Performances énergétiques améliorées basées sur l'intégration avec les nanolaminés Al/PTFE

Résumé

L'intégration de matériaux énergétiques sur une puce a reçu une grande attention pour ses applications largement potentielles dans le système de consommation d'énergie à micro-échelle, y compris le dispositif d'initiation électrique. Dans cet article, des nanostratifiés Al/PTFE réactifs avec une structure de couche périodique sont préparés par pulvérisation cathodique magnétron, qui se compose d'Al combustible, de PTFE oxydant et d'un composé Al-F à couche inerte dans un système métastable. Les nanostratifiés Al/PTFE tels que déposés présentent un rendement énergétique significativement élevé, et la température de début et la chaleur de réaction sont respectivement de 410 °C et 3034 J/g. Sur la base de ces propriétés, un pont de film intégré est conçu et fabriqué via l'intégration de nanostratifiés Al/PTFE avec une feuille d'explosion de Cu, qui présente des performances énergétiques améliorées avec un phénomène d'explosion plus violent, de plus grandes quantités de produit éjecté et une température de plasma plus élevée par rapport au Pont de film Cu. L'énergie cinétique des flyers dérivée de l'expansion du pont de film Cu est également augmentée d'environ 29,9 % via l'intégration avec les nanolaminés Al/PTFE. Globalement, les performances énergétiques peuvent être considérablement améliorées grâce à une combinaison de la réaction chimique des nanolaminés Al/PTFE avec l'explosion électrique du pont de film Cu.

Contexte

Au cours de la dernière décennie, les études sur les matériaux énergétiques nanostructurés ont suscité une préoccupation mondiale et un intérêt croissant pour la recherche en raison de leurs performances énergétiques supérieures, notamment une faible température d'inflammation, une libération d'énergie rapide, une densité d'énergie élevée et une réactivité réglable [1,2,3,4,5 ,6,7,8,9,10]. L'énergie chimique stockée par ces matériaux peut être libérée lors d'un actionnement électrique, optique, d'impact ou thermique, qui peut être utilisé à des fins militaires et des applications civiles, telles que l'initiation de réactions secondaires [11], l'assemblage de matériaux [12], l'automobile les propulseurs d'airbag [13] et l'alimentation électrique [14]. De nombreuses méthodes, y compris le mélange physique de nanopoudres, le broyage réactif arrêté de nanocomposites denses, le revêtement nanoénergétique électrophorétique et le dépôt périodique de nanostratifiés ont été introduits pour fabriquer des matériaux énergétiques nanostructurés [15,16,17,18,19]. Parmi ces méthodes, la fabrication de nanolaminés par dépôt alterné de deux ou plusieurs films différents fournit une structure fascinante pour l'intégration de dispositifs avec des performances énergétiques accordables, car le nombre de couches et l'épaisseur de la monocouche sont facilement contrôlés, et par conséquent pour ajuster leurs performances énergétiques.

L'initiateur à feuille explosive (EFI) est un type de dispositif pyrotechnique de génération électrique utilisé pour l'initiation de réactions secondaires [20]. Après application d'une impulsion électrique, l'augmentation instantanée de la densité de courant provoque la vaporisation du pont de film métallique et la génération d'un plasma haute pression. Ensuite, le dépliant sur le pont du film est cisaillé et accéléré pour impacter les explosifs. Avec les exigences croissantes en matière de miniaturisation des dispositifs d'allumage électrique et d'initiation à faible énergie, l'intégration de couches nanoénergétiques avec un pont à film métallique basé sur la technologie des systèmes microélectroniques et mécaniques (MEMS) pour obtenir une nanoénergétique sur puce (NOC) fonctionnelle constitue une solution prometteuse. option pour le développement d'EFI. La combinaison de la chaleur de réaction des matériaux énergétiques avec le joule électrique traditionnel du pont à film métallique permet d'améliorer les performances d'explosion électrique de l'EFI à faible énergie d'amorçage dans un format compact.

