Peningkatan Performa Energi Berdasarkan Integrasi dengan Al/PTFE Nanolaminates
Abstrak
Mengintegrasikan bahan energik pada sebuah chip telah mendapat perhatian besar karena aplikasinya yang sangat potensial dalam sistem konsumsi energi skala mikro, termasuk perangkat inisiasi listrik. Pada artikel ini, nanolaminasi Al/PTFE reaktif dengan struktur lapisan periodik dibuat dengan magnetron sputtering, yang terdiri dari Al bahan bakar, PTFE oksidan, dan senyawa Al-F lapisan inert dalam sistem metastabil. Nanolaminasi Al/PTFE yang diendapkan menunjukkan keluaran energi yang sangat tinggi, dan suhu awal serta panas reaksi masing-masing adalah 410 °C dan 3034 J/g. Berdasarkan sifat-sifat ini, jembatan film terintegrasi dirancang dan dibuat melalui pengintegrasian nanolaminasi Al/PTFE dengan foil peledak Cu, yang menunjukkan peningkatan kinerja energik dengan fenomena ledakan yang lebih dahsyat, jumlah produk yang dikeluarkan lebih besar, dan suhu plasma yang lebih tinggi dibandingkan dengan jembatan film Cu. Energi kinetik selebaran yang berasal dari perluasan jembatan film Cu juga meningkat sekitar 29,9% melalui integrasi dengan nanolaminasi Al/PTFE. Secara keseluruhan, performa energik dapat ditingkatkan secara substansial melalui kombinasi reaksi kimia nanolaminasi Al/PTFE dengan ledakan listrik jembatan film Cu.
Latar Belakang
Selama dekade terakhir, penyelidikan bahan energik berstrukturnano telah mendapat perhatian di seluruh dunia dan meningkatkan minat penelitian karena kinerja energik unggul mereka, termasuk suhu pengapian rendah, pelepasan energi yang cepat, kepadatan energi yang tinggi dan reaktivitas merdu [1,2,3,4,5 ,6,7,8,9,10]. Energi kimia yang disimpan oleh bahan-bahan ini dapat dilepaskan pada aktuasi listrik, optik, benturan, atau termal, yang dapat digunakan untuk keperluan militer dan aplikasi sipil, seperti inisiasi reaksi sekunder [11], penyambungan bahan [12], otomotif propelan kantong udara [13], dan catu daya [14]. Banyak metode termasuk pencampuran fisik nanopowders, penangkapan penggilingan reaktif nanokomposit padat, pelapisan nanoenergi elektroforesis, dan deposisi berkala nanolaminasi telah diperkenalkan untuk membuat bahan energik berstrukturnano [15,16,17,18,19]. Di antara metode ini, fabrikasi nanolaminasi melalui penyimpanan dua atau lebih film yang berbeda secara bergantian memberikan struktur yang menarik untuk integrasi perangkat dengan kinerja energik yang dapat disetel, karena jumlah lapisan dan ketebalan lapisan tunggal mudah dikontrol, dan akibatnya untuk menyetel kinerja energiknya.
Exploding foil initiator (EFI) adalah jenis perangkat piroteknik pembangkit listrik yang digunakan untuk inisiasi reaksi sekunder [20]. Setelah menerapkan pulsa listrik, langsung meningkatkan kepadatan arus menyebabkan penguapan jembatan film logam dan generasi plasma tekanan tinggi. Kemudian, pamflet di jembatan film dicukur dan dipercepat untuk menabrak bahan peledak. Dengan meningkatnya persyaratan untuk miniaturisasi perangkat pengapian listrik dan inisiasi energi rendah, integrasi lapisan nanoenergi dengan jembatan film logam berdasarkan teknologi sistem mikroelektronik dan mekanik (MEMS) untuk mencapai nanoenergetik-on-a-chip (NOC) fungsional merupakan prospek yang menjanjikan. pilihan untuk pengembangan EFI. Kombinasi panas reaksi bahan energik dengan joule listrik tradisional jembatan film logam memungkinkan untuk meningkatkan kinerja ledakan listrik EFI dengan inisiasi energi rendah dalam ukuran yang kompak.
