一种基于非晶合金的换能元

1.本发明属于火工品领域，具体涉及一种基于非晶合金的换能元。


背景技术：

2.换能元是火工品中实现能量引发、能量转换的核心部件，也是实现火工换能器件低能发火和高能量转换效率的关键。随着火工品微型化和集成化的发展趋势，传统火工品由于受到其材料等方面的限制，输出能量有限，此外在电刺激下，换能元作用速度快，火工品作用的可靠性存在问题。因此，探索新的材料和工艺来研发新型火工品以提高火工品的安全性和可靠性是当前火工品发展的重要方向之一。
3.目前，换能元常使用镍-铬合金、纯金属薄膜、多晶硅半导体等材料实现火工品的电热换能作用，桥丝、桥膜、桥带是电火工品换能元最常用的三种换能器件形式。镍-铬合金作为一种最常用的换能元材料，其原理是通过外部提供的电能产生电热效应来激发含能材料。周庆,焦清介.ni-cr桥丝式电火工品发火规律[j].四川兵工学报,2015,36(4):144-147中公开了ni-cr桥丝式换能元的发火性能，对基体材料和桥丝直径的影响进行了研究分析。王科伟,杨正才,刘海旭,等.钝感ni-cr金属桥膜换能元的制备及性能[j].含能材料,2014(6):819-823公开了一种采用磁控溅射技术制备的ni-cr薄膜桥换能元，尺寸为400μm
×
380μm
×
2.8μm，电阻为1ω，获得了一种适用于钝感火工品的新型桥膜换能元。徐超,李兆泽,万红,等.mems固体微推进器中cr薄膜点火电阻的研究[j].传感技术学报,2006,19(5):1411-1414,1418公开了一种采用金属cr作为点火电阻材料，通过磁控溅射镀膜、光刻以及cr的湿法腐蚀工艺制备出了cr薄膜点火电阻，并且实现了20v低电压下的黑索金的点火。多晶硅是另一种常被应用于半导体桥火工品中的换能材料，常在多晶硅中重掺杂p或b元素使得材料具有优良的半导体导电性能，目前发展有常规多晶硅半导体桥、单层/多层金属复合半导体桥、含能半导体桥等多种类型。南京理工大学沈瑞琪团队通过al/ni、b/ti、al/cuo，zr/cuo、mg/cuo等体系含能薄膜在半导体桥火工品的应用研究，证明其中al/cuo含能复合薄膜在电激发的条件下可以发生电爆炸反应，产生除焦耳热外的al膜和cuo膜之间的氧化还原化学反应热，从而使电爆炸反应的产物形成高温等离子体，实现输出能量倍增。
[0004]
近年来研究者们也探索了一些新型的换能元材料，包括碳膜换能元、氮化钽换能元和含能mofs等。南理工朱顺官团队采用基于碳材料的换能结构总体设计思想，通过高温热解、喷涂和化学气相沉积等工艺设计并制备出了碳膜换能元，研究发现碳膜桥较半导体桥、桥丝式火工品的能量利用率更高，点火能力强；发火区间窄，具有较好的抗静电能力，提高了火工品的安全性和可靠性。任小明,刘兰,余可馨,等.氮化钽薄膜换能元低能化研究[j].火工品,2021(1):5-8.公开了一种氮化钽薄膜换能元的设计与制备方法，不同桥膜厚度、桥区尺寸、桥区形状等因素对将换能元的发火产生影响，通过优化桥区尺寸和形状，获得的氮化钽薄膜换能元最小平均发火电压低于5v。张文超等人在专利cn 107631664 a中公开了一种含能mofs薄膜半导体桥及其制备方法，采用纳米喷涂的方法将薄膜形式的mofs组装到半导体桥芯片表面，含能mofs在火工品点火过程中产生高温等离子体与高温飞溅物的
复合火焰，提高输出能量，增加了对斯蒂芬酸铅和叠氮化铅的点火能力。
[0005]
非晶合金是一类采用冶金快速凝固技术和熵调控理念来抑制合金熔体原子的结晶，保持和调控熔体无序结构特征而得到的新型金属材料。非晶合金的主要特点是组成成分无序和原子结构长程无序，不存在晶界与堆垛层错等缺陷。目前还未有关于将非晶合金作为火工换能元材料的相关报道。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供一种基于非晶合金的换能元。
[0007]
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于非晶合金的换能元，所述换能元为桥丝式、桥膜式或者桥带式；
[0008]
其中的桥丝、桥膜和桥带均采用非晶合金；
[0009]
非晶合金包括如下元素：ni,fe,b,mo,v,co,p,cu,ti,zr,si。
[0010]
进一步的，非晶合金的通式为：feanibbcmo
dve
cofpgcuhtiizrjsik，其中，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k为原子百分数，其取值范围是：10＜a＜50，0≤b＜70，0≤c＜30，0≤d≤5，0≤e≤5，0≤f＜70，0≤g≤5，0≤h＜30，0≤i＜40，0≤j＜40，0≤k≤10。
[0011]
进一步的，所述换能元为桥丝式，非晶合金桥丝为圆柱体丝状，电阻值范围1ω～7ω，直径大小9μm～30μm之间，长度为2
±
0.2mm。
[0012]
进一步的，非晶合金桥丝以锡焊方式与换能元的电极塞焊盘或脚线焊接。
[0013]
进一步的，所述换能元为桥膜式，换能元包括非晶合金薄膜桥区、基底和导电焊盘；
[0014]
非晶合金薄膜桥区的尺寸为：长
×
宽
×
厚＝(100μm～300μm)
×
(100μm～300μm)
×
(1μm～2μm)，电阻1ω
±
0.1ω。
[0015]
进一步的，所述非晶合金薄膜桥区为“工”字形、四边形、双“v”字、双圆弧形、锯齿形；
[0016]
所述基底为陶瓷、氧化铝、掺杂氧化铝、酚醛树脂或蓝宝石。
[0017]