Le film nanolaminé Al/PTFE est un candidat prometteur pour être intégré à l'EFI pour les raisons suivantes. Premièrement, le métal Al est un matériau commun avec une densité d'énergie et un taux de libération d'énergie élevés lors de l'oxydation. Pendant ce temps, la teneur en fluor du PTFE peut atteindre 76 % en poids, ce qui peut réagir avec le métal Al pour former AlF₃ avec une libération d'énergie théorique élevée de 5571 J/g [21]. Deuxièmement, la libération potentielle de gaz provenant de la pyrolyse du film de PTFE et du produit de réaction de l'oxycarbure dans les conditions atmosphériques peut augmenter la pression du plasma généré, ce qui est bénéfique pour le cisaillement et l'accélération du flyer [22]. Dans cet article, un pont de film intégré a été conçu et fabriqué en intégrant les nanolaminés Al/PTFE avec un pont de film explosif de Cu. La structure et la composition chimique des nanolaminés Al/PTFE tels que déposés ont été étudiées par des analyses MET et XPS. Les effets des nanolaminés Al/PTFE intégrés sur les performances d'amorçage électrique ont été étudiés à travers les tests d'explosion électrique.

Méthodes

Dépôt des nanolaminés Al/PTFE

Des nanolaminés Al/PTFE ont été préparés en déposant alternativement des couches d'Al et des couches de PTFE par pulvérisation cathodique magnétron à courant continu et pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence, respectivement. Les cibles utilisées pour la pulvérisation cathodique étaient une feuille d'aluminium pur (pureté> 99,999 %) et une feuille de polytétrafluoroéthylène (pureté> 99,99 %) d'une taille de 100 mm de diamètre. Une table de substrat rotative a été utilisée pour réaliser de multiples dépôts alternés. La pression de base pour le dépôt du film était inférieure à 5 × 10^− 4 Pa, et le gaz argon a été introduit en tant que milieu gazeux. Les paramètres de dépôt ont été définis à 1,1 Pa, 300 W pour les couches de PTFE et 0,45 Pa, 100 W pour les couches d'Al, afin d'obtenir une qualité de film optimisée et un taux de dépôt stable.

Préparation du (Al/PTFE)_n /EFI intégré au Cu

Le (Al/PTFE)_n /Cu film bridge a été préparé par pulvérisation magnétron et techniques MEMS sur un substrat en céramique d'alumine d'un diamètre de 3 pouces. Le processus de fabrication du (Al/PTFE)_n Le pont de film /Cu est illustré à la Fig. 1. Chaque unité se compose d'un pont de film d'explosion de Cu sur le fond, d'un film de nanolaminé d'Al/PTFE de forme rectangulaire déposé sur le dessus d'un pont de film de Cu et de deux plages de tampons de Cu situés à les deux faces des nanolaminés Al/PTFE.

Schéma de principe et déroulement du processus de fabrication du (Al/PTFE)_n /Cu film bridge

Avant le dépôt, le substrat a été nettoyé par ultrasons de manière séquentielle en utilisant de l'acétone, de l'alcool et de l'eau déminéralisée pendant 10 min. Ensuite, le substrat nettoyé a été séché par soufflage par du gaz argon et traité thermiquement à 120 °C pendant 1 h pour un séchage supplémentaire. Après séchage, une couche de Cu de 2 µm d'épaisseur a été déposée sur le substrat nettoyé par pulvérisation cathodique magnétron DC. Par la suite, le film de Cu tel que déposé a été modelé par photolithographie et gravé à l'eau par un agent de gravure de cuivre (CE - 100). La dimension du pont de film de Cu à motifs était de 600 μm × 600 μm. Ensuite, des nanolaminés Al/PTFE d'environ 2 µm d'épaisseur ont été déposés sur le dessus du pont de film de Cu et modelés avec un processus de décollement d'inversion d'image. La séquence d'empilement pour la pulvérisation des nanolaminés Al/PTFE était Al/PTFE/Al/PTFE/Al, et la couche d'Al a été laissée comme couche supérieure. Après cela, deux plots de contact Cu à motifs avec masque ont été empilés des deux côtés des nanostratifiés Al/PTFE pour la connexion à la source de tension. Enfin, l'échantillon fini a été découpé en unités individuelles.

