Способ электрического инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в многослойной реакционной энергетической фольге
METHOD FOR ELECTRICAL INITIATION OF THE REACTION OF SELF-PROPAGATING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS IN MULTILAYER REACTION ENERGY FOIL

Изобретение относится к области использования материалов в виде многослойных реакционных энергетических фольг с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и может найти применение для инициирования СВС реакции в таких фольгах, используемых в энергетических воспламенителях, локальных источниках тепла и т.п.
Многослойная реакционная энергетическая фольга представляет из себя чередующиеся нанослои материалов (например, Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al) с общим количеством в несколько тысяч штук. Чередующиеся нанослои называются бислоем. Толщина бислоя обычно составляет (10-100) нм. Фольга может быть, как закреплена на подложке, на которую осаждаются чередующиеся нанослои материалов, так и в виде свободно стоящей (т.е. отделенной от подложки) фольгой. Общая толщина фольги может составлять десятки мкм. Суть процесса СВС в следующем - при воздействии на край фольги локального импульса энергии (от источника постоянного тока или от пламени свечи, или от пятна лазерного излучения) происходит вспышка фольги и по ее объему распространяется так называемый фронт безгазового горения со скоростью (2-10) м/с. Температура фольги повышается до 1350°С-1500°С (для фольги Ni/Al) в течение долей секунд с выделением значительного количества тепла.
Известен способ электрического инициирования СВС реакции путем точечного касания электродами, присоединенных к источнику тока, к поверхности многослойной реакционной энергетической фольги. При этом в момент касания возникает искровой разряд, приводящий к локальному нагреву в точке касания и возникновению СВС реакции [1, 2, 3]. Достоинство способа - для инициирования СВС реакции применимы источники тока с небольшим напряжением и малыми значениями тока. Достаточно [3] источника тока с параметрами 10 A и 5 В. Недостаток такого способа - невозможность его применения в тех случаях, где касание электродами фольги физически невозможно. Например, когда многослойная реакционная энергетическая фольга находится в закрытом герметичном корпусе, в котором процедуру касания провести затруднительно.
6
2
6
2
6
2
6
2
Наиболее близкими аналогами к заявляемому способу является способ электрического инициирования СВС реакции с помощью омического нагрева путем постоянного прижатия электродов к поверхности многослойной реакционной энергетической фольги [2, 3]. При пропускании тока происходит локальный разогрев реакционной энергетической фольги между прижатыми электродами до температуры при которой начинается СВС реакция. В [2] показано, что для инициирования СВС реакции при диаметре электродов 27 мкм необходима плотность тока 2⋅10 А/см а при диаметре электродов 54 мкм - 0,36⋅10 А/см. На рис. 2 [2] показано, что воспламенение многослойной энергетической реакционной фольги происходит при токе 150 А при длительности воздействия тока в 50 мкс. При увеличении бислоя Ni/Al с 50 нм до 100 нм плотность тока, необходимая для зажигания фольги (инициирования СВС реакции), увеличивается с 2⋅10 А/см до 4,5⋅10 А/см. Этот способ можно использовать при нахождении реакционной фольги в закрытом объеме, заранее разместив электроды на поверхности фольги. Недостатками этого способа являются: 1 - требуются большие токи [3] для инициирования СВС реакции (для диаметра контакта 15 мкм, ток составляет (100-120) А, а для диаметра контакта 300 мкм ток составляет (250-300) А, что в ряде случаев неприемлемо; 2 - требуются мощные источники питания; 3 - большие габариты узлов крепления электродов к поверхности фольги; 4 - низкая надежность в местах контактирования электродов с поверхностью реакционной энергетической фольги из-за возможного нарушения контактов связанного с хрупкостью реакционной энергетической фольги.
Цель изобретения - разработка способа электрического инициирования СВС реакции путем пропускания тока через присоединенные к поверхности многослойной реакционной энергетической фольги контакты. Причем инициирование СВС реакции должно осуществляться от слаботочного (до нескольких десятков ампер) источника напряжения, например, от заряженного конденсатора. При этом подводящие ток к фольге электроды должны иметь надежное механическое крепление, не приводящее к механическому разрушению хрупкой фольги.
