具有强点火能力的含能薄膜Ni-Cr桥丝火工品的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有强点火能力的含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备方法。所述的含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品是采用组装的方式将负载叠氮亚铜的含能薄膜与Ni‑Cr桥丝火工品集成得到，具体是在导电碳骨架上电化学沉积铜源，经过液‑固叠氮法得到叠氮亚铜薄膜，利用桥丝火工品压帽将裁剪好的叠氮亚铜薄膜和桥丝火工品集成固定。本发明方法简单高效，含能薄膜上的叠氮亚铜均匀分布在碳纤维上，集成后的Ni‑Cr桥丝火工品通过负载叠氮亚铜薄膜能够在点火过程中产生高温复合火焰，提高了Ni‑Cr桥丝火工品的输出能量，增强了对二级装药的点火能力，降低了静电感度，具有高输出能力、高安全性的特点。

权利要求

1.具有强点火能力的含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，以水为溶剂，五水硫酸铜为铜源，氯化钠和二水合柠檬酸钠为添加剂，导电碳骨架作为阴极电极，采用两步电泳沉积的方式在导电碳骨架上包覆铜层；

步骤2，以包覆铜层的导电碳骨架作为阳极电极，以叠氮盐的水溶液为电解液，在通电条件下完成导电碳骨架负载铜源的叠氮化，得到叠氮亚铜薄膜；

步骤3，将叠氮亚铜薄膜和Ni‑Cr桥丝火工品组装集成，并以Ni‑Cr桥丝压帽固定。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的导电碳骨架为碳纤维纸。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的五水硫酸铜的浓度为

0.01～0.2mol/L。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的氯化钠或二水合柠檬酸钠的浓度为1～5mmol/L。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的两步电泳沉积的参数

2 2

为：电流密度1～5mA/cm ，沉积时间为15～30min；电流密度20～40mA/cm ，沉积时间为5～

10min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的叠氮盐为叠氮化钠或叠氮化钾，叠氮盐浓度为0.01～1mol/L。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，通电条件为恒电压或恒电流模式。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，通电条件为恒电流模式时，2

电流密度为0.5～5mA/cm，叠氮化时间为10min～50min。

说明书

具有强点火能力的含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于Ni‑Cr桥丝火工品的制备技术领域，涉及一种具有强点火能力的含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备方法。

背景技术

[0002] Ni‑Cr桥丝是一种将电能转换为热能的换能元，常用于将电能转换为药剂发火能量的装置，例如武器、航空航天飞行器的点火和分离装置。随着火工品技术的发展，Ni‑Cr桥丝火工品由于输出能量低，作用时间长，其应用受到了极大的限制。

[0003] 为了增强Ni‑Cr桥丝火工品的发火能力，目前常见的是在Ni‑Cr桥丝表面负载一层含能药剂，其中最常见的药剂是铜的叠氮化物。叠氮化铜作为一种高能量密度的含能材料，其起爆威力高于传统起爆药史蒂芬酸铅和叠氮化铅，其起爆太安的极限药量仅为史蒂芬酸铅的1/6，能够有效降低敏感药剂的装药量，提高安全性。叠氮化铜具有高能量输出、环境友好等优点，但是它的静电感度高，无法进行大规模的生产应用。

[0004] YeYinghua等(Wang Q,Han J,Zhang Y,et al.Fabrication of Copper Azide Film through Metal–Organic Framework for Micro‑Initiator Applications[J].ACS applied materials&interfaces,2019,11(8):8081‑8088.)利用原位沉积多孔铜，通过气‑固侵蚀的方法得到负载叠氮化铜的Ni‑Cr桥丝微点火器。静电感度大幅度降低，其静电安全性得到了改善，但发火火焰小，无明显改善。

[0005] WenchaoZhang等(Yu C,Zhang W,Guo S,et al.A safe and efficient liquid‑solid synthesis for copper azide films with excellent electrostatic stability[J].Nano Energy,2019,66:104135.)利用原位沉积铜，通过液‑固叠氮的方法得到负载叠氮化铜的Pt‑W桥丝火工品。复合后的Pt‑W桥丝火工品输出能力有了较大提升，其发火能力更加优异，火焰高度约为5mm。

[0006] 上述研究表明，导电骨架材料能够有效转移电荷，减少产生静电，从而提高叠氮化铜材料的抗静电能力；铜的叠氮化物能够提高桥丝火工品的输出能力。但是，上述方法还存在着明显的缺陷。原位合成均是在潮湿甚至液体环境中进行，对Ni‑Cr桥丝具有一定的腐蚀效果。另外，由于Ni‑Cr桥丝尺寸小，其原位合成操作较为麻烦。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、高安全的具有强点火能力的含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备方法。