Film nanolaminasi Al/PTFE adalah kandidat yang menjanjikan untuk diintegrasikan dengan EFI berdasarkan alasan berikut. Pertama, logam Al adalah bahan umum dengan kepadatan energi tinggi dan laju pelepasan energi selama oksidasi. Sedangkan kandungan fluor di PTFE hingga 76 wt.%, yang dapat bereaksi dengan logam Al membentuk AlF3 dengan pelepasan energi teoretis tinggi 5571 J/g [21]. Kedua, potensi pelepasan gas yang berasal dari pirolisis film PTFE dan produk reaksi oksikarbida dalam kondisi atmosfer dapat meningkatkan tekanan plasma yang dihasilkan, yang bermanfaat untuk menggeser dan mempercepat flyer [22]. Dalam makalah ini, jembatan film terintegrasi dirancang dan dibuat melalui pengintegrasian nanolaminasi Al / PTFE dengan jembatan film peledak Cu. Struktur dan komposisi kimia dari as-deposited Al/PTFE nanolaminates dipelajari dengan analisis TEM dan XPS. Efek dari nanolaminasi Al/PTFE terintegrasi pada kinerja inisiasi listrik diselidiki melalui uji ledakan listrik.
Metode
Deposisi Nanolaminasi Al/PTFE
Nanolaminasi Al / PTFE disiapkan melalui penyetoran lapisan Al dan lapisan PTFE secara bergantian masing-masing dengan sputtering magnetron arus searah dan sputtering magnetron frekuensi radio. Target yang digunakan untuk sputtering adalah aluminium foil murni (kemurnian> 99,999%) dan foil politetrafluoroetilena (kemurnian> 99,99%) dengan ukuran diameter 100 mm. Sebuah meja substrat berputar digunakan untuk mewujudkan beberapa deposisi bergantian. Tekanan dasar untuk deposisi film di bawah 5 × 10
− 4
Pa, dan gas argon diperkenalkan sebagai media gas. Parameter pengendapan ditetapkan sebagai 1,1 Pa, 300 W untuk lapisan PTFE, dan 0,45 Pa, 100 W untuk lapisan Al, untuk mendapatkan kualitas film yang dioptimalkan dan laju pengendapan yang stabil.
Persiapan (Al/PTFE)n /Cu-EFI Terintegrasi
(Al/PTFE)n /Cu film bridge dibuat dengan teknik sputtering magnetron dan MEMS pada substrat keramik alumina berdiameter 3 in.. Proses fabrikasi (Al/PTFE)n Jembatan film /Cu ditunjukkan pada Gambar. 1. Setiap unit terdiri dari jembatan film peledak Cu di bagian bawah, film nanolaminasi Al/PTFE berbentuk persegi panjang yang diendapkan di bagian atas jembatan film Cu, dan dua bidang bantalan Cu yang terletak di kedua sisi nanolaminasi Al/PTFE.
Gambar skema dan alur proses fabrikasi (Al/PTFE)n /Cu film jembatan
Sebelum dideposisi, substrat dibersihkan secara ultrasonik secara berurutan menggunakan aseton, alkohol, dan air deionisasi selama 10 menit. Selanjutnya, substrat yang telah dibersihkan dikeringkan dengan menggunakan gas argon dan dipanaskan pada suhu 120 °C selama 1 jam untuk pengeringan lebih lanjut. Setelah kering, lapisan Cu setebal 2 m diendapkan pada substrat yang dibersihkan dengan sputtering magnetron DC. Selanjutnya, film Cu yang diendapkan dipola melalui fotolitografi, dan digores basah dengan bahan etsa tembaga (CE – 100). Dimensi jembatan film Cu berpola adalah 600 μm × 600 μm. Kemudian, nanolaminates Al / PTFE setebal ~ 2-μm diendapkan di atas jembatan film Cu dan dipola dengan proses pengangkatan pembalikan gambar. Urutan susun untuk sputtering nanolaminasi Al/PTFE adalah Al/PTFE/Al/PTFE/Al, dan lapisan Al dibiarkan sebagai lapisan atas. Setelah itu, dua bantalan kontak Cu berpola topeng ditumpuk di kedua sisi nanolaminasi Al/PTFE untuk koneksi ke sumber tegangan. Akhirnya, sampel yang sudah jadi dipotong-potong menjadi unit-unit individual.