Caractérisation des nanolaminés Al/PTFE

La cristallinité et la caractérisation microscopique structurelle des nanolaminés Al/PTFE ont été réalisées par microscopie électronique à transmission (MET). Un film d'Al d'environ 1 nm d'épaisseur a été déposé sur la couche de PTFE pour déterminer les compositions chimiques de l'interface entre la couche d'Al et la couche de PTFE par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS). Les nanostratifiés de PTFE ont été retirés du substrat et transférés dans un creuset en alumine pour l'analyse de la libération d'énergie par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). La masse de l'échantillon pour chaque test était d'environ 10 mg et les tests ont été effectués de 25 à 800 °C à une vitesse de chauffage de 10 °C/min dans un courant d'argon.

Test d'explosion électrique du pont de film

Les propriétés d'explosion électrique des échantillons ont été testées par un système de mesure d'explosion électrique, qui est similaire au rapport précédent pour le pont de film Cu/Al/CuO [23]. Les caractéristiques de température d'explosion électrique ont été déterminées par un mode de diagnostic de température d'explosion électrique basé sur la « spectroscopie d'émission atomique à double ligne d'un élément en cuivre » [24, 25]. Les phénomènes d'explosion électrique ont été enregistrés de manière synchrone par une caméra ultra-rapide à 20 000 images par seconde. Le processus d'accélération des flyers a été obtenu par vélocimétrie photonique Doppler (PDV) pour étudier la capacité de conduire des flyers.

Résultats et discussion

Caractérisation des nanolaminés Al/PTFE

L'image MET en coupe transversale des nanolaminés Al/PTFE est illustrée à la Fig. 2a. Les couches d'Al et les couches de PTFE sont disposées périodiquement dans une orientation verticale et la structure des couches bien alignées est clairement visible. Les bandes sombres correspondent aux couches d'Al, tandis que les bandes claires correspondent aux couches de PTFE. Les couches d'Al et les couches de PTFE peuvent être facilement distinguées, et les interfaces ondulées entre les couches d'Al et les couches de PTFE sont également visibles sur l'image. L'épaisseur de la monocouche de la couche d'Al et de la couche de PTFE est d'environ 50 et 75 nm, respectivement. Les images haute résolution de la couche d'Al et de la couche de PTFE sont montrées sur la Fig. 2b, c, et les diagrammes de diffraction électronique sont insérés. L'arrangement en réseau du film d'Al peut être observé clairement, qui présente une structure nano-polycristalline bien définie. Alors que le film de PTFE présente des anneaux larges et diffus, indiquant une structure amorphe. La structure de couche périodique est bénéfique pour la diffusion interfaciale entre les couches d'Al et les couches de PTFE pour libérer de l'énergie. L'épaisseur homogène du film permet également des performances énergétiques ajustables en modifiant l'épaisseur de chaque couche et le nombre de couches.

un Image MET en champ clair en coupe transversale des nanolaminés Al/PTFE. b Une image haute résolution de la couche d'Al et du diagramme de diffraction électronique est insérée. c Une image haute résolution de la couche de PTFE et du diagramme de diffraction électronique est insérée

Pour confirmer davantage la composition chimique interfaciale entre la couche d'Al et la couche de PTFE, des analyses XPS sont effectuées sur les échantillons de film d'Al, de film de PTFE et de film de PTFE avec une couche d'Al d'environ 1 nm d'épaisseur déposée sur la surface. La figure 3a montre les spectres de niveau de noyau Al 2p du film Al et du film PTFE avec un dépôt d'Al ~ 1 nm d'épaisseur. Les pics de niveau de noyau Al 2p qui sont apparus à une énergie de liaison (BE) de 72,2 eV sont dus à l'Al métallique. Les pics à 75,4 eV à partir d'un film d'Al et à 75,6 eV à partir d'environ 1 nm d'Al déposés sur un film de PTFE pourraient être attribués à l'aluminium oxydé. Par rapport au film PTFE sans Al déposé sur la surface, le pic du niveau de noyau Al 2p qui correspond à Al³⁺ passer légèrement à une énergie de liaison plus élevée. Elle pourrait être induite par la réaction entre Al et PTFE [26, 27]. Pendant ce temps, la figure 3b montre les changements du niveau de noyau F 1s du film de PTFE avant et après le dépôt de ~ 1 nm Al. Le pic à 686,6 eV correspond bien aux liaisons Al-F dans AlF₃ , ce qui démontre clairement que la réaction chimique se produit à l'interface entre la couche d'Al et la couche de PTFE au stade initial du dépôt du film. Ces résultats prouvent également que les nanostratifiés Al/PTFE sont dans un système de réaction métastable constitué d'Al combustible, de PTFE oxydant et d'un composé Al-F à couche inerte. De petites quantités de liaisons Al-F qui existent aux interfaces des nanolaminés Al/PTFE pourraient empêcher la réaction continue entre le PTFE et l'Al, qui sont des composants importants pour maintenir une densité d'énergie élevée et la stabilité des nanolaminés Al/PTFE [28].

