade para a ponte de filme de Cu e o (Al / PTFE) _n / Ponte de filme de Cu a uma tensão de descarga de 2500 V. À medida que o filme ponte vaporiza e o plasma se expande rapidamente, a camada do insecto começa a formar uma bolha e é cortada pela borda do cilindro. O flyer é acelerado para cima até atingir um equilíbrio entre a resistência do ar e a pressão da explosão e, posteriormente, ocorre uma plataforma. A velocidade de pico é de 2792 m / s para a ponte de filme de Cu, enquanto é de 3180 m / s para o (Al / PTFE) _n / Ponte de filme Cu. Isso significa que a energia cinética dos voadores derivada da explosão elétrica é aumentada em torno de 29,9% devido à integração com nanolaminatos de Al / PTFE. Embora o tempo de lançamento para (Al / PTFE) _n / Ponte de filme de Cu é um pouco mais tarde do que a ponte de filme de Cu, o tempo de aceleração geral é bastante aproximado. A reação química dos nanolaminatos de Al / PTFE está de acordo com a explosão elétrica da ponte do filme de Cu, e a produção de energia da ponte do filme de Cu pode ser aumentada evidentemente por meio da integração com os nanolaminatos de Al / PTFE.

a Vista lateral da ilustração esquemática da operação EFI no processo de iniciação elétrica. b As curvas de variação de velocidade reconstruídas a partir do sinal PDV durante os processos de iniciação elétrica para a ponte de filme de Cu e o (Al / PTFE) _n / Ponte de filme Cu a uma tensão de descarga de 2500 V

Conclusões

Em resumo, nanolaminatos de Al / PTFE reativos com estrutura de camada periódica foram fabricados com sucesso por pulverização catódica de magnetron. Os nanolaminatos de Al / PTFE eram compostos de camadas de PTFE (amorfas), camadas de Al (policristalino) e camadas inertes (composto de Al-F) em um sistema metaestável, que poderia fornecer uma alta produção de energia de 3034 J / g. Por meio da tecnologia MEMS, os nanolaminados de Al / PTFE foram integrados a uma folha de cobre explodindo para construir uma ponte de filme integrada. A reação química dos nanolaminatos de Al / PTFE é bem consistente com a explosão elétrica da ponte do filme de Cu. A temperatura de explosão elétrica e a produção de energia da ponte de filme integrada também aumentaram evidentemente. No geral, os desempenhos de iniciação da ponte de filme de Cu podem ser melhorados obviamente por meio da integração com os nanolaminatos de Al / PTFE.