Karakterisasi Nanolaminasi Al/PTFE
Karakterisasi kristalinitas dan mikroskopis struktural dari nanolaminasi Al/PTFE dilakukan dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM). Film Al setebal ~ 1-nm diendapkan pada lapisan PTFE untuk menentukan komposisi kimia antarmuka antara lapisan Al dan lapisan PTFE dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Nanolaminasi PTFE dikeluarkan dari substrat dan dipindahkan dalam wadah alumina untuk analisis pelepasan energi dengan kalorimetri pemindaian diferensial (DSC). Massa sampel untuk setiap pengujian adalah ~ 10 mg, dan pengujian dilakukan dari 25 hingga 800 °C pada laju pemanasan 10 °C/menit dalam argon yang mengalir.
Uji Ledakan Listrik Jembatan Film
Sifat ledakan listrik sampel diuji dengan sistem pengukuran ledakan listrik, yang mirip dengan laporan sebelumnya untuk jembatan film Cu/Al/CuO [23]. Karakteristik suhu ledakan listrik ditentukan oleh mode diagnosis suhu ledakan listrik berdasarkan "spektroskopi emisi atom garis ganda dari elemen tembaga" [24, 25]. Fenomena ledakan listrik direkam secara serempak oleh kamera berkecepatan tinggi dengan 20.000 frame per detik. Proses percepatan pamflet diperoleh melalui photonic Doppler velocimetry (PDV) untuk menyelidiki kemampuan menggerakkan pamflet.
Hasil dan Diskusi
Karakterisasi Nanolaminasi Al/PTFE
Gambar TEM penampang dari nanolaminasi Al/PTFE ditunjukkan pada Gambar. 2a. Lapisan Al dan lapisan PTFE disusun secara berkala dalam orientasi vertikal, dan struktur lapisan yang selaras terlihat jelas. Strip gelap sesuai dengan lapisan Al, sedangkan strip terang cocok dengan lapisan PTFE. Lapisan Al dan lapisan PTFE dapat dibedakan dengan mudah, dan antarmuka bergelombang antara lapisan Al dan lapisan PTFE juga terlihat pada gambar. Ketebalan lapisan tunggal lapisan Al dan lapisan PTFE masing-masing sekitar 50 dan 75 nm. Gambar resolusi tinggi dari lapisan Al dan lapisan PTFE ditunjukkan pada Gambar 2b, c, dan pola difraksi elektron dimasukkan. Susunan kisi film Al dapat diamati dengan jelas, yang menunjukkan struktur nano-polikristalin yang terdefinisi dengan baik. Sementara film PTFE menunjukkan cincin yang luas dan menyebar, menunjukkan struktur amorf. Struktur lapisan periodik bermanfaat untuk difusi antar muka antara lapisan Al dan lapisan PTFE untuk melepaskan energi. Ketebalan film yang homogen juga memungkinkan kinerja energik yang dapat disetel dengan mengubah ketebalan setiap lapisan dan jumlah lapisan.
a Gambar TEM bidang terang penampang dari nanolaminasi Al / PTFE. b Citra resolusi tinggi dari lapisan Al dan pola difraksi elektron disisipkan. c Gambar resolusi tinggi dari lapisan PTFE dan pola difraksi elektron dimasukkan
Untuk lebih mengkonfirmasi komposisi kimia antarmuka antara lapisan Al dan lapisan PTFE, analisis XPS dilakukan pada sampel film Al, film PTFE, dan film PTFE dengan lapisan Al setebal ~ 1-nm yang diendapkan di permukaan. Gambar 3a menunjukkan spektrum tingkat inti Al 2p dari film Al dan film PTFE dengan pengendapan Al setebal ~ 1-nm. Puncak level inti Al 2p yang muncul pada energi ikat (BE) sebesar 72,2 eV disebabkan oleh logam Al. Puncak pada 75,4 eV dari film Al, dan 75,6 eV dari ~ 1 nm Al yang diendapkan pada film PTFE dapat dikaitkan dengan aluminium teroksidasi. Dibandingkan dengan film PTFE tanpa endapan Al di permukaan, puncak level inti Al 2p yang cocok dengan Al
3+
bergeser sedikit ke energi ikat yang lebih tinggi. Ini mungkin disebabkan oleh reaksi antara Al dan PTFE [26, 27]. Sementara itu, Gambar 3b menunjukkan perubahan tingkat inti F 1s film PTFE sebelum dan sesudah pengendapan ~ 1 nm Al. Puncak pada 686,6 eV cocok dengan ikatan Al-F di AlF3 , yang dengan jelas menunjukkan bahwa reaksi kimia terjadi pada antarmuka antara lapisan Al dan lapisan PTFE pada tahap awal deposisi film. Hasil ini juga membuktikan bahwa nanolaminasi Al/PTFE berada dalam sistem reaksi metastabil yang terdiri dari bahan bakar Al, oksidan PTFE, dan senyawa Al-F lapisan inert. Sejumlah kecil ikatan Al-F yang ada pada antarmuka nanolaminasi Al/PTFE dapat mencegah reaksi berkelanjutan antara PTFE dan Al, yang merupakan komponen penting untuk menjaga kepadatan energi dan stabilitas nanolaminasi Al/PTFE yang tinggi [28].
