Энергетический воспламенитель Российский патент 2025 года по МПК F42B3/10 

Изобретение относится к области взрывных работ при добыче полезных ископаемых, а также может быть использовано при приведении в действие подушек безопасности автомобилей путем воспламенения пиротехнического состава контактирующего с энергетическим воспламенителем.

Известна конструкция энергетического воспламенителя (см. Peng Zhua, Dongle Li, Shuai Fu, Bo Hu, Ruiqi Shen, and Yinghua YeEur. Improving reliability of SCB initiators based on Al/Ni multilayer nanofilms. Phys. J. Appl. Phys. (2013) 63: 10302 DOI: 10.1051/epjap/2013130219 [1], Carole Rossi. Engineering of Al/CuO Reactive Multilayer Thin Films for Tunable Initiation and Actuation Propellants Explos. Pyrotech. 2018, 43, 1-16. DOI: 10.1002/prep.201800045 [2], YiChao Yan, Wei Shi, HongChuan Jiang, Jie Xiong*, WanLi Zhang and Yanrong Li Yan et al. Characteristics of the Energetic Igniters Through Integrating Al/NiO Nanolaminates on Cr Film Bridge. Nanoscale Research Letters (2015) 10:504. DOI 10.1186/s11671-015-1204-9 [3]), состоящая из подложки (керамика, стекло, кремний и т.п.) на которой сформирован тонкопленочный резистивный мостик (из вольфрама, нихрома, титана, нитрида тантала, легированного кремния, платины и т.п.) с определенным сопротивлением в несколько единиц Ом. На концах резистивного мостика сформированы контактные площадки из проводящего материала (медь, алюминий, золото и т.п.) для подачи на резистивный мостик напряжения. На поверхности резистивного мостика располагается многослойная энергетическая пленка, состоящая из двух материалов типа Ni/Al, CuO/Al, Ti/Al, Pd/Al, NiO/Al, MoO₃/Al и т.п., обладающих эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Суть процесса СВС в следующем - при воздействии на поверхность пленки локального импульса энергии (от источника постоянного тока или от пламени свечи, или от пятна лазерного излучения, или от искры) происходит локальный нагрев и вспышка многослойной энергетической пленки и по ее объему распространяется так называемый фронт безгазового горения со скоростью (2-10) м/с. Температура пленки повышается до 1350°С- 1500°С (для пленки Ni/Al и Ti/Al) в течении долей секунд с выделением значительного количества тепла.

При пропускании через резистивный мостик электрического тока происходит нагрев и сгорание резистивного мостика и нагрев многослойной энергетической пленки в месте ее контакта с резистивным мостиком, в результате чего многослойная энергетическая пленка вспыхивает и воспламеняет контактирующий с ней пиротехнический состав.

Достоинства такой конструкции - площадь контактирования воспламеняющегося пиротехнического состава с нагретой поверхностью резистивного мостика с многослойной энергетической пленкой в десятки раз больше чем при отсутствии энергетической пленки, а также частицы материала, образующиеся при СВС реакции, распространяются над поверхностью воспламенителя на несколько мм. Это способствует более надежному воспламенению пиротехнического состава, размещаемого на поверхности резистивного мостика.

Недостаток такой конструкции - требуется значительное количество электрической энергии, необходимой для инициирования процесса СВС в многослойной энергетической пленке из-за низкой эффективности передачи тепла от нагретого резистивного мостика в месте его касания с энергетической пленкой. Значительная часть тепла от резистивного мостика уходит в материал подложки. Для электрической изоляции проводящей СВС пленки типа Ni/Al от резистивного мостика дополнительно используют диэлектрические тонкие пленки нитрида кремния, оксида кремния и т.п., или используют в первом слое СВС пленки оксиды металлов (CuO, NiO, MoO₃) имеющие диэлектрические свойства. Все это снижает эффективность передачи тепла от резистивного мостика к материалу СВС пленки, так как часть тепловой энергии экранируется диэлектрической пленкой.