un Spectre haute résolution du niveau de noyau Al 2p du film Al et du film PTFE avec une couche supérieure d'Al ~ 1 nm d'épaisseur. b Spectre haute résolution du niveau de base F 1s du film PTFE et du film PTFE avec une surcouche d'Al ~ 1 nm d'épaisseur

Les caractéristiques de dégagement de chaleur des nanolaminés Al/PTFE ont été testées par DSC dans une plage de température de 25 à 800 °C sous une vitesse de chauffage constante de 10 °C/min dans un courant d'argon. Comme le montre la figure 4, un pic exothermique majeur est observé pour augmenter brusquement à la valeur de température de 507 °C, ce qui est associé à la réaction d'oxydoréduction entre l'Al et le PTFE. La température de début de réaction des nanostratifiés Al/PTFE est de 410 °C et la chaleur de réaction est d'environ 3034 J/g calculée en intégrant le flux de chaleur exothermique positif par rapport au temps. Les nanostratifiés Al/PTFE présentent une production d'énergie significativement élevée avec une température de réaction de début relativement basse. A noter que la chaleur de réaction est inférieure à la valeur théorique maximale; cela peut être dû à des réactions incomplètes lors de la montée en température, et la formation d'une couche de composé Al-F aux interfaces diminue légèrement le dégagement de chaleur.

Courbes DSC des nanostratifiés Al/PTFE en fonction de la température en environnement argon

Performances d'amorçage électrique du (Al/PTFE)_n /Cu Film Bridges

Sur la base de la structure et des propriétés exothermiques des nanolaminés Al/PTFE, un pont de film intégré a été fabriqué en intégrant des nanolaminés Al/PTFE avec un pont de film explosif de Cu. Une séquence d'images vidéo à haute vitesse pour le phénomène d'initiation électrique du pont de film Cu et du (Al/PTFE)_n /Cu film bridge ont été enregistrés à une tension de décharge de 2500 V, comme le montre la figure 5 ; l'intervalle entre les images adjacentes est de 50 μs. Après avoir déchargé l'énergie électrique stockée à travers le pont, un violent processus d'explosion électrique accompagné d'un flash lumineux est observé sur le pont à film de Cu. Cela indique un changement d'état rapide du plasma solide au plasma ionisé qui s'est produit sur le pont à film de Cu ; la durée est de 250 μs. Tandis que pour le (Al/PTFE)_n /Cu film bridge, un processus d'explosion plus féroce avec de plus grandes quantités de produit éjecté vers le haut est observé. La durée est supérieure à 500 μs, soit le double de celle du pont de film Cu. Ces résultats révèlent clairement que la réaction chimique des nanolaminés Al/PTFE participe à l'ionisation du pont film Cu, et la libération d'énergie des nanolaminés Al/PTFE peut améliorer considérablement les performances d'amorçage électrique. La libération potentielle de gaz et de plus grandes quantités de produit éjecté vers le haut est bénéfique pour augmenter la pression du plasma généré.