a Spektrum resolusi tinggi dari level inti Al 2p dari film Al dan film PTFE dengan lapisan Al yang tebalnya ~ 1 nm. b Spektrum resolusi tinggi tingkat inti F 1s dari film PTFE dan film PTFE dengan lapisan Al setebal ~ 1-nm
Karakteristik pelepasan panas nanolaminasi Al/PTFE diuji oleh DSC dalam kisaran suhu 25 hingga 800 °C di bawah laju pemanasan konstan 10 °C/menit dalam argon yang mengalir. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, puncak eksotermik utama diamati naik tiba-tiba pada nilai suhu 507 °C, yang terkait dengan reaksi oksidasi-reduksi antara Al dan PTFE. Suhu reaksi awal nanolaminasi Al/PTFE adalah 410 °C, dan panas reaksi sekitar 3034 J/g dihitung dengan mengintegrasikan aliran panas eksotermik positif terhadap waktu. Nanolaminasi Al/PTFE menunjukkan keluaran energi yang sangat tinggi dengan suhu reaksi awal yang relatif rendah. Perhatikan bahwa panas reaksi di bawah nilai teoritis maksimum; ini mungkin disebabkan oleh reaksi yang tidak sempurna selama kenaikan suhu, dan pembentukan lapisan senyawa Al-F pada antarmuka sedikit mengurangi pelepasan panas.
Kurva DSC nanolaminasi Al/PTFE sebagai fungsi suhu di lingkungan argon
Pertunjukan Inisiasi Listrik (Al/PTFE)n /Cu Film Bridges
Berdasarkan struktur dan sifat eksotermik dari nanolaminasi Al/PTFE, jembatan film terintegrasi dibuat dengan mengintegrasikan nanolaminasi Al/PTFE dengan jembatan film peledak Cu. Urutan frame video berkecepatan tinggi untuk fenomena inisiasi listrik dari jembatan film Cu dan (Al/PTFE)n /Cu film bridge direkam pada tegangan pelepasan 2500-V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5; interval antara gambar yang berdampingan adalah 50 s. Setelah melepaskan energi listrik yang tersimpan melalui jembatan, proses ledakan listrik yang hebat disertai dengan kilatan terang diamati pada jembatan film Cu. Hal ini menunjukkan perubahan keadaan yang cepat dari plasma padat ke terionisasi yang terjadi pada jembatan film Cu; durasi waktu adalah 250 s. Sedangkan untuk (Al/PTFE)n /Cu film bridge, diamati proses ledakan yang lebih ganas dengan jumlah produk yang dikeluarkan ke atas dalam jumlah yang lebih besar. Durasi waktu lebih dari 500 s, yang merupakan dua kali lipat dari jembatan film Cu. Hasil ini mengungkapkan dengan jelas bahwa reaksi kimia nanolaminasi Al / PTFE berpartisipasi dalam ionisasi jembatan film Cu, dan pelepasan energi nanolaminasi Al / PTFE dapat meningkatkan kinerja inisiasi listrik secara substansial. Potensi pelepasan gas dan jumlah yang lebih besar dari produk yang dikeluarkan ke atas bermanfaat untuk meningkatkan tekanan plasma yang dihasilkan.