进一步的，非晶合金薄膜首先通过磁控溅射形成，然后通过飞秒或皮秒激光加工获得所需形状的薄膜桥区。
[0018]
进一步的，所述换能元为桥带式，换能元包括两端片状大面积散热区和中间细腰状集热区；
[0019]
所述集热区由非晶合金制备，即非晶合金桥带，非晶合金桥带的厚度为15μm～30μm，电阻为1ω
±
0.1ω。
[0020]
进一步的，所述非晶合金集热区细腰窄缝为0.15mm～0.30mm。
[0021]
进一步的，非晶合金桥带通过线切割制备。
[0022]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
[0023]
(1)工艺成熟简便，可大批量制备和使用，非晶合金换能元只是使用非晶合金材料代替现有材料，在桥丝、桥膜、桥带三种换能元的制造工艺上可以实现无缝对接；
[0024]
(2)非晶合金换能元在电激发下，自身既可以发生电热效应，还可以发生晶化反应释放出焓变反应能，免除高感度起爆药的使用，提高换能元的安全性和可靠性；
[0025]
(3)非晶合金在非晶状态下电阻较高，有利于电热效应，在温度超过tg点(玻璃转
化点)，由非晶转变成晶体后电阻会下降，即会产生电阻负温效应，实现延迟放电，提高电能的转换效率；
[0026]
(4)材料选择性和可塑性强，可选择不同的非晶组分和制备成多形式的换能元，以满足不同种类火工品的性能要求。
附图说明
[0027]
图1为本发明非晶合金桥丝式换能元示意图。
[0028]
图2为本发明非晶合金桥膜式换能元示意图。
[0029]
图3为本发明非晶合金桥带式换能元示意图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0031]
本发明提供了基于非晶合金的火工品换能元，包括桥丝、桥膜和桥带三种形式。所述非晶合金组成可以通过不同组分元素的组合调整。
[0032]
工作时，电源连接脚线或焊盘两端，在两个电极之间通以恒定电流或恒压电容放电，利用非晶合金的电热效应和晶化转变能，使得非晶合金丝/膜/带迅速发热，甚至产生等离子体，从而起到点火或爆炸的作用。通过选择不同的非晶组分和制备成不同形式的换能元，能满足不同种类火工品的使用要求。
[0033]
基于非晶合金的火工品换能元，换能元包括桥丝、桥膜和桥带三种形式，所述非晶合金含有以下几种元素：ni,fe,b,mo,v,co,p,cu,ti,zr,si。可由通式表示为：feanibbcmo
dve
cofpgcuhtiizrjsik。其中，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k为原子百分数，其变化范围是10＜a＜50，0≤b＜70，0≤c＜30，0≤d≤5，0≤e≤5，0≤f＜70，0≤g≤5，0≤h＜30，0≤i＜40，0≤j＜40，0≤k≤10。
[0034]
桥丝式非晶合金换能元所述非晶合金的制备步骤为：
[0035]
(1)按照合金的原子百分比进行称量配料，置于真空密封的铜坩埚中。
[0036]
(2)将步骤(1)中的混料在高纯氩气的氛围下进行多次电弧熔炼或感应熔炼，并辅助以翻转和电磁搅拌使各成分混合均匀，再冷却得到母合金锭。
[0037]
(3)将步骤(2)中的母合金锭破碎，置于石英管中进行重熔，通电感应熔化母合金，熔体喷出与高速旋转的铜轮接触，急速冷却得到非晶合金。
[0038]
(4)将步骤(3)制得的非晶合金采用焊接技术焊在电极塞上的脚线两端，使得非晶丝与脚线连接在一起。
[0039]
非晶合金的急速冷却在高真空氩气氛围中进行；所述高温加热温度为1000～2000摄氏度。
[0040]
非晶合金桥丝式换能元桥丝以锡焊方式与电极塞焊盘或脚线焊接，电阻值通过合金组分和桥丝直径调整。非晶合金为圆柱体丝状，电阻值范围1ω～7ω，直径大小9μm～30μm之间，长度约2mm。
[0041]
非晶合金桥膜式换能元中非晶合金为薄膜状，换能元由非晶合金薄膜桥区、基底和导电焊盘三个部分构成。薄膜桥区的尺寸为：长
×
宽
×
厚＝(100μm～300μm)
×
(100μm～300μm)
×
(1μm～2μm)，电阻1ω
±
0.1ω。形状可为“工”字形、四边形、双“v”字、双圆弧形、锯
齿形。非晶合金薄膜通过磁控溅射工艺形成，薄膜桥区由飞秒或皮秒激光加工获得。基底材料为陶瓷、氧化铝、掺杂氧化铝、酚醛树脂、蓝宝石。
[0042]
非晶合金桥带式换能元的结构包括两端片状大面积散热区和中间细腰状集热区，厚度为15μm～30μm，窄缝宽度0.15mm～0.30mm，桥带通过线切割工艺制成，电阻1ω
±
0.1ω。
[0043]
实施例1：如图1所示，非晶合金换能元为桥丝式，组分为fe
15
ni
65b20
，初始电阻1.5ω，直径25μm，长度2mm。该非晶合金桥丝蘸斯蒂芬酸铅进行点火实验，100％发火最小电流为2.7a，100％不发火的最大电流为1.9a。
[0044]
实施例2：如图2所示，非晶合金换能元为桥膜式，组分为fe
20
ni
57.5
mo
2.5b20
，桥区为双“v”形，水平方向长度240μm，宽度286μm，“v”形角120
°
。在47μf钽电容放电条件下，100％发火最小电压为21.3v,100％不发火的最大电压为12.5v。
[0045]
实施例3:如图3所示，非晶合金换能元为桥带式，组分为fe
59.8
ni
20v0.2b20
集热区宽度为0.2mm，长度2.4mm，散热区面积0.83mm2，点火装药为zr/kclo4，100％发火最小电流为4.65a，100％不发火的最大电流为3.79a。

