-
复合含能薄膜材料是火工品中一种新兴的起爆材料，通常指两种或两种以上具有化学反应性的物质形成的具有纳米结构的薄膜状复合材料。一般分为四类：1：铝热剂，如AI/CuO、A1/Fe203、AI/NiO等；2：二元异质金属，如A1/Ni、AI/Ti、Ni/Ti等；3：金属与非金属，如B/Ti等；4：其他，如内嵌氧化物的碳纳米管、填充高氯酸盐的多孔硅和多孔铜等。与传统的含能材料相比，该类材料不仅反应活性高，能量输出大；而且可以直接在硅片等硬质基底上制备，具有微型化、集成化的特点，可整合到微机电系统(micro．electromechanical system，MEMS)当中[3]。21351
- 上一篇：热电池的国内外研究现状
- 下一篇：嵌入式操作系统国内外研究现状
国外对于合金化薄膜的研究已开展多年，其中Al/Ni复合薄膜由于其理论放热量较大，研究最为成熟。近二十几年来，Al/Ni复合薄膜的研究主要包括制备方法、自蔓延放热反应及理论建模、应用等几个方面。论文网
Al/Ni复合薄膜制备方法主要有轧制法[4,5]、真空蒸发沉积法和溅射沉积法。轧制法是一种较为方便快捷而且廉价的制备薄膜方法；真空蒸发沉积法[6,7]仅适用于层数较少的薄膜制备；溅射沉积方法[8,9]制备的薄膜层间厚度较小(多为纳米尺度)，且层与层之间结合紧密，几乎没有残余应力，成膜质量比较好。
麻省理工学院的Ma E等人利用电子束蒸发法制备出不同调制比的Al/Ni复合薄膜，对复合薄膜的自蔓延反应机理进行了初步的探究。随后约翰霍普金斯大学Weihs T P团队对Al/Ni复合薄膜的特性、合金化过程以及反应机理等方面进行了较为详细和系统的研究。Weihs T P对于Al/Ni复合薄膜的反应速度、反应温度以及反应热等进行了初步地探究。Mann A B建立了Al/Ni复合薄膜反应速度传播的数学模型，简化处理后得到了传播速度的数值解，并指出预混层降低了自蔓延反应的传播速度。Gavens A J详细地阐述了预混层厚对反应传播速度的显著影响，确定了反应速度与调制周期和预混层厚度的函数，建立的自蔓燃烧反应示意图如图1所示。Edelstein A S研究了不同调制周期和调制比的Al/Ni纳米复合薄膜退火过程中形成的合金化合物。Michaelsen C等利用DSC方法对复合薄膜反应的热力学和动力学进行了深入的探讨。Rothhaar U等人用俄歇电子能谱法对Al/Ni复合薄膜固相反应产物的成分进行了分析，研究了Al/Ni合金化反应历程。Qiu X等人利用DSC、XRD等多种手段论证合金化过程两个阶段的可行性。同时，Jayaraman S等人通过理论计算和实验对比研究了对复合薄膜的各种特性参数对热损失可能产生的影响。Gunduz I E等人在总结前人工作基础上，基于传热方程及产热过程，优化了Al/Ni复合薄膜自蔓延传播反应模型。
基于Al/Ni复合薄膜优质的特性和成熟的研究，Al/Ni复合薄膜作为高温热源现已广泛用于互连焊接，3D叠层封装，电子封装以及复杂电子器件微观结构的成型和制造等领域[10-14]。Al/Ni复合薄膜另一个潜在的特点是其在电激励的条件下会发生电爆炸，爆炸过程中Al/Ni复合薄膜能够释放出大量的反应热。美国军方实验室联合约翰霍普金斯大学及劳伦斯利弗莫尔国家实验室，发布了Al/Ni纳米复合薄膜用于快速起爆反应的研究结果，认为Al/Ni合金化反应释放的能力对提高飞片比动能确有作用[15]。Qiu X[16]等人制备了一种基于Al/Ni复合薄膜的微型起爆器，在较小的输入能量下该起爆器能够获得较大的输出能量，实现了输出能量的倍增。
国内对于合金化复合薄膜的研究尚处于起步阶段，近年来南京理工大学沈瑞琪课题组[17,18]利用磁控溅射法制备了Al/Ni和Al/Ti复合薄膜，并对其特性进行了研究。中国工程物理研究院的王亮等人[19,20]对Al/Ni和Al/Ti复合薄膜自蔓延反应进行了初步的数值解析。Al/Ni纳米复合薄膜的潜力巨大，可目前仅运用于火工品领域等，运用面还比较狭窄，更多的运用还有待于开发测试。