脉冲电流加载下Al/Ni含能薄膜反应历程超快诊断及能量耦合效应研究

Metal electric explosion-driven flyer technology is an important dynamic high-pressure loading technology. The slapper detonator is an application product using electric explosion-driven flyer technology, which has been widely concerned in weapons. But, the energy transduction efficiency is low between electric energy and flyer kinetic energy, making it hardly to meet the need of miniaturization development. The preliminary study revealed that the Al/Ni multilayer films can obviously improve energy transduction efficiency by 40% due to the heat of alloying reaction. But understanding of the reaction mechanism is not clear because it is difficult to detect the reaction path of the Al/Ni multilayer films on electro-explosion process. The time of electro-explosion is bout hundreds of nanoseconds. In this work, the alloying reaction path is detected by time-resolved X-ray diffraction. From the investigation, the basic chemistry process of Al/Ni multilayer films on electro-explosion is interpreted, such as alloying reaction order, and reaction time. The plasma emission parameters are measured by spectroscopy and laser interferometry of temperature, density and velocity. Then, the alloying reaction mechanism of Al/Ni multilayer films on electro-explosion process will be revealed. The research results of this project are to provide material designing guidance and basic theoretical support for electric explosion driven flyer system.

金属电爆炸驱动飞片技术是一种重要的动高压加载技术，以该技术为核心的冲击片雷管国内外已广泛应用于武器装备中。当前电能转化为飞片动能效率较低使得该技术难以适应武器系统的发展需求。为此，研究人员采用Al/Ni含能薄膜代替传统单金属膜作为电爆炸材料将换能效率提高了约40%。然而，含能薄膜材料设计仍缺乏理论指导，Al/Ni含能薄膜电爆炸过程中的合金化反应历程尚未明晰。为此，本项目围绕Al/Ni含能薄膜电爆炸过程中的合金化反应历程这一关键科学问题，利用瞬态X射线衍射技术探究Al/Ni含能薄膜电爆炸过程的物相演化，并阐释反应顺序和反应时间等基本化学问题。结合瞬态发光光谱、阴影测试技术测量等离子体温度、密度和冲击波扩散速度等关键参数，研究化学能对等离子体流场的影响规律，进而揭示Al/Ni含能薄膜在脉冲电流加载下能量耦合效应。本项目的研究成果将为金属薄膜电爆炸驱动飞片系统提供重要的材料设计指导和基础。

金属薄膜电爆炸驱动飞片技术是一种重要的动高压加载技术，以该技术为核心的冲击片雷管已应用于多个武器型号中。前期研究表明，将Al/Ni含能薄膜用于金属薄膜中可以有效的将飞片速度提高约20%。但是脉冲电流作用下含能薄膜反应过程极短(百纳秒),很难有效诊断反应历程，其具体的反应机制亟待深入探讨。本项目围绕脉冲电流下Al/Ni含能薄膜合金化反应历程尚未明晰这一关键科学问题，系统地开展了材料制备工艺、电学特性、合金化反应历程、等离子体流场特性等几个方面的研究，其主要研究内容和结论如下：.1）利用磁控溅射制备了不同调制周期的Al/Ni含能膜样品，采用TEM、XRD、AFM、和APT等分析和表征方法对薄膜样品的微观结构、化学成分、粗糙度、界面结构进行了分析表征。结果表明：制备的Al/Ni含能膜成膜质量好，薄膜内部无孔洞、裂纹，叠层结构明显，层与层之间界面平直、清晰。.2）在脉冲电流条件下，分别对不同调制周期的Al/Ni含能桥箔换能元的电学特性进行了实验研究。研究发现，降低调制周期能够有效降低换能元电爆炸时间和提高飞片的驱动能量。.3）基于激光大装置设计了瞬态X射线衍射仪，系统分析了样品距离、X射线尺寸、背板材料等参数对瞬态X射线衍射仪分辨率的影响规律，获得满足于实验要求的高分辨率瞬态X射线衍射技术的关键技术参数。利用该技术研究了Al/Ni含能薄膜衍射峰的演化规律，实验结果表明在脉冲电流下25nm的Al/Ni含能膜在熔化过程中发生合金化反应。.4）采用发射光谱法和阴影成像测试了Al/Ni含能膜电爆等离子体的特性。结果表明，调制周期为25nm的Al/Ni含能桥箔换能元产生的等离子体电子温度和密度最高，电爆更加剧烈。同时调制周期为25nm的Al/Ni含能桥箔换能元电爆驱动的飞片速度最高，与传统Cu桥箔相比，飞片速度提高了28%左右。上述应用研究结果可为高能量转换效率冲击片雷管的设计、制备提供技术支撑。