基于薄膜加热器和纳米含能材料的含能芯片机理研究

Nanoenergetic materials (nEMs) based nanoenergetics-on-a-chip (NoC) has many merits including high power output, high reliability, suitability for integration and batch fabrication. NoC has promising applications in the ignition devices of advanced weapons and civilian explosive systems. However, the research on NoC is still in the primary stage. Much more deep understanding on various aspects of NoC is needed including the optimal design of ignition units, integration methods of nEMs, especially the chemical reaction mechanism and microscale combustion/propagation mechanism of nEMs on NoC. This project aims to (1) perform numerical analysis of a new type of thin film microheater so as to optimize its design, (2) obtain the design and fabrication methods of NoC that is obtained by integrating nEMs with the thin film microheater on the silicon substrate, (3) use density functional theory and molecular dynamics method to study the chemical reaction mechanism of nEMs on NoC, (4) employ both novel combustion experiments and theoretical modeling to investigate the microscale combustion/propagation mechanism of nEMs on NoC. This project will deliver effective methods for understanding the mechanisms of NoC, provide theoretical basis and technical support for the optimized design and low-cost batch fabrication of micro ignition devices for high-performance weapons, and also offer scientific basis for the applications of NoC in other areas such as aeronautics and space propulsion, mining blasting, oil exploration and festivals.

基于纳米含能材料的微含能芯片具有高能量输出、高可靠性、适于集成化和批量制造等优点，在先进武器和民爆器材的点火器件方面具有突出的应用前景。然而目前对含能芯片的研究尚处于初级阶段，点火单元优化设计、含能材料集成方法、特别是含能芯片上的含能材料化学反应机理和芯片微尺度下含能材料燃烧传播机理都不明确。本项目拟对新型薄膜微加热器进行数值分析，优化结构设计；获取基于微加热器和纳米含能材料的含能芯片的设计和加工方法；首次运用密度泛函与分子动力学方法研究含能芯片上的纳米含能材料化学反应机理；通过创新型燃烧实验与理论建模相结合，获得含能芯片上的含能材料燃烧反应传播规律。本项目研究将为含能芯片相关机理的认识和理解提供一套有效的方法，为高性能武器系统的微起爆器件的优化设计提供理论基础，为微起爆器件的低成本集成化制造提供技术支撑；也可为含能芯片在航空航天、矿山爆破、石油开采、节日庆典等方面的应用提供科学依据。

基于纳米含能材料的微含能芯片具有高能量输出、高可靠性、适于集成化和批量制造等优点，在先进武器和民爆器材的点火器件方面具有突出的应用前景。然而目前对含能芯片的研究尚处于初级阶段，点火单元优化设计、含能材料集成方法、特别是含能芯片上的含能材料化学反应机理和芯片微尺度下含能材料燃烧传播机理都不明确。本项目采用了有限元电-热模拟来预测微加热器的性能，从而决定了最佳的薄膜微加热器的设计与几何尺寸。根据模拟得出最佳参数之后，使用微加工技术制作出了Au/Pt/Cr/SiO2 新型薄膜微加热器。本项目成功制备出多种用于含能芯片的新型纳米含能材料，并且对其进行了广泛深入地表征研究。在硅基体上成功制备出了基于Al/CuO，Al/Co3O4，CuO/Mg，fluorocarbon/Mg等的含能材料，并成功将基于Mg/CuO、Mg/fluorocarbon、CuO/Mg/fluorocarbon等含能材料和Au/Pt/Cr/SiO2 新型薄膜微加热器进行了集成，得到了基于不同含能材料的含能芯片。本项目对含能芯片上纳米含能材料的化学反应和燃烧传播现象和机理进行了研究，通过结合差示扫描量热法、差热-热重分析、Kissinger方程等计算了纳米含能材料的活化能和前指数因子，通过创新型燃烧实验与理论建模相结合获得了含能芯片上的含能材料燃烧反应传播规律，并得到了一些其它有意义的结果。本项目研究发现基于Mg/CuO、Mg/fluorocarbon、CuO/Mg/fluorocarbon等的含能材料放热反应所产生的高温、压力可以成功地实现点火功能，但不足以产生爆轰波从而在很大程度上限制了基于它们的含能芯片的应用。一个可能产生爆轰波的途径是将这些含能材料和猛炸药相整合。本项目研究将为含能芯片相关机理的认识和理解提供一套有效的方法，为高性能武器系统的微起爆器件的优化设计提供理论基础，为微起爆器件的低成本集成化制造提供技术支撑；也可为含能芯片在航空航天、矿山爆破、石油开采、节日庆典等方面的应用提供科学依据。