2
2
Эта цель достигается следующим образом. На поверхности реакционной энергетической фольги формируется методами фотолитографии фоторезистивная маска, как минимум с двумя отверстиями. Отверстия заполняются токопроводящим клеем. К каплям клея, располагаемым на поверхности фоторезистивной маски, приклеиваются электроды, которые служат для подвода тока к поверхности фольги. Электроды могут быть в виде тонких проводов (0.1-0.2 мм), или тонких медных полосок (до 0.1 мм). Токопроводящий клей заполняет отверстие диаметром d и длиной l (толщина фоторезистивной маски) при этом после сушки и полимеризации клея получается встроенный в фоторезист цилиндрический резистор с выводами в виде двух электродов (проводов, медных полосок). Режимы отверждения, используемого токопроводящего клея приведены в технической документации на конкретную марку клея. Одной из контактных площадок резистора является поверхность многослойной реакционной энергетической фольги, а другой контактной площадкой - электрод, прикрепленный к капле клея на поверхности фоторезистивной маски. Резистор имеет следующее сопротивление: R=ρl/s, где ρ - удельное объемное сопротивление токопроводящего клея, l - длина цилиндрического резистора, равная толщине фоторезистивной маски, s - площадь сечения резистора, s=πd/4. Контактные площадки - подводящие электроды резистора имеют сопротивление намного меньше, чем сопротивление встроенного в фоторезистивную маску резистора из токопроводящего клея. Так, например, для резистора на основе токопроводящего клея марки ЭЧЭ-С, длиной 1 мкм и диаметром 100 мкм, измеренное среднее сопротивление составляет 0,8 Ом, а для резистора с диаметром 200 мкм, измеренное среднее сопротивление составляет 0,6 Ом. Эти сопротивления в сотни раз больше сопротивления контактов резистора (фольги и подводящих электродов). Токопроводящие клеи представляют собой композицию на основе эпоксидной смолы с добавлением пластификатора, наполнителя (мелкодисперсное серебро) и отвердителя. При приложении напряжения U ток I пойдет как через фольгу, так и через резисторы из токопроводящего клея и на резисторах выделится мощность P=IR, где I=U/R. Результаты экспериментов показали, что столбик клея в отверстии фоторезистивной маски имеет сферическую форму в месте касания с поверхностью фольги. В месте касания образуется локальное повышенное сопротивление встроенного цилиндрического резистора, что способствует увеличению локальной энергии в виде выделяющегося тепла в этой точке при прохождении тока через этот резистор. Сферическая форма столбика клея в отверстии формируется при сушке и полимеризации токопроводящего клея за счет сил внутреннего натяжения. Прикладываемое напряжение и геометрические размеры резисторов (длина резистора, диаметр резистора) экспериментально подбираются таким образом, чтобы напряжения заряженного конденсатора до 25 В емкостью до 470 мкФ хватило для вспыхивания резистора в результате которого он перегорает. При вспышке образуется локальная температура, достаточная для воспламенения многослойной реакционной энергетической фольги и инициирования СВС реакции. Для получения требуемого сопротивления резисторов из токопроводящего клея под каждым токоподводящим электродом формируется от одного до нескольких (2 и более) резисторов. Это также способствует повышению надежности крепления электродов к поверхности фольги. Один ряд отверстий делается с размерами больше, чем размеры другого ряда отверстий. В большие отверстия наносится токопроводящий клей и приклеивается электрод для подводки напряжения к поверхности фольги (это низкоомный контакт). Диаметр больших отверстий и их количество подбирается таким образом, чтобы сопротивление токопроводящего клея в этих отверстиях было близко с сопротивлению фольги (в десятки раз меньше сопротивления токопроводящего клея в маленьких отверстиях 200 мкм и менее). Это делается для того, чтобы выделяемая от пропускаемого тока мощность концентрировалась на одном ряде