RU2789018C1

RU2789018C1 - Method for electrical initiation of the reaction of self-propagating high-temperature synthesis in multilayer reaction energy foil

Info

Publication number: RU2789018C1
Application number: RU2021136047A
Authority: RU
Inventors: Иван Александрович Корж
Original assignee: Акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (АО "ОНИИП")
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-01-27

Abstract

FIELD: physical chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to the use of materials in the form of multilayer reactive energy foils with the effect of self-propagating high-temperature synthesis (SHS). Moreover, the initiation of the SHS reaction should be carried out from a low-current voltage source, for example, from a charged capacitor. The expected result is achieved by forming a photoresistive mask with at least two holes on the surface of the reaction energy foil. The holes are filled with conductive glue. Electrodes are glued to the glue drops, which serve to supply current to the surface of the foil. The electrodes can be in the form of thin wires (0.1-0.2 mm), or thin copper strips (up to 0.1 mm). The conductive glue fills the hole with a diameter d and a length l (the thickness of the photoresistive mask), while after drying and polymerization of the glue, a cylindrical resistor is built into the photoresist with terminals in the form of two electrodes (wires, copper strips).

EFFECT: developing a method for the electrical initiation of an SHS reaction by passing current through contacts attached to the surface of multilayer reaction energy foil.

8 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

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.The invention relates to the field of using materials in the form of multilayer reactive energy foils with the effect of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) and can be used to initiate an SHS reaction in such foils used in energy igniters, local heat sources, etc.

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.Multilayer reactive energy foil consists of alternating nanolayers of materials (for example, Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al) with a total of several thousand pieces. Alternating nanolayers are called a bilayer. The thickness of the bilayer is typically (10-100) nm. The foil can be both fixed on a substrate on which alternating nanolayers of materials are deposited, and in the form of a free-standing (ie, separated from the substrate) foil. The total thickness of the foil can be tens of microns. The essence of the SHS process is as follows - when a local energy pulse is applied to the edge of the foil (from a direct current source or from a candle flame, or from a laser radiation spot), the foil flashes and the so-called gasless combustion front propagates over its volume at a speed of (2-10) m/s. The temperature of the foil rises to 1350° C.-1500° C. (for Ni/Al foil) within fractions of a second with a significant amount of heat released.

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.A known method of electrical initiation of the SHS reaction by point contact with electrodes connected to a current source, to the surface of a multilayer reaction energy foil. In this case, at the moment of contact, a spark discharge occurs, leading to local heating at the point of contact and the occurrence of an SHS reaction [1, 2, 3]. The advantage of the method is that to initiate the SHS reaction, current sources with low voltage and low current values are applicable. Enough [3] current source with parameters of 10 A and 5 V. The disadvantage of this method is the impossibility of its application in those cases where touching the electrodes of the foil is physically impossible. For example, when the multilayer reaction energy foil is in a closed hermetic case, in which the touch procedure is difficult to carry out.

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⋅10⁶ А/см² а при диаметре электродов 54 мкм - 0,36⋅10⁶ А/см². 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⋅10⁶ А/см² до 4,5⋅10⁶ А/см². 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.The closest analogues to the claimed method is the method of electrical initiation of the SHS reaction using ohmic heating by constantly pressing the electrodes to the surface of the multilayer reaction energy foil [2, 3]. When current is passed, the reaction energy foil is locally heated between the pressed electrodes to the temperature at which the SHS reaction begins. It was shown in [2] that initiation of the SHS reaction with an electrode diameter of 27 µm requires a current density of 2⋅10 ⁶ A/cm ² and with an electrode diameter of 54 µm - 0.36⋅10 ⁶ A/cm ² . On fig. 2 [2] shows that the ignition of a multilayer energy reaction foil occurs at a current of 150 A with a duration of current exposure of 50 μs. As the Ni/Al bilayer increases from 50 nm to 100 nm, the current density required to ignite the foil (initiate the SHS reaction) increases from 2⋅10 ⁶ A/cm ² to 4.5⋅10 ⁶ A/cm ² . This method can be used when the reaction foil is in a closed volume by placing the electrodes on the surface of the foil in advance. The disadvantages of this method are: 1 - high currents are required [3] to initiate the SHS reaction (for a contact diameter of 15 μm, the current is (100-120) A, and for a contact diameter of 300 μm, the current is (250-300) A, which in in some cases unacceptable; 2 - powerful power sources are required; 3 - large dimensions of the attachment points of the electrodes to the foil surface; 4 - low reliability at the points of contact of the electrodes with the surface of the reactive energy foil due to a possible disruption of contacts associated with the fragility of the reactive energy foil.