[0008] 实现本发明目的的技术解决方案为：

[0009] 具有强点火能力的含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备方法，采用导电碳骨架均匀负载铜源，通过液‑固电化学辅助使前驱体完成叠氮化，并将叠氮亚铜薄膜和传统Ni‑Cr桥丝组装集成，具体步骤如下：

[0010] 步骤1，以水为溶剂，五水硫酸铜为铜源，氯化钠和二水合柠檬酸钠为添加剂，导电碳骨架作为阴极电极，采用两步电泳沉积的方式在导电碳骨架上包覆铜层(Cu‑C)；

[0011] 步骤2，以包覆铜层的导电碳骨架作为阳极电极，以叠氮盐的水溶液为电解液，在通电条件下完成导电碳骨架负载铜源的叠氮化，得到叠氮亚铜薄膜；

[0012] 步骤3，将叠氮亚铜薄膜和Ni‑Cr桥丝火工品组装集成，并以Ni‑Cr桥丝压帽固定。

[0013] 步骤1中，所述的导电碳骨架为本领域常规使用的导电碳骨架材料，在本发明具体实施方式中，采用的导电碳骨架为碳纤维纸。

[0014] 优选地，步骤1中，所述的五水硫酸铜的浓度为0.01～0.2mol/L。

[0015] 优选地，步骤1中，所述的氯化钠和二水合柠檬酸钠的浓度均为1～5mmol/L。

[0016] 优选地，步骤1中，所述的两步电泳沉积的参数为：电流密度1～5mA/cm2，沉积时间2
为15～30min；电流密度20～40mA/cm，沉积时间为5～10min。

[0017] 步骤2中，利用电流刺激下叠氮根离子的迁移，完成导电骨架负载铜源的叠氮化，实现导电骨架内叠氮化铜晶体的均匀分布。优选地，所述的叠氮盐为叠氮化钠或叠氮化钾，叠氮盐浓度为0.01～1mol/L。

[0018] 优选地，步骤2中，通电条件可以是恒电压或恒电流模式；采用恒电流模式时，电流2
密度为0.5～5mA/cm，叠氮化时间为10min～50min。

[0019] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：

[0020] (1)采用导电碳骨架均匀负载叠氮化铜，有效避免叠氮亚铜的团聚，减少静电的产生，另外导电骨架能有效转移电荷，减少静电的积累，从而提高抗静电能力；

[0021] (2)含能薄膜与Ni‑Cr桥丝组装集成极为方便，具有工艺简单、成本低廉的优势，得到的含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品具有高安全性、高输出能量的优点。

附图说明

[0022] 图1为导电骨架负载叠氮亚铜材料的XRD谱图。

[0023] 图2为导电骨架负载叠氮亚铜材料的FTIR谱图。

[0024] 图3为导电骨架负载叠氮亚铜材料的XPS谱图。

[0025] 图4为导电骨架负载叠氮亚铜材料的SEM图。

[0026] 图5为导电骨架负载叠氮亚铜材料的静电感度对比图。

[0027] 图6为含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的点火高速摄影图。

具体实施方式

[0028] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，本发明的实施方式仅用于解释本说明，不会对本发明构成任何限定。

[0029] 实施例1

[0030] 含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备，具体步骤如下：

[0031] 步骤一，以去离子水为溶剂，配置0.1M的硫酸铜溶液，添加浓度均为5mM的氯化钠和二水合柠檬酸钠，碳纸作为阴极电极，采用两步电泳沉积的方式在碳纤维纸上包覆铜层，2 2
电泳参数为首先3mA/cm时沉积25min，后30mA/cm时沉积5min；

[0032] 步骤二，以步骤一所得的Cu‑C为阳极，以0.02M的叠氮化钠水溶液为电解液，在电2
流密度为2mA/cm时叠氮反应30min，洗涤干燥，得到叠氮亚铜薄膜；

[0033] 步骤三，将裁剪好的叠氮亚铜薄膜和Ni‑Cr桥丝火工品组装集成，并以Ni‑Cr桥丝压帽固定。

[0034] 实施例2

[0035] 含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备，具体步骤如下：

[0036] 步骤一，以去离子水为溶剂，配置0.2M的硫酸铜溶液，添加浓度均为5mM的氯化钠和二水合柠檬酸钠，碳纸作为阴极电极，采用两步电泳沉积的方式在碳纤维纸上包覆铜层，2 2
电泳参数为首先1mA/cm时沉积30min，后20mA/cm时沉积10min；