Observation par caméra à grande vitesse des processus d'explosion électrique du pont à film de Cu (a ) et le (Al/PTFE)_n /Cu film bridge (b ) à une tension de décharge de 2500 V

C'est un travail difficile que de mesurer la température transitoire car la température d'explosion électrique peut atteindre plusieurs milliers de degrés Kelvin en quelques micro- ou nanosecondes. Dans cet article, les variations de température du plasma au cours des processus d'initiation sont déterminées en comparant les intensités relatives des raies spectrales de la même espèce atomique ou ionique. La figure 6 montre les variations de température du plasma du pont à film de Cu et du (Al/PTFE)_n /Cu film bridge pendant les processus d'amorçage électrique. Après le déclenchement, la température d'explosion électrique du pont à film de Cu augmente rapidement et atteint le maximum de ~ 6819 K. Tandis que pour le (Al/PTFE)_n /Cu film bridge, la température maximale est ~ 8289 K ; il est beaucoup plus élevé que celui du pont à film Cu. Il indique clairement que la réaction chimique dans les nanolaminés Al/PTFE est déclenchée avec un grand nombre de dégagement de chaleur. La température plus élevée est bénéfique pour l'ionisation du film métallique et l'expansion rapide du plasma. Ces résultats sont bien cohérents avec l'observation à grande vitesse.

Les courbes de variation de température après traitement des données lors du processus d'explosion électrique pour le pont à film Cu et le (Al/PTFE)_n /Pont de film Cu à une tension de décharge de 2500 V

Comme nous le savons tous, la vitesse finale des flyers affectera la détonation réussie des explosifs, et l'énergie cinétique des flyers dérive de l'expansion rapide du plasma de Cu. Après le déclenchement, la feuille de flyer isolée revêtue sur le pont de film est cisaillée et poussée vers le haut par le plasma à haute température et pression, comme le montre la figure 7a. Les variations de vitesse avec le temps ont été reconstruites à partir du signal PDV par transformation de Fourier rapide [29]. La figure 7b montre les courbes de variation de vitesse pour le pont à film de Cu et le (Al/PTFE)_n Pont de film /Cu à une tension de décharge de 2500 V. Au fur et à mesure que le film de pont se vaporise et que le plasma se dilate rapidement, la couche volante commence à former une bulle puis à être découpée par le bord du baril. L'avion est accéléré vers le haut jusqu'à ce qu'il atteigne un équilibre entre la résistance de l'air et la pression de l'explosion, et se forme ensuite une plate-forme. La vitesse maximale est de 2792 m/s pour le pont à film Cu, alors qu'elle est de 3180 m/s pour le (Al/PTFE)_n /Cu film bridge. Cela signifie que l'énergie cinétique des flyers dérivée de l'explosion électrique est augmentée d'environ 29,9% en raison de l'intégration avec des nanolaminés Al/PTFE. Bien que le temps de lancement pour (Al/PTFE)_n /Le pont de film Cu est un peu plus tard que celui du pont de film Cu, le temps d'accélération global est assez approximatif. La réaction chimique des nanolaminés Al/PTFE est en accord avec l'explosion électrique du pont de film de Cu, et la production d'énergie du pont de film de Cu peut évidemment être augmentée grâce à l'intégration avec les nanolaminés d'Al/PTFE.

un Vue latérale de l'illustration schématique du fonctionnement EFI dans le processus d'initiation électrique. b Les courbes de variation de vitesse reconstruites à partir du signal PDV pendant les processus d'amorçage électrique pour le pont à film Cu et le (Al/PTFE)_n /Pont de film Cu à une tension de décharge de 2500 V

Conclusions

En résumé, des nanolaminés réactifs Al/PTFE avec une structure de couche périodique ont été fabriqués avec succès par pulvérisation cathodique magnétron. Les nanostratifiés Al/PTFE étaient composés de couches de PTFE (amorphe), de couches d'Al (polycristallin) et de couches inertes (composé Al-F) dans un système métastable, qui pourrait fournir une production d'énergie élevée de 3034 J/g. Grâce à la technologie MEMS, les nanostratifiés Al/PTFE ont été intégrés à une feuille d'explosion de Cu pour construire un pont de film intégré. La réaction chimique des nanolaminés Al/PTFE est bien compatible avec l'explosion électrique du pont de film Cu. La température d'explosion électrique et la production d'énergie du pont de film intégré sont également augmentées de manière évidente. Dans l'ensemble, les performances d'amorçage du pont de film Cu peuvent être améliorées évidemment grâce à l'intégration avec les nanolaminés Al/PTFE.