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.The purpose of the invention is to develop a method for electrically initiating an SHS reaction by passing current through contacts attached to the surface of a multilayer reaction energy foil. Moreover, the SHS reaction should be initiated from a low-current (up to several tens of amperes) voltage source, for example, from a charged capacitor. In this case, the electrodes supplying current to the foil must have a reliable mechanical fastening that does not lead to mechanical destruction of the brittle foil.

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=πd²/4. 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=I²R, 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.This goal is achieved in the following way. On the surface of the reactive energy foil, a photoresistive mask is formed by photolithography methods, with at least two holes. The holes are filled with conductive adhesive. Electrodes are glued to the drops of glue placed on the surface of the photoresistive mask, which serve to supply current to the surface of the foil. The electrodes can be in the form of thin wires (0.1-0.2 mm), or thin copper strips (up to 0.1 mm). The conductive glue fills the hole with a diameter d and a length l (the thickness of the photoresistive mask), and after drying and polymerization of the glue, a cylindrical resistor built into the photoresist is obtained with leads in the form of two electrodes (wires, copper strips). The curing modes of the conductive adhesive used are given in the technical documentation for a specific brand of adhesive. One of the contact pads of the resistor is the surface of the multilayer reaction energy foil, and the other pad is an electrode attached to a drop of glue on the surface of the photoresistive mask. The resistor has the following resistance: R=ρl/s, where ρ is the specific volume resistance of the conductive adhesive, l is the length of the cylindrical resistor, equal to the thickness of the photoresistive mask, s is the cross-sectional area of the resistor, s=πd ² /4. Contact pads - the lead-in electrodes of the resistor have a resistance much less than the resistance of the resistor built into the photoresistive mask from conductive glue. So, for example, for a resistor based on conductive adhesive brand ECHE-S, 1 µm long and 100 µm in diameter, the measured average resistance is 0.8 Ohm, and for a resistor with a diameter of 200 µm, the measured average resistance is 0.6 Ohm. These resistances are hundreds of times greater than the resistance of the resistor contacts (foil and lead-in electrodes). Conductive adhesives are a composition based on epoxy resin with the addition of a plasticizer, filler (fine silver) and hardener. When a voltage U is applied, the current I will go both through the foil and through the resistors made of conductive glue, and power P=I ² R will be released on the resistors, where I=U/R. The results of the experiments showed that the glue column in the hole of the photoresistive mask has a spherical shape at the point of contact with the foil surface. At the point of contact, a local increased resistance of the built-in cylindrical resistor is formed, which contributes to an increase in local energy in the form of heat generated at this point when current passes through this resistor. The spherical shape of the glue column in the hole is formed during the drying and polymerization of the conductive adhesive due to internal tension forces. The applied voltage and the geometric dimensions of the resistors (resistor length, resistor diameter) are experimentally selected in such a way that the voltage of a charged capacitor up to 25 V with a capacity of up to 470 μF is enough to flash the resistor, as a result of which it burns out. During the flash, a local temperature is formed that is sufficient to ignite the multilayer reaction energy foil and initiate the SHS reaction. To obtain the required resistance of resistors from conductive glue, from one to several (2 or more) resistors are formed under each current-carrying electrode. This also helps to increase the reliability of electrode attachment to the foil surface. One row of holes is made larger than the dimensions of the other row of holes. Conductive glue is applied to large holes and an electrode is glued to apply voltage to the surface of the foil (this is a low-resistance contact). The diameter of large holes and their number is selected so that the resistance of the conductive adhesive in these holes is close to the resistance of the foil (tens of times less than the resistance of the conductive adhesive in small holes of 200 microns or less). This is done so that the power released from the passed current is concentrated on one row of built-in resistors made of conductive glue. Thus, to initiate the SHS reaction in the foil, a current source with a power approximately two times lower than when using two rows of built-in resistors with the same resistance values is required. Conductive adhesives, as a rule, have a low peel strength when gluing wires, therefore, additional leads can be attached to the foil surface using conventional non-conductive adhesives such as VK-9, K-400, etc. The length of the resistor is chosen equal to the thickness of the photoresist film and is 1.0±0.1 µm. This is a typical photoresist thickness used in the fabrication of integrated circuits. At higher thicknesses, the length of the resistor increases and the resulting heat zone during the combustion of the resistor will be located at a greater distance from the surface of the reaction energy foil, thereby the SHS reaction may not occur. With a smaller thickness of the photoresist film, its mechanical strength decreases and the resistance of the built-in resistor decreases, which will require an increase in current strength to initiate a flash of the resistor, or in order to maintain a given resistance, it will be necessary to reduce the diameter of the resistor (the diameter of the holes in the photoresist film), which will lead to a decrease in the amount of thermal energy applied to the surface of the foil. Instead of a photoresistive film, a thin dielectric film can also be used, for example, from aluminum oxide, silicon dioxide, neodymium monoaluminate, etc., in which the necessary holes are formed by photolithography. However, this increases the complexity of manufacturing built-in resistors due to an increase in the number of operations for the formation of a dielectric mask. As conductive adhesives, a large number of different brands produced by NIIEM JSC can be used, for example, TOK-1, TOK-2, ECHE-S, EPE, TPK-1S, Irpol-5, KPS-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.The proposed method for electrically initiating the SHS reaction is shown in FIG. 1 (a, b). Here: 1 - multilayer reaction energy foil; 2 - current supply wires; 3 - a drop of conductive glue on the surface of the photoresistive mask 4; 4 - photoresist mask; 5 - resistor based on conductive adhesive. In FIG. 2 shows fragment A of FIG. 1, - resistor design based on conductive adhesive. Here: d is the diameter of the resistor; l is the length of the resistor; 6 - spherical surface at the point where the resistor touches the foil surface, other designations are the same as in Fig. 1.