встроенных резисторов из токопроводящего клея. Тем самым для инициирования СВС реакции в фольге потребуется источник тока с мощностью примерно в два раза меньшей, чем при использовании двух рядов встроенных резисторов с одинаковыми номиналами сопротивлений. Токопроводящие клеи имеют, как правило, низкую прочность на отрыв при приклейке проводов, поэтому дополнительно выводы могут быть прикреплены к поверхности фольги при помощи обычных непроводящих ток клеев типа ВК-9, К-400 и др. Длина резистора выбирается равной толщине пленки фоторезиста и составляет 1.0±0.1 мкм. Это типичная толщина фоторезиста, используемая при изготовлении интегральных схем. При более высоких значениях толщины увеличивается длина резистора и образующаяся зона теплоты при сгорании резистора будет находится на большем расстоянии от поверхности реакционной энергетической фольги, тем самым СВС реакция может не происходить. При меньшей толщине пленки фоторезиста снижается его механическая прочность и уменьшается сопротивление встроенного резистора, что потребует увеличения силы тока для инициирования вспышки резистора, или для сохранения заданного сопротивления потребуется уменьшения диаметра резистора (диаметра отверстий в пленке фоторезиста), что приведет к снижению количества тепловой энергии прикладываемой к поверхности фольги. Вместо фоторезистивной пленки может быть использована также тонкая диэлектрическая пленка, например, из оксида алюминия, двуокиси кремния, моноалюмината неодима и т.п., в которой методами фотолитографии формируются необходимые отверстия. Однако это увеличивает трудоемкость изготовления встроенных резисторов из-за увеличения количества операций по формированию диэлектрической маски. В качестве токопроводящих клеев может быть использовано большое количество различных марок, выпускаемых АО «НИИЭМ», например, ТОК-1, ТОК-2, ЭЧЭ-С, ЭПЭ, ТПК-1С, Ирпол-5, КПС-1.
Предложенный способ электрического инициирования СВС реакции приведен на фиг. 1 (а, б). Здесь: 1 - многослойная реакционная энергетическая фольга; 2 - подводящие ток провода; 3 - капля токопроводящего клея на поверхности фоторезистивной маски 4; 4 - фоторезистиная маска; 5 - резистор на основе токопроводящего клея. На фиг. 2 показан фрагмент А, приведенный на фиг. 1, - конструкция резистора на основе токопроводящего клея. Здесь: d - диаметр резистора; l - длина резистора; 6 - сферическая поверхность в месте касания резистора поверхности фольги, остальные обозначения такие же, как и на фиг. 1.
Работоспособность предложенного способа подтверждается следующими примерами конкретного исполнения.
Была использована многослойная реакционная энергетическая фольга Al/Ni, толщиной 40 мкм, на которой методами фотолитографии формировалась фоторезистивная маска из фоторезиста ФП-383 толщиной 1,0±0.1 мкм. В фоторезистивной маске формировался ряд отверстий по 4 шт. с диаметром 2 мм и параллельно этому ряд отверстий по 2 шт.  с диаметром 0,1 мм и 0,2 мм. Отверстия заполнялись токопроводящим клеем ЭЧЭ-С. Над отверстиями создавались бугорки из токопроводящего клея, к которым приклеивались медные полоски 3×5 мм, толщиной 0,035 мм. Клей сушился при температуре 100°С в течение 4 часов. К медным полоскам предварительно припаивались провода для подводки электрического тока. Сопротивление токопроводящего клея в 4 отверстиях диаметром 2 мм составляло (0.04-0,06) Ом, а сопротивление токопроводящего клея в двойных отверстиях (0,1-0,2) мм составляло от 0,4 Ом до 0,3 Ом, т.е. в (5-10) раз выше. Сопротивление участка фольги между отверстиями составляло 0,002 Ом и при прохождении по нему тока выделяемая мощность была незначительной. Также выделяемая мощность была незначительной и в месте присоединения электрода к отверстиям диаметром 2 мм, заполненных токопроводящим клеем. Для увеличения механической прочности на отрыв электроды для подвода электрического тока, дополнительно прикрепляются к поверхности фоторезистивной пленки непроводящим ток клеем.