Известна конструкция энергетического воспламенителя, в котором воспламенение СВС состава (многослойной энергетической пленки) происходит за счет прохождения тока через толщину СВС пленки. Конструкция энергетического воспламенителя (см. Shuai Fu, Ruiqi Shen*, Peng Zhu, Yinghua Ye. Metal-interlayer-metal structured initiator containing Al/CuO reactive multilayer films that exhibits improved ignition properties. Sensors and Actuators A 292 (2019) 198-204 [4], Peng Zhu, Ruiqi Shen, N. N. Fiadosenka, Yinghua Ye, and Yan Hu. Dielectric structure pyrotechnic initiator realized by integrating Ti/CuO-based reactive multilayer. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 109, 084523 (2011) [5]) представляет собой подложку, на которой сформирована конденсаторная структура воспламенителя в виде нижнего электрода из проводящего материала, поверх которого нанесена СВС пленка с нанесенным электродом из проводящего материала. В качестве СВС пленки в основном используется многослойная пленка типа СиО/Al [4], CuO/Ti [5]. Окись меди имеет высокое электрическое сопротивление (близкое к сопротивлению диэлектрических материалов), благодаря чему не происходит замыкания между собой нижнего и верхнего электродов конденсаторной структуры воспламенителя. При подаче на электроды электрического напряжения происходит пробой СВС пленки - образуется один или несколько каналов пробоя, в результате чего СВС материал нагревается джоулевым теплом, при этом воспламеняется многослойная энергетическая пленка с образованием СВС реакции.

Достоинства такой конструкции - простота изготовления и высокая температура (до 4000 К) образующаяся в процессе СВС реакций. Недостаток такой конструкции - для возникновения СВС реакции в первоначальный момент требуется подать на электроды большую величину напряжения (до сотен вольт), что в ряде случаев неприемлемо. Кроме того, активная область СВС пленки экранируется верхним электродом, что снижает эффективность работы такого воспламенителя: снижается температура вспышки и высота выброса прореагирующихся частиц в процессе СВС реакции. Также недостатком такой конструкции является наличие СВС пленки под верхним электродом, что создает трудности присоединения проволочных выводов методами контактной микросварки или пайки. При микросварке и пайке возникает нагрев СВС пленки, что может привести к преждевременной СВС реакции.

Известна конструкция энергетического воспламенителя (см. Xiaotun Qiu • Rui Tang • Ranran Liu • Hai Huang • Shengmin Guo • Hongyu Yu. A micro initiator realized by reactive Ni/Al nanolaminates. J Mater Sci: Mater Electron (2012) 23:2140-2144 DOI 10.1007/s 10854-012-0726-5 [6]) - прототип, состоящего из многослойной энергетической пленки Ni/Al с толщиной от 10 мкм. На подложке из кремния с покрытой пленкой двуокиси кремния располагается основная область с пленкой Ni/Al и узкая полоска из Ni/Al, примыкающая к основной области. На узкую полоску из Ni/Al подается напряжение 1,5 В. При пропускании тока полоска вспыхивает и инициирует вспышку основной области с Ni/Al пленкой. Здесь механизм инициирования СВС реакции за счет передачи тепла от узкой полоски пленки Ni/Al до основной области пленки Ni/Al.

Достоинство такой конструкции- для инициирования СВС реакции требуется низкий уровень подводимого напряжения не более 1.5 В.

Недостатки такой конструкции: 1-необходимо использовать достаточно толстые (более 10 мкм) многослойные энергетические пленки Ni/Al. Это связано с необходимостью получения высокой температуры горения пленки и высокой выделяемой энергии; 2-для толстых пленок Ni/Al (более 10 мкм) требуется большие уровни тока для инициирования СВС реакции. Также недостатком является то, что при вспышке полоски выделяющееся тепло может затухать по длине полоски и не передаваться на основную область энергетической пленки Ni/Al, тем самым снижается надежность срабатывания воспламенителя. Также полоска при пропускании тока может перегореть не доходя до места ее контактирования с основной областью энергетической пленки Ni/Al без ее воспламенения, что также снижает надежность срабатывания воспламенителя.

