一种提高含能材料自蔓延反应速度的装置及方法

摘要

本发明公开了一种提高含能材料自蔓延反应速度的装置及方法，涉及含能材料自蔓延反应技术及应用领域，所述装置包括：上金属箔片，所述上金属箔片设置于所述含能材料的一侧，并在正对所述含能材料的一面预置有可与所述含能材料相接触的若干凸点；下金属箔片，所述下金属箔片设置于所述含能材料的另一侧，并在正对所述含能材料的一面也预置有可与所述含能材料相接触的所述若干凸点；所述上金属箔片和所述下金属箔片通过所述若干凸点与所述含能材料接触产生若干接触点，所述若干接触点都有接触电阻；所述接触电阻在电流作用下所积累的电阻热达到所述含能材料的临界诱发温度即可在所述若干接触点诱发所述含能材料的自蔓延反应。

说明书

技术领域

本发明涉及含能材料自蔓延反应技术及应用领域，尤其涉及一种提高含能材料自蔓延反应速度的装置及方法。

背景技术

含能材料自蔓延反应能量密度高、反应速度快，作为局部热源在微纳器件、航空航天、国防军事等领域应用广泛。金属纳米多层膜是含能材料的重要组成部分，具体是指由两种或两种以上的金属交替排列而成的薄膜材料。在激光、电火花等诱发工况下，纳米多层膜局部温度达到金属间化学反应条件即可发生自蔓延反应放热，获得1000-3000℃的高温。自蔓延反应放热过程获得温度高、反应速度快，作为局部热源熔化钎料或被连接件，在电路板、继电器等微纳器件中应用广泛。

提高含能材料的反应速度有助于抑制接头缺陷的形成。近年来，通过优化纳米多层膜等含能材料的材料成分、结构参数、制备方法等途径，可以一定程度上提高自蔓延反应速度。以Al/Ni纳米多层膜为例，通过优化结构参数，反应速度从7.5m/s提高至15m/s。然而，上述方法优化成本高且不具有普适性。如果能通过改变自蔓延反应诱发方式提高反应速度，将能有效克服上述方法普适性差的问题。传统的电火花、激光等诱发方式中，自蔓延反应均为单点诱发，反应波从薄膜一侧扩散至另一层。采用不同的单点诱发的诱发方式对反应速度的影响不显著。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的提高含能材料自蔓延反应速度的装置及方法，克服现有技术所采用的优化纳米多层膜和自蔓延反应单点诱发方式相结合中存在的对反应速度的影响不显著从而不具有普适性的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何改进自蔓延反应的诱发方式从而提高含能材料的反应速度，使得优化纳米多层膜的方法更具普适性。

现有技术中的自蔓延反应均为单点诱发，如能实现多点同时诱发，将能显著缩短反应波的行进距离、提高自蔓延反应的反应速度。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用多点诱发提高含能材料自蔓延反应速度的装置，装置中的多接触点同时诱发自蔓延反应，将有助于减少反应波行进距离、提高反应速度，扩展含能材料在微纳器件连接等领域的应用。

本发明提供的一种提高含能材料自蔓延反应速度的装置，包括：

上金属箔片，所述上金属箔片设置于所述含能材料的一侧，并在正对所述含能材料的一面预置有可与所述含能材料相接触的若干凸点；

下金属箔片，所述下金属箔片设置于所述含能材料的另一侧，并在正对所述含能材料的一面也预置有可与所述含能材料相接触的所述若干凸点；

所述上金属箔片和所述下金属箔片通过所述若干凸点与所述含能材料接触产生若干接触点，所述若干接触点都有接触电阻；

所述接触点需要的压力由压力装置产生，所述压力装置通过上电极杆和下电极杆分别作用于所述上金属箔片和所述下金属箔片；

所述接触电阻在电流作用下所积累的电阻热达到所述含能材料的临界诱发温度即可在所述若干接触点诱发所述含能材料的自蔓延反应。

进一步地，所述若干凸点通过激光选区熔化技术预置在所述上金属箔片和所述下金属箔片上。

进一步地，所述若干凸点的材质为Sn、Cu或者Sn与Cu的合金材料。

进一步地，所述若干凸点的形状为半球形、或半椭球形、或立方体。

进一步地，所述若干接触点的接触面积在1mm

进一步地，所述上金属箔片与所述下金属箔片的厚度在0.01mm至10mm之间。

进一步地，所述含能材料的材质包括可发生自蔓延反应的结构，可为纳米多层膜或金属/氧化物粉末。

进一步地，所述压力装置为弹簧阻尼或气动装置。

进一步地，所述上电极杆与所述下电极杆的材质为钨铜、或铬锆铜、或钼；所述上电极杆与所述下电极杆的端面形状为包括圆弧面、或圆形、或正方形。

本发明提供的一种提高含能材料自蔓延反应速度的方法，采用如权利要求1～9中任一项所述的提高含能材料自蔓延反应速度的装置进行自蔓延反应，所述方法包括以下步骤：

步骤1、对所述上金属箔片和所述下金属箔片的表面进行预处理，保证表面的平整和清洁；

步骤2、通过激光选区熔化技术将所述凸点预置在所述上金属箔片和所述下金属箔片的表面；

步骤3、调整所述凸点的长度及高度；

步骤4、将所述上金属箔片、所述含能材料以及所述下金属箔片按顺序放置在所述上电极杆和所述下电极杆之间；

步骤5、调整所述上金属箔片、所述含能材料、所述下金属箔片的位置，确保所述上金属箔片、所述含能材料、所述下金属箔片与所述上电极杆和所述下电极杆的中轴线相同；

步骤6、通过所述压力装置施加压力；

步骤7、测量压力施加前后所述上金属箔片、所述含能材料和所述下金属箔片的界面电阻；

步骤8、调整所述压力装置的压力数值，确保所述上金属箔片、所述含能材料和所述下金属箔片之间的接触；

步骤9、设置通电电压、通电电流和通电时间；

步骤10、开启电源，通过高速摄像机测量所述含能材料的自蔓延反应速度。

本发明提供一种利用多点诱发含能材料发生自蔓延反应的装置及方法，装置中的多点同时诱发过程有助于缩短反应波行进的距离、提高自蔓延反应速度，扩展含能材料在微纳器件连接领域的应用。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例的金属箔片预置凸点位置图；

