Al/Ni复合薄膜混合层在电爆炸驱动飞片过程中的作用研究

Metal electric explosion-driven flyer technology is an important dynamic high-pressure loading technology, and it has been widely concerned in many military and civilian areas. The preliminary study revealed that Al/Ni composite film has effect of improving the performance in electric explosion-driven flyer process. But the understanding of the process is not clear, and the specific mechanism of the Al/Ni composite film need to be further excavated. In view of the mixing layer between Al/Ni interface has important impact on the film heat release performance and impedance performance. In this work, the effect of modulation period and annealing temperature on the interfacial evolution of Al/Ni composite film was utilized to prepare the composite film. And the composite film mixing layer was analyzed by TEM, energy spectrum analysis and neutron scattering. Combined with voltage and current test technology and laser Doppler test techniques, the composite film macro-explosion voltage and current curves, plasma features, energy deposition and driving flyer characteristics will be studied. By establishing the correspondence relationship between the mixing layer and the above macroscopic characteristics, the effect mechanism of the Al/Ni composite thin film mixed layer in the process of electrical explosion is deeply understood and revealed. The research of this project is to explore a new method to improve the speed of flyer on the basis of existing technology, and to supplement the basic research data of electric explosion-driven flyer technology.

金属电爆炸驱动飞片技术是一种重要的动高压加载技术，在诸多军用和民用方向受到广泛关注。前期研究发现，Al/Ni复合薄膜在电爆炸驱动飞片过程中具有效能提升的作用，但是对于过程的认识并不清晰，其具体的作用机理有待进一步挖掘。鉴于Al/Ni界面之间混合层对薄膜放热性能与阻抗性能均具有重要影响，本项目首先利用调制周期、退火温度对Al/Ni复合薄膜界面演化的影响，得到含不同厚度混合层的薄膜，采用TEM、能谱分析、中子散射相结合的检测方法对复合薄膜混合层进行定量分析。联合电压电流测试技术与激光Doppler等测试技术，对复合薄膜宏观爆炸电压电流特性、等离子体特性、能量沉积及驱动飞片特性进行表征，建立混合层与以上宏观特性的对应关系，深入理解并揭示Al/Ni复合薄膜混合层在电爆炸换能过程中作用机理。本项目的研究是探索在已有技术基础上提高飞片速度的新方法，丰富了对电爆炸驱动飞片技术过程机理的认识。

本文主要研究了Al/Ni复合薄膜在金属箔电爆炸过程中的作用，通过磁控溅射技术获得了Al/Ni复合薄膜，通过TEM+能谱分析，中子散射实现了Al/Ni复合薄膜混合层结构的精确表征。制备了调制周期分别为1000nm、500nm和250nm的Al/Ni复合薄膜，通过TEM+能谱分析方法进行表征，混合层厚度均为35nm。对三种调制周期的样品在150℃条件下进行1.5h、3h热处理，通过电阻率进行分析，三种样品在热前后电阻率没有发生明显的变化，因复合薄膜中混合层的电阻率较大，从薄膜电阻率变化可以得出，本实验条件下热处理对薄膜混合层的影响不明显。随着复合薄膜调制周期的减小，混合层占比增加，薄膜电阻率增加。通过改变调制周期，可以获得不同混合层占比的Al/Ni复合薄膜，采用DSC分析方法，从放热角度进行分析，混合层占比越大，复合薄膜的放热量越小。对复合薄膜进行了图形化设计，并设计了冲击片换能试验件结构，在3.5kA条件下测试了Al/Ni复合薄膜电压电流特征曲线、通过PDV测试技术获得电爆炸驱动飞片过程速度曲线，将上述实验结果与铜金属电爆炸过程及驱动飞片过程进行了对比分析。根据复合薄膜电爆炸过程表现出的电阻特性，对其电爆炸物理过程分析，揭示电爆炸过程的机理。研究中Al/Ni复合薄膜爆炸箔含能在mJ量级，约为2.3mJ。金属电爆炸发生在通电后100ns~200ns 范围内，之后驱动飞片过程时间基本大于100ns，因此，在整个过程来说，反应放热所提供的能量占比例较小，不足过程沉积电能的1%。从电爆炸过程能量沉积分析，在电爆炸发生前，混合层的存在和占比调控，可以调控能量沉积速度，混合层占比越大，能量沉积速度越快，进而影响电爆炸发生的时间提前。从驱动飞片角度分析，飞片速度的增长主要发生在电爆炸之后，因此在主要加速阶段，通过调控混合层的占比参数对飞片加速影响并不明显。