Задача изобретения - создание конструкции энергетического воспламенителя с низкой электрической мощностью воспламенения и высокой надежностью срабатывания воспламенителя. Предлагается конструкция энергетического воспламенителя, состоящая из диэлектрической платы с низкой теплопроводностью, на которой сформированы две контактные прямоугольные площадки из материала с высокой электропроводностью (медь, алюминий, золото и т.п.). На поверхности платы и поверхности контактных площадок дополнительно сформирована диэлектрическая пленка с отверстиями на концах контактных площадок, а на поверхности диэлектрической пленки располагается проводящая многослойная энергетическая пленка с эффектом СВС, при этом материал многослойной энергетической пленки контактирует с одной из контактных площадок через маленькое отверстие в диэлектрической пленке и контактирует с другой контактной площадкой через большое отверстие в диэлектрической пленке. Применение плат с низкой теплопроводностью позволяет снизить энергию необходимую для приведения в действие энергетического воспламенителя за счет уменьшения отвода тепла в материал платы. Типичная толщина металлизации контактных площадок 0,5-2 мкм. Поверх части контактных площадок нанесена тонкая диэлектрическая пленка (полиимид, двуокись кремния, фоторезист и т.п.) в которой на конце одной из контактной площадки выполнено отверстие диаметром 50-100 мкм, а на конце другой контактной площадки выполнено отверстие с диаметром 200 - 500 мкм. Часть контактных площадок не покрывается диэлектрической пленкой и используется для подачи электрического напряжения. Типичная толщина диэлектрической пленки 3-4 мкм. На диэлектрической пленке располагается проводящая многослойная энергетическая пленка с эффектом СВС с толщиной от 5 мкм до 20 мкм. Материал СВС пленки через отверстия в диэлектрической пленке контактирует с одной стороны с контактной площадкой через маленькое отверстие, с другой стороны через большое отверстие с другой из контактных площадок. При этом получается следующий путь для прохождения электрического тока при подаче напряжения на контактные площадки: первая контактная площадка-материал СВС пленки в большом отверстии-СВС пленка-материал СВС пленки в маленьком отверстие-вторая контактная площадка. Получается своеобразный вертикальный резистивный мостик в маленьком отверстии. Наибольшее электрическое сопротивление на этом пути прохождения тока будет на участке: материал СВС пленки в маленьком отверстие. При приложении тока максимальная электрическая мощность будет выделяться в многослойной энергетической пленке находящейся в маленьком отверстии. При достаточной величине тока будет происходить нагрев многослойной энергетической пленки с последующим перегоранием материала многослойной энергетической пленки в маленьком отверстии. При этом произойдет СВС реакция материала в маленьком отверстии и основной области многослойной энергетической пленки, располагающейся над маленьким отверстием, в виде яркой вспышки с температурой от 1300°С до 2000°С (зависит от материала многослойной энергетической пленки). При этом реализуются два механизма инициирования СВС реакции: 1-за счет передачи тепла от сгоревшего материала в маленьком отверстие на основную область СВС пленки; 2-за счет образования искры при перегорании СВС пленки в маленьком отверстии на расстоянии: поверхность контактной площадки-толщина диэлектрической пленки до поверхности основной области СВС пленки. По сравнению с прототипом увеличивается надежность срабатывания энергетического воспламенителя из-за минимального пути прохождения СВС реакции, равного толщине диэлектрической пленки. Также для инициирования СВС реакции используются источники питания с низким напряжением.

Предлагаемая конструкция энергетического воспламенителя показана на фиг. 1 (а,б). Фиг. 1а-вид сверху, фиг. 1б - вид сбоку. Здесь: 1-диэлектрическая плата из материала с низкой теплопроводностью; 2 и 7-контактные площадки из проводящей пленки (алюминия, меди, серебра, золота и т.п.); 3-диэлектрическая пленка (полиимид, фоторезист, оксид кремния и т.п.); 4 - основная область-многослойная проводящая энергетическая пленка (Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al и т.п.); 5 - большое отверстие в диэлектрической пленке 3 заполненное проводящим материалом многослойной энергетической пленки 4 и контактирующей с материалом контактной площадки 5; 6- маленькое отверстие в диэлектрической пленке 3, заполненное материалом энергетической пленки 4 и контактирующей с контактной площадкой 7. В качестве плат с низкой теплопроводностью могут быть использованы керамические, кварцевые и стеклянные подложки, покрытые диэлектрической пленкой с низкой теплопроводностью (например полиимидной пленкой с теплопроводностью до 0.2 Вт/м⋅К), платы из стеклотекстолита (теплопроводность (0.4-0.5) Вт/м⋅К) и т.п.

Здесь толщина металлизации контактных площадок выбирается в диапазоне 0,5-1,5 мкм. Удельное объемное сопротивление материала металлизации должно быть меньше, чем удельное объемное сопротивление СВС материала в маленьком отверстии в диэлектрической пленке. Исходя из этого минимальная толщина установлена на уровне 0,5 мкм. Максимальная толщина металлизации контактных площадок установлена на уровне 1,5 мкм, исходя из того чтобы не было замыкания СВС пленки через диэлектрическую пленку с минимальной толщиной 2 мкм на краях контактных площадок. Минимальная толщина диэлектрической пленки установлена на уровне 2 мкм, а максимальная толщина диэлектрической пленки установлена на уровне 4 мкм, при этом реализуются два механизма инициирования СВС реакции: 1-за счет передачи тепла от сгоревшего материала в маленьком отверстии на основную область СВС пленки; 2-за счет образования искры при перегорании СВС пленки в маленьком отверстии на расстоянии от поверхности контактной площадки-толщина диэлектрической пленки до поверхности основной области СВС пленки. При большей толщине диэлектрической пленки требуются более высокие напряжения для образования искры, что в ряде случаев неприемлемо.