Работоспособность предложенного способа подтверждается следующими примерами конкретного исполнения.The operability of the proposed method is confirmed by the following examples of a specific implementation.

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.A multilayer reactive energy Al/Ni foil 40 µm thick was used, on which a photoresistive mask was formed from photoresist FP-383 with a thickness of 1.0 ± 0.1 µm using photolithography. In the photoresistive mask, a row of holes was formed, 4 in each. with a diameter of 2 mm and parallel to this a series of holes of 2 pcs. with a diameter of 0.1 mm and 0.2 mm. The holes were filled with ECHE-S conductive adhesive. Above the holes, tubercles were created from conductive glue, to which copper strips 3 × 5 mm, 0.035 mm thick, were glued. The glue was dried at a temperature of 100°C for 4 hours. Wires for supplying electric current were preliminarily soldered to the copper strips. The resistance of the conductive adhesive in 4 holes with a diameter of 2 mm was (0.04-0.06) Ohm, and the resistance of the conductive glue in double holes (0.1-0.2) mm was from 0.4 Ohm to 0.3 Ohm, i.e. e. (5-10) times higher. The resistance of the foil section between the holes was 0.002 Ohm, and when the current passed through it, the released power was negligible. Also, the released power was also insignificant at the point where the electrode was attached to holes 2 mm in diameter filled with conductive glue. To increase the mechanical tear strength, the electrodes for supplying electric current are additionally attached to the surface of the photoresistive film with a non-conductive adhesive.

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=I²R 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.The SHS reaction was initiated from charged capacitors with a capacity of 200 μF and 470 μF. When current passes through the chain: lead wire - electrode - conductive adhesive in holes 2 mm - reaction foil between holes - conductive glue in holes (0.1-0.2) mm - electrode - lead wire, maximum power according to the formula, P= I ² R stood out on the built-in resistors in the holes (0.1-0.2) mm. When voltage was applied from a charged capacitor, the built-in resistors burned out from the current passing through them, while local heat was released sufficient to initiate the SHS reaction (local thermal heating occurred). The results of the experiments are shown in the table.