图3是图1所示实施例的凸点尺寸示意图；

图4是图1所示实施例的Al/Ni纳米多层膜的几何尺寸示意图；

图5是图1所示实施例的Al/Ni纳米多层膜多点诱发过程的流程示意图；

图6是图1所示实施例的动态电阻测量的位置示意图；

图7是图1所示实施例的Al/Ni纳米多层膜与带预置凸点金属箔片接触界面动态电阻变化图；

图8-9是图1所示实施例的Al/Ni纳米多层膜自蔓延反应过程的观测结果图。

其中，1-三相交流电，2-电源，3-初级电缆，4-变压器，5-次级电缆，6-压力装置，7-上电极杆，8-上金属箔片，9-凸点，10-纳米多层膜，11-下金属箔片，12-下电极杆，13-Al金属层，14-Ni金属层。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

有鉴于现有技术中诱发方式为单点诱发的局限，本发明所有解决的技术问题是如何通过合理的设计，实现含能材料自蔓延反应过程的多点同时诱发，提高自蔓延反应速度，扩展在微纳器件领域的应用。

如图1所示，为本发明提供的利用多点诱发纳米多层膜自蔓延反应的装置的一个较佳实施例。该装置包括三相交流电1、电源2、初级电缆3、变压器4、次级电缆5、压力装置6、上电极杆7、上金属箔片8、凸点9、纳米多层膜10、下金属箔片11，下电极杆12。

其中，上金属箔片8和下金属箔片11都带有预置的凸点9。

其中，上金属箔片8与下金属箔片11的材质可配置为包括但不限于Cu、Al、Ni及其合金材料。

其中，压力装置6为弹簧压力装置。

压力装置6产生的压力通过上电极杆7、下电极杆12作用于带预置凸点的上金属箔片8和带预置凸点的下金属箔片11上，在纳米多层膜10的表面形成多点接触。诱发过程所需要的电阻热由带预置凸点的上金属箔片8、纳米多层膜10、带预置凸点的下金属箔片11接触界面产生的电阻在次级电缆5形成的通电电流下产生。电阻热累积所需的电压、电流、时间参数通过控制器设置。接触点累积的电阻热使纳米多层膜表面温度达到临界诱发温度即可多点同时诱发自蔓延反应。

如图2所示，为图1所示实施例中的金属箔片预置凸点位置图。上金属箔片8和下金属箔片11上所带预置凸点的设置一样。在图2中，凸点9是通过激光选区熔化技术预置在上金属箔片8和下金属箔片11中。预置的凸点9的数量为15个，分三列排列。凸点9之间的列间距为20um，行间距为10um。

单个凸点的尺寸如图3所示。在本实施例中，采用的凸点形状为半椭球形，长轴为10um，短轴为5um。如图4所示，本实施例中所采用的纳米多层膜为Al/Ni纳米多层膜，由Al金属层13和Ni金属层14交替排列而成。所采用的Al/Ni纳米多层膜双分子厚度为40nm，总厚度为40um，长度为10.5mm。

如图5所示，本发明的一个较佳实施例的Al/Ni纳米多层膜多点诱发过程的流程示意图：

步骤1、利用激光选区熔化技术在上金属箔片8、下金属箔片11表面预置Sn材料的凸点9；

步骤2、检查凸点尺寸是否符合要求；如不是，重新再上金属箔片8、下金属箔片11表面预置凸点9；

步骤3、按照带预置凸点的上金属箔片8、Al/Ni纳米多层膜10、带预置凸点的下金属箔片11的顺序放置在上钨铜电极杆7、下钨铜电极杆12之间；

步骤4、检查上金属箔片8、Al/Ni纳米多层膜10、下金属箔片11的位置是否与上钨铜电极杆7、下钨铜电极杆11的中轴线相同；如不是，调整上金属箔片8、Al/Ni纳米多层膜10、下金属箔片11的位置至其与上钨铜电极杆7、下钨铜电极杆11同轴；

步骤5、通过弹簧压力装置将压力通过钨铜电极杆7、下钨铜电极杆11作用于上金属箔片8-Al/Ni纳米多层膜10、Al/Ni纳米多层膜10-下金属箔片11的接触界面上；

步骤6、通过测量电阻检查Al/Ni纳米多层膜10是否与上金属箔片8、下金属箔片11上的凸点9完全接触；如不是，增加压力以保证预置凸点9与纳米多层膜10完全接触；电阻测量点的布置如图6所示，完全接触的状态判定依据如图7所示；

步骤7、通过控制器设置通电电流为3kA，通电时间为25ms；

步骤8、通过高速摄像观察Al/Ni纳米多层膜10多点诱发的自蔓延反应过程；反应过程的结果图如图8-9所示，自蔓延反应结束的时间为200us。

步骤9、基于高速摄像结果计算纳米多层膜10的反应速度为52.5m/s。

与现有的单点诱发技术相比，本发明的利用多点同时诱发含能材料自蔓延反应的装置及方法，有助于减少反应波的行进距离、提高反应速度，扩展纳米多层膜在微纳连接领域的应用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。