Pengamatan kamera kecepatan tinggi dari proses ledakan listrik untuk jembatan film Cu (a ) dan (Al/PTFE)n /Cu film jembatan (b ) pada tegangan pelepasan 2500-V
Ini adalah pekerjaan yang sulit untuk mengukur suhu sementara karena suhu ledakan listrik dapat mencapai beberapa ribu derajat Kelvin dalam mikro atau nanodetik. Dalam artikel ini, variasi suhu plasma selama proses inisiasi ditentukan dengan membandingkan intensitas relatif garis spektral dari spesies atom atau ion yang sama. Gambar 6 menunjukkan variasi suhu plasma jembatan film Cu dan (Al/PTFE)n /Cu jembatan film selama proses inisiasi listrik. Setelah dipicu, suhu ledakan listrik jembatan film Cu meningkat dengan cepat dan mencapai maksimum ~ 6819 K. Sedangkan untuk (Al/PTFE)n /Cu film bridge, suhu puncaknya ~ 8289 K; itu jauh lebih tinggi daripada jembatan film Cu. Ini menunjukkan dengan jelas bahwa reaksi kimia dalam nanolaminasi Al/PTFE dipicu dengan pelepasan panas dalam jumlah besar. Suhu yang lebih tinggi bermanfaat untuk ionisasi film logam dan perluasan plasma dengan cepat. Hasil ini sangat konsisten dengan pengamatan berkecepatan tinggi.
Kurva variasi suhu setelah pemrosesan data selama proses ledakan listrik untuk jembatan film Cu dan (Al/PTFE)n /Cu film bridge pada tegangan pelepasan 2500-V
Seperti yang kita semua tahu, kecepatan akhir dari pamflet akan mempengaruhi keberhasilan ledakan bahan peledak, dan energi kinetik dari pamflet berasal dari ekspansi cepat plasma Cu. Setelah memicu, foil selebaran terisolasi yang dilapisi pada jembatan film digeser dan didorong ke atas oleh plasma suhu dan tekanan tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a. Variasi kecepatan dengan waktu direkonstruksi dari sinyal PDV melalui transformasi Fourier cepat [29]. Gambar 7b menunjukkan kurva variasi kecepatan untuk jembatan film Cu dan (Al/PTFE)n /Cu film bridge pada tegangan pelepasan 2500-V. Saat film jembatan menguap dan plasma mengembang dengan cepat, lapisan selebaran mulai membentuk gelembung dan kemudian dipotong di tepi laras. Flyer dipercepat ke atas sampai mencapai keseimbangan antara hambatan udara dan tekanan dari ledakan, dan kemudian terjadi platform. Kecepatan puncak adalah 2792 m/s untuk jembatan film Cu, sedangkan untuk (Al/PTFE) adalah 3180 m/sn /Cu jembatan film. Ini berarti energi kinetik dari pamflet yang berasal dari ledakan listrik meningkat sekitar 29,9% karena integrasi dengan nanolaminasi Al/PTFE. Meskipun waktu peluncuran untuk (Al/PTFE)n /Cu jembatan film sedikit lebih lambat dari jembatan film Cu, waktu percepatan keseluruhan cukup perkiraan. Reaksi kimia nanolaminasi Al/PTFE sesuai dengan ledakan listrik jembatan film Cu, dan keluaran energi jembatan film Cu dapat ditingkatkan melalui integrasi dengan nanolaminasi Al/PTFE.
a Ilustrasi skema tampilan samping operasi EFI dalam proses inisiasi listrik. b Kurva variasi kecepatan direkonstruksi dari sinyal PDV selama proses inisiasi listrik untuk jembatan film Cu dan (Al/PTFE)n /Cu film bridge pada tegangan pelepasan 2500-V
Kesimpulan
Singkatnya, nanolaminasi Al / PTFE reaktif dengan struktur lapisan periodik berhasil dibuat oleh sputtering magnetron. Nanolaminasi Al/PTFE terdiri dari lapisan PTFE (amorf), lapisan Al (polikristalin), dan lapisan inert (senyawa Al-F) dalam sistem metastabil, yang dapat memberikan output energi tinggi sebesar 3034 J/g. Melalui teknologi MEMS, nanolaminasi Al/PTFE diintegrasikan dengan foil peledak Cu untuk membangun jembatan film terintegrasi. Reaksi kimia nanolaminasi Al / PTFE sangat konsisten dengan ledakan listrik jembatan film Cu. Temperatur ledakan listrik dan keluaran energi dari jembatan film terintegrasi juga terbukti meningkat. Secara keseluruhan, kinerja inisiasi jembatan film Cu dapat ditingkatkan dengan jelas melalui integrasi dengan nanolaminasi Al/PTFE.