2
Инициирование СВС реакции производилось от заряженных конденсаторов емкостью 200 мкФ и 470 мкФ. При прохождении тока по цепочке: подводящий провод-электрод-токопроводящий клей в отверстиях 2 мм - реакционная фольга между отверстиями - токопроводящий клей в отверстиях (0,1-0,2) мм - электрод-подводящий провод, наибольшая мощность согласно формуле, P=IR выделялась на встроенных резисторах в отверстиях (0,1-0,2) мм. При подаче напряжения от заряженного конденсатора встроенные резисторы перегорали от проходящего через них тока, при этом выделялось локальное тепло достаточное для инициирования СВС реакции (происходил локальный термический нагрев). Результаты экспериментов приведены в таблице.
Из таблицы следует, что СВС реакция уверенно инициируется от заряженного конденсатора емкостью 470 мкФ при напряжении (10-15) В и от заряженного конденсатора емкостью 200 мкФ при напряжении (20-25) В. Ток от разряда конденсатора варьировался в пределах (15-50) А в зависимости от сопротивления встроенного резистора из токопроводящего клея. Такие токи проходили через встроенные резисторы в течение 50-100 мкс, что было достаточно для инициирования СВС реакции в многослойной энергетической фольге. По сравнению с прототипом требуются в (5-10) раз меньшие значения тока для инициирования СВС реакции.
Диаметр встроенных резисторов выбирался в диапазоне (0,1-0,2) мм. При диаметре меньше 0,1 мм хотя сопротивление встроенного резистора и увеличивалось, но при этом уменьшалась прочность соединения подводящих ток электродов при помощи токопроводящего клея. При меньшем диаметре также трудно заполнить отверстие токопроводящим клеем из-за низкой его текучести. При использовании токопроводящего клея с высокой текучестью возможно уменьшение диаметра отверстий в фоторезистивной пленке до единиц мкм. Диаметр отверстий, в которых формируются резисторы из токопроводящего клея, и их количество под каждым из подводящих ток электродов, выбирается экспериментально из условий, предъявляемых к толщине реакционной энергетической фольги, к величине прикладываемого электрического напряжения и тока, проходящего через резисторы, к удельному объемному сопротивлению токопроводящего клея, достаточных для нагрева и вспыхивания резисторов и инициирования СВС реакции.
При диаметре больше 0,2 мм сопротивление встроенного резистора уменьшалось и выделяемой на нем мощности от заряженного конденсатора емкостью до (200-470) мкФ было недостаточно для инициирования СВС реакции. Возможно увеличение емкости конденсатора до десятков тысяч мкФ с целью увеличения разрядного тока, но при этом существенно увеличиваются габаритные размеры конденсатора, что в ряде случаев неприемлемо. Нами для инициирования СВС реакции использовались малогабаритные танталовые конденсаторы. Танталовые конденсаторы выпускаются в виде ЧИП компонентов с размерами: 7,3×4,3 мм - 470 мкФ 16 В, и 6,0×3,2 мм - 100 мкФ 25 В и при параллельном соединении 6,0×6.2 мм - 200 мкФ 25 В. Такие конденсаторы подходят для создания миниатюрных устройств с использованием многослойной реакционной энергетической фольги.
Источники информации
1. Е. Ma, C.V. Thompson, L.A. Clevenger, K.N. Tu, Self-propagating explosive reactions in Al/Ni multilayer thin films, Appl. Phys. Lett. 57, 1990, 1262-1264.
2. Gregory M. Fritz and all. Thresholds for igniting exothermic reactions in Al/Ni multilayers using pulses of electrical, mechanical, and thermal energy. Journal of Applied Physics, 113, 014901 (2013).
3. www.indium.com/nanofoil/nanofoil user guide