[发明专利]一种高性能三元含能薄膜点火换能元

说明书

本发明涉及一种高性能三元含能薄膜点火换能元，所述换能元包括基底，基底表面的绝热层，位于绝热层上表面的点火桥膜和金属电极，位于点火桥膜上表面的绝缘层，位于绝缘层上表面的三元含能薄膜层，三元含能薄膜层通过周期性磁控溅射形成。本发明将Al/B/Ti三元含能薄膜与桥膜式换能元集成在同一器件中，二者制造均采用MEMS加工工艺，一致性好；三元含能薄膜可以与桥膜紧密接触，取代了传统点火系统中第一级起爆药，可靠性高；利用桥膜到三元复合含能薄膜的逐级引爆，可以实现低输入能量，高输出能量的点火。

技术领域

本发明涉及MEMS火工品点火器领域，特别涉及一种高性能三元含能薄膜点火换能元。

背景技术

火工品换能元是指能够将外界输入的能量转换为热能，引燃引爆炸药，提供动力源的一类器件或装置，在航空航天、导弹发射、民用爆破等领域有广泛应用。目前最为常见的火工品换能元是基于电热转换的桥式换能元，包括桥丝式、桥膜式两类，桥体所用的材料通常为金属或半导体。与传统火工品相比，桥膜式换能元具有发火能量低，输出能量高，安全性能好的特点，且采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)加工技术进行制造，可与控制电路进行集成，推动了点火系统向着微型化、低成本、高一致性的方向发展。

在传统点火系统中，桥式换能元通常还需人工涂覆斯蒂芬酸铅、苦味酸钾等点火药，点火药需要与桥式换能元紧密接触才能确保可靠点火，而人工操作可靠性和安全性差，因而复合薄膜桥膜式换能元随之出现，通过用自持可反应放热的复合含能薄膜替代第一级点火药，进一步提升换能元的稳定性与集成度。复合含能薄膜通常是由两种或两种以上材料按照一定厚度和周期通过溅射交替沉积在基底表面，在受到外界电、热或机械刺激后能够发生自蔓反应而无需持续输入能量，同时释放出大量热量。复合含能薄膜的反应类型通常为金属的合金化反应(Al/Pt，Ni/Ti，B/Ti，Al/Ni等)或铝热反应(Al/CuO，Al/MoO₃，Al/Fe₂O₃等)。复合薄膜桥膜式换能元在外界电能输入后，金属或半导体桥膜会迅速产生大量焦耳热，引燃桥区表面的复合含能薄膜，复合薄膜剧烈的自蔓燃烧进一步释放能量，进而引燃后续爆炸药。

然而基于铝热反应的复合薄膜虽然放热量高，但是敏感度低，易发生反应，降低了复合薄膜换能元的安全性能，因此基于合金化反应的复合薄膜更符合火工品换能元对于高输出能量和安全性的要求。在二元合金化反应薄膜中能量密度最高的是B/Ti薄膜，在B∶Ti的摩尔比为2∶1时，反应能量可达5525.32J/g，但是B/Ti二元复合薄膜引燃时需要的能量输入也高，提高了对桥式换能元能量输出的要求。

发明内容

针对现有二元B/Ti复合薄膜换能元输入能量高、沉积效率低的问题，提出一种高性能三元Al/B/Ti复合薄膜点火换能元，用Al替代部分B，通过桥式换能元电爆引发Al/Ti合金化反应进一步释放热量，进而引发B/Ti合金化反应逐级引发的形式，在保留B-Ti自蔓反应能量高的优势的同时，实现换能元低输入能量发火。

为达到以上目标，本发明采取的技术方案为：

一种高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，包括基底，基底表面的绝热层，位于绝热层上表面的点火桥膜和金属电极，位于点火桥膜上表面的绝缘层，位于绝缘层上表面的Al/B/Ti三元含能薄膜层，所述三元含能薄膜层按照一定排列顺序通过周期性磁控溅射沉积在绝缘层上表面。

进一步地，所述三元含能薄膜的总厚度为1～5μm。

进一步地，所述三元含能薄膜是通过Al，B，Ti单质靶周期性磁控溅射而成，周期数为2～100。

进一步地，所述三元含能薄膜是按照Al/B/Ti、Al/Ti/B/Ti或Ti/Al/B/Al的顺序交替溅射在点火桥绝缘层上表面，各层均为单质。

进一步地，所述三元含能薄膜中Al，B，Ti的摩尔比满足Al∶B∶Ti＝6∶38∶25。