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.It follows from the table that the SHS reaction is confidently initiated from a charged capacitor with a capacity of 470 μF at a voltage of (10-15) V and from a charged capacitor with a capacity of 200 μF at a voltage of (20-25) V. The current from the discharge of the capacitor varied within (15-50 ) And depending on the resistance of the built-in resistor made of conductive adhesive. Such currents passed through the built-in resistors for 50–100 μs, which was sufficient to initiate the SHS reaction in the multilayer energy foil. Compared with the prototype, (5-10) times lower current values are required to initiate the SHS reaction.

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.The diameter of the built-in resistors was chosen in the range (0.1-0.2) mm. With a diameter of less than 0.1 mm, although the resistance of the built-in resistor increased, the strength of the connection of the current-supplying electrodes with the help of conductive glue decreased. With a smaller diameter, it is also difficult to fill the hole with conductive adhesive due to its low fluidity. When using a conductive adhesive with high fluidity, it is possible to reduce the diameter of the holes in the photoresistive film to a few microns. The diameter of the holes in which the resistors are formed from conductive glue, and their number under each of the electrodes supplying current, is selected experimentally from the conditions imposed on the thickness of the reaction energy foil, on the magnitude of the applied electrical voltage and current passing through the resistors, on the specific volume resistance of the conductive enough adhesive to heat up and flash the resistors and initiate the SHS reaction.

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.With a diameter greater than 0.2 mm, the resistance of the built-in resistor decreased, and the power released on it from a charged capacitor with a capacity of up to (200-470) μF was not enough to initiate the SHS reaction. It is possible to increase the capacitance of the capacitor up to tens of thousands of microfarads in order to increase the discharge current, but this significantly increases the overall dimensions of the capacitor, which in some cases is unacceptable. We used small-sized tantalum capacitors to initiate the SHS reaction. Tantalum capacitors are produced in the form of chip components with dimensions: 7.3 × 4.3 mm - 470 μF 16 V, and 6.0 × 3.2 mm - 100 μF 25 V and with a parallel connection of 6.0 × 6.2 mm - 200 uF 25 V. Such capacitors are suitable for creating miniature devices using multilayer reactive energy foil.

Источники информацииSources of information

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, 1262-1264.1. E. 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).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 guide3. www.indium.com/nanofoil/nanofoil user guide

Claims

1. A method for electrically initiating the reaction of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in a multilayer reactive energy foil, including operations of local thermal heating of the foil by passing current through metal probes in contact with its surface, characterized in that local thermal heating of the foil is carried out by means of resistors built-in into the holes of the dielectric film located on the surface of the foil, through which a current is passed through the electrodes connected to the resistors, sufficient to heat and burn out the resistors and lead to local thermal heating and initiation of the SHS reaction.

2. The method according to claim 1, characterized in that a cured conductive adhesive is used as the material of the resistors.

3. The method according to claim 1, characterized in that a photoresist film with through holes is used as a dielectric film for the location of a conductive adhesive forming a built-in resistor.

4. The method according to p. 1, characterized in that the length of the resistors is chosen in the range of 1.0 ± 0.1 μm.

5. The method according to claim 1, characterized in that on the surface of the photoresistive film in the places of the holes, tubercles are created from a cured conductive adhesive, to which electrodes for supplying electric current are glued.

6. The method according to claim 1, characterized in that the electrodes for supplying electric current are additionally attached to the surface of the photoresistive film with a non-conductive adhesive.

7. The method according to claim 1, characterized in that the diameter of the holes in which resistors are formed from conductive glue, and their number under each of the current-supplying electrodes is chosen experimentally from the conditions imposed on the thickness of the reaction energy foil, on the magnitude of the applied electrical voltage and current passing through the resistors to the specific volume resistance of the conductive adhesive, sufficient to heat up and flash the resistors and initiate the SHS reaction.

8. The method according to claim 1, characterized in that at the point where the built-in resistor touches the surface of the multilayer reactive energy foil, contact is formed with a spherical surface shape during drying and polymerization of the conductive adhesive.