微结构含能器件原位合成技术

A novel method for designing micro-structured energetic device is presented to solve the problems of low output energy and complicated fabrication process about the micro initiators. The investigation will be concentrated on in-situ synthesis technology of nano-azide copper and integrated manufacturing technology of micro-structured energetic devices. Nano-copper meshes will be fabricated by electrochemical method, whose characteristics of extremely high specific surface area and reactivity contribute to control the in-situ synthesis of the high energy density and low limit initiation explosive and eliminate the potential hazard in the traditional charge condition. The samples will be characterized by SEM, TEM, BET, DSC and TG-DTA. The in-situ synthesis mechanism will be investigated to construct the azide reaction model of nano-copper mesh. In order to solve the problem of ignition ability for small bridge membrane, Al/CuO/Al reactive composite bridge membrane will be fabricated by film deposition and photolithography to investigate the electrical explosion characteristics. A novel integration method for micro-explosive array and energetic device has been explored by analyzing the integration and packaging process of MEMS. This research has potential application for the fuze security setup and attitude control of micro-satellite based on MEMS.

针对微火工品输出能量小、制作工艺困难等问题，提出微结构含能器件设计新方法，研究纳米叠氮化铜原位合成技术及微结构含能器件的集成制造技术。采用电化学方法制备纳米铜网格，利用纳米铜网格具有极高的比表面积和反应活性的特点，实现高能量密度、低极限起爆药剂的可控、原位合成，消除传统装压药的安全隐患。借助SEM、TEM、BET、DSC、TG-DTA等分析方法，探讨不同条件下纳米铜结构与原位叠氮化程度及叠氮化产物物理和化学性能之间的规律，研究原位反应机理，建立纳米铜网格叠氮化反应模型；利用薄膜沉积、掩膜、光刻等技术制作Al/CuO/Al反应性复合桥膜，研究不同工艺条件下的复合桥膜的电爆特性规律，解决小桥的点火能力低的问题。通过基于MEMS的集成封装工艺技术，探索微爆炸阵列、含能器件系统集成的新方法。为研究用于MEMS引信安保机构及微卫星姿态控制的微小型火工品提供科学依据。

通过氢气泡动态模板法沉积制备了具有三维蜂窝状孔洞形貌的多孔铜，其孔壁由分形纳米铜晶枝、纳米铜棒、纳米铜颗粒组成。研究了不同工艺条件对多孔铜形貌特性的影响，通过控制添加剂种类和电沉积参数可有效控制多孔铜的晶枝形貌和孔径分布。采用场发射扫描电镜和激光共聚焦显微镜对多孔铜的晶枝形貌和孔径分布进行表征。研究了三维多孔微-纳米结构叠氮化铜(Cu(N3)2)原位合成机理及影响目标产物的主要因素，并初步设计制备了基于三维多孔微-纳米结构叠氮化铜(Cu(N3)2)原位合成的MEMS含能器件。.三维多孔微-纳米结构叠氮化铜(Cu(N3)2)是由叠氮酸(HN3)和三维多孔铜(PCu)薄膜(1cmx1cm)的原位反应12h ~48h制备。.叠氮化反应时间对叠氮化产物影响较大，叠氮化反应12h，反应制备的产物为较纯的CuN3，反应24h和36h时均为Cu(N3)2和CuN3的混合物，而叠氮化反应48h后得到的是较纯的Cu(N3)2。由此可以推断叠氮化机理是：PCu首先与HN3反应生成叠氮化亚铜(CuN3)，随着反应时间的增加，CuN3继续与HN3反应生成Cu(N3)2，叠氮化反应48h左右即可得到纯Cu(N3)2。.叠氮化反应中，铜的价态影响叠氮化反应产物：当叠氮化反应时间均为12h，纯多孔铜(即0价铜)，叠氮化产物均为CuN3；但多孔铜经过部分氧化后，含有CuO、Cu2O和单质铜，其叠氮化反应的产物同时存在CuN3和Cu(N3)2。说明CuO与单质铜相比，更易与HN3反应生成Cu(N3)2。.电解液中的添加剂影响PCu的形貌，但对制备的Cu(N3)2形貌影响不大，PCu部分氧化后进行叠氮化反应24h之后，三种电解液制备的Cu(N3)2均为斜方晶系，沿(110)晶面择优生长，垂直分散生长在原来的铜晶枝四周。但热分析表明加入添加剂NaCl和(NH4)2SO4的电解液制备的多孔铜叠氮化程度最大，这是因为加入NaCl和(NH4)2SO4后制备的PCu孔壁缝隙大，表面粗糙度较大，增加了PCu与HN3的接触面积，进而增加叠氮化程度。.初步设计和制备了基于Cu(N3)2的含能器件，并在25V下成功触发，用高速摄影仪记录了点火过程，Cu(N3)2反应迅速，并释放大量N2，可大大提高爆炸威力。