技术特征：
1.一种基于非晶合金的换能元，其特征在于，所述换能元为桥丝式、桥膜式或者桥带式；其中的桥丝、桥膜和桥带均采用非晶合金；非晶合金包括如下元素：ni,fe,b,mo,v,co,p,cu,ti,zr,si。2.根据权利要求1所述的换能元，其特征在于，非晶合金的通式为：fe
a
ni
b
b
c
mo
dve
co
f
p
g
cu
h
ti
i
zr
j
si
k
，其中，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k为原子百分数，其取值范围是：10＜a＜50，0≤b＜70，0≤c＜30，0≤d≤5，0≤e≤5，0≤f＜70，0≤g≤5，0≤h＜30，0≤i＜40，0≤j＜40，0≤k≤10。3.根据权利要求2所述的换能元，其特征在于，所述换能元为桥丝式，非晶合金桥丝为圆柱体丝状，电阻值范围1ω～7ω，直径大小9μm～30μm之间，长度为2
±
0.2mm。4.根据权利要求3所述的换能元，其特征在于，非晶合金桥丝以锡焊方式与换能元的电极塞焊盘或脚线焊接。5.根据权利要求2所述的换能元，其特征在于，所述换能元为桥膜式，换能元包括非晶合金薄膜桥区、基底和导电焊盘；非晶合金薄膜桥区的尺寸为：长
×
宽
×
厚＝(100μm～300μm)
×
(100μm～300μm)
×
(1μm～2μm)，电阻1ω
±
0.1ω。6.根据权利要求5所述的换能元，其特征在于，所述非晶合金薄膜桥区为“工”字形、四边形、双“v”字、双圆弧形、锯齿形；所述基底为陶瓷、氧化铝、掺杂氧化铝、酚醛树脂或蓝宝石。7.根据权利要求6所述的换能元，其特征在于，非晶合金薄膜首先通过磁控溅射形成，然后通过飞秒或皮秒激光加工获得所需形状的薄膜桥区。8.根据权利要求2所述的换能元，其特征在于，所述换能元为桥带式，换能元包括两端片状大面积散热区和中间细腰状集热区；所述集热区由非晶合金制备，即非晶合金桥带，非晶合金桥带的厚度为15μm～30μm，电阻为1ω
±
0.1ω。9.根据权利要求8所述的换能元，其特征在于，所述非晶合金集热区细腰窄缝为0.15mm～0.30mm。10.根据权利要求9所述的换能元，其特征在于，非晶合金桥带通过线切割制备。

技术总结
本发明属于火工品领域，具体涉及一种基于非晶合金的换能元。所述换能元为桥丝式、桥膜式或者桥带式；其中的桥丝、桥膜和桥带均采用非晶合金；非晶合金包括如下元素：Ni,Fe,B,Mo,V,Co,P,Cu,Ti,Zr,Si。非晶合金的通式为：Fe


技术研发人员：朱朋 宁爵勇 简昊天 沈瑞琪 叶迎华
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/1