Диаметр маленького отверстия в диэлектрической пленке установлен на уровне 50-100 мкм, при этом обеспечиваются необходимое повышенное сопротивление (по сравнению с сопротивлением материала контактных площадок и сопротивлением основной области СВС пленки), а также образующаяся теплота в маленьком отверстии достаточна для инициирования СВС реакции в основной области СВС пленки. Результаты экспериментов показали, что при диаметре отверстия менее 50 мкм ряд изготовленных образцов энергетических воспламенителей не срабатывал. Энергетические воспламенители имели сопротивление 0,2-0,5 Ом. При диаметре отверстия больше 100 мкм сопротивление резко уменьшается и требуется более высокий ток для инициирования СВС реакции, что в ряде случаев неприемлемо. Диаметр большого отверстия выбирается в диапазоне 200-500 мкм исходя из того чтобы сопротивление СВС материала в этом отверстии было бы в несколько раз меньше сопротивления материала в маленьком отверстии, при этом максимальная энергия выделяется в маленьком отверстии. Отверстия в диэлектрической пленке могут быть любой конфигурации, круглые квадратные, прямоугольные и т.п. Также контактные площадки кроме прямоугольной конфигурации могут иметь и другую конфигурацию (треугольную, прямоугольную изогнутую и т.п.)

Толщина СВС пленки выбирается в пределах от 5 мкм до 20 мкм. При толщине СВС пленки менее 5 мкм выделяющейся энергии может быть недостаточно для распространения и поддержания СВС реакции по длине основного СВС состава (из-за отвода тепла в материал платы), а также для поджига пиротехнического состава, контактирующего с СВС пленкой. При толщине СВС пленки более 20 мкм увеличиваются затраты на ее изготовление. СВС пленки толщиной от 5 мкм до 20 мкм достаточно для поджига типичных пиротехнических составов.

На основе предложенных решений были изготовлены энергетические воспламенители со следующими конструктивными характеристиками. В качестве плат использовались подложки из ситалла СТ50-1 с теплопроводностью 1.4 Вт/м⋅К, поверхность которых дополнительно покрывалась полиимидной пленкой для уменьшения общей теплопроводности. Контактные площадки изготавливались из пленок меди, толщиной 1 мкм. В качестве диэлектрика использовалась полиимидная пленка толщиной 2 мкм. Диаметр маленького отверстия составлял 50 мкм, а большого 500 мкм. СВС пленка изготавливалась на основе многослойной энергетической пленки Ni/Al, толщиной 15 мкм. Были получены энергетические воспламенители с сопротивлением 0,2-0,5 Ом, которые срабатывали от пускового конденсатора емкостью 47 мкФ и напряжением от 5 В. Надежность срабатывания воспламенителей при напряжении 10 В от конденсатора 47 мкФ составляла 100%.

Изобретение относится к области взрывных работ при добыче полезных ископаемых, а также может быть использовано при приведении в действие подушек безопасности автомобилей путем воспламенения пиротехнического состава, контактирующего с энергетическим воспламенителем. Энергетический воспламенитель состоит из платы со сформированными на ней контактными площадками толщиной 0,5-1,5 мкм. На части поверхности контактных площадок сформирована диэлектрическая пленка толщиной 2-4 мкм с отверстиями, сопряженными с внутренними концами контактных площадок. Внешние концы контактных площадок для подачи электрического напряжения не покрыты диэлектрической пленкой. На поверхности диэлектрической пленки расположена проводящая многослойная энергетическая пленка с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) толщиной 5-20 мкм. Материал многослойной энергетической пленки контактирует с одной из контактных площадок через маленькое отверстие диаметром 50-100 мкм в диэлектрической пленке, а с другой контактной площадкой - через большое отверстие диаметром 200-500 мкм. Техническим результатом является создание конструкции энергетического воспламенителя с низкой электрической мощностью воспламенения и высокой надежностью срабатывания воспламенителя. 1 ил.

Энергетический воспламенитель, состоящий из платы со сформированными на ней контактными площадками толщиной 0,5-1,5 мкм, на части поверхности которых сформирована диэлектрическая пленка толщиной 2-4 мкм с отверстиями, сопряженными с внутренними концами контактных площадок, при этом внешние концы контактных площадок для подачи электрического напряжения не покрыты диэлектрической пленкой, на поверхности диэлектрической пленки расположена проводящая многослойная энергетическая пленка с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) толщиной 5-20 мкм, при этом материал многослойной энергетической пленки контактирует с одной из контактных площадок через маленькое отверстие диаметром 50-100 мкм в диэлектрической пленке, а с другой контактной площадкой - через большое отверстие диаметром 200-500 мкм.