[0037] 步骤二，以步骤一所得的Cu‑C为阳极，以0.01M的叠氮化钠水溶液为电解液，在电2
流密度为5mA/cm时叠氮反应10min，洗涤干燥，得到叠氮亚铜薄膜；

[0038] 步骤三，将裁剪好的叠氮亚铜薄膜和Ni‑Cr桥丝火工品组装集成，并以Ni‑Cr桥丝压帽固定。

[0039] 实施例3

[0040] 含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的制备，具体步骤如下：

[0041] 步骤一，以去离子水为溶剂，配置0.05M的硫酸铜溶液，添加浓度均为1mM的氯化钠和二水合柠檬酸钠，碳纸作为阴极电极，采用两步电泳沉积的方式在碳纤维纸上包覆铜层，2 2
电泳参数为首先5mA/cm时沉积15min，后40mA/cm时沉积5min；

[0042] 步骤二，以步骤一所得的Cu‑C为阳极，以0.02M的叠氮化钠水溶液为电解液，在电2
流密度为3mA/cm时叠氮反应20min，洗涤干燥，得到叠氮亚铜薄膜；

[0043] 步骤三，将裁剪好的叠氮亚铜薄膜和Ni‑Cr桥丝火工品组装集成，并以Ni‑Cr桥丝压帽固定。

[0044] 实施例4

[0045] 1.XRD表征

[0046] 以实施例1样品为例，图1为对应样品叠氮化前和叠氮化后的XRD谱图。可以明显看出叠氮反应后增加了强烈的叠氮亚铜的特征峰。

[0047] 2.FTIR表征

[0048] 以实施例1样品为例，图2为对应样品的FTIR谱图。可以明显看出2035cm‑1和‑1 ‑12079cm 存在两个强烈的特征峰，这是属于氮氮三键的典型非对称特征峰，1295cm 和‑1 ‑1
1338cm 存在两个较弱的特征峰，这是属于氮氮三键的典型对称特征峰，在668cm 出现属于Cu‑N的特征峰。

[0049] 3.XPS表征

[0050] 以实施例1样品为例，图3是对应样品的XPS图。在399eV出现了属于N1s的特征峰，‑并分裂成两个属于N3基团的小峰，分别位于397.6eV and 401.5eV。

[0051] 4.SEM表征

[0052] 以实施例1样品为例，图4是对应样品的SEM图。可以明显看出碳骨架上负载的铜源有着明显的叠氮化反应，每根纤维上都均匀分布中片层组成的花簇状叠氮亚铜。

[0053] 5.静电感度

[0054] 以实施例1样品为例，图5是对应样品的静电感度与部分已发表铜的叠氮化物的静电感度的对比图。可以明显看出碳骨架上负载的叠氮亚铜具有优秀的静电感度，其50％发火能量达4.81mJ。

[0055] 6.含能薄膜Ni‑Cr桥丝火工品的点火测试

[0056] 以实施例1样品为例，图6是对应样品与Ni‑Cr桥丝组装集成后的点火图，可以明显看出集成后的含能薄膜Ni‑Cr桥丝的火焰强度得到了极大的提升，其火焰高度达10mm，引发下级装药能力得到增强。

[0057] 对比例1

[0058] 本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是步骤一中的两步电泳沉积法的参数2 2
不同，电泳参数为首先10mA/cm时沉积10min，后40mA/cm时沉积5min，结果显示碳纤维上的铜层包裹不均匀，以较大的铜颗粒团聚分布，不利于步骤二的叠氮化。

[0059] 对比例2

[0060] 本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是步骤一中的两步电泳沉积法的参数2 2
不同，电泳参数为首先2mA/cm时沉积10min，后15mA/cm时沉积5min。结果显示碳纤维上的铜层包裹薄且不均匀，不利于步骤二的叠氮化。

[0061] 对比例3

[0062] 本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是步骤二中铜层的叠氮化的参数不同，2
在电流密度为8mA/cm ，叠氮化时间为5min。结果显示碳纤维上负载的叠氮亚铜产物大部分都脱落，仅有少许叠氮亚铜残留在纤维上，含能薄膜的含能材料负载量极低，影响后续的含能Ni‑Cr桥丝火工品的发火性能。