PyroMEMS安保机构的设计、制备与作动性能研究

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PyroMEMS(Pyrotechnical Micro Electrical Mechanical System)是一种基于 MEMS技术,装载固体含能材料作为功能燃料的微型火工烟火装置。PyroMEMS安保机构是一种以含能材料的燃烧分解为动力源来解除保险的安保装置。本文设计并制备了基于PyroMEMS微驱动器和固态双悬臂梁安保滑块的PyroMEMS安保机构,其主要特点在于不需要使用惯性力解保,实现了安保滑块的较大位移,且可以实现一体化批量制作。论文的主要研究内容及结果如下:(1)采用精密雕刻的方法制备了以PMMA(有机玻璃)为基材的固态双悬臂梁安保滑块;采用等离子体干法刻蚀的方法制备了以硅为基材的固态双悬臂梁安保滑块。(2)设计制备的PyroMEMS微驱动器主要包括三个组成部分:换能元、微点火药和气体发生剂。点火药选用配比为90:10的硅铅丹点火药,粘结剂选用硝化棉,溶剂选用乙酸丁酯。利用喷墨沉积的方式对微点火药进行装药,并对含能油墨进行燃烧性能表征。研究了镍铬桥丝、SCB(半导体桥)及MSCB(微型半导体桥)三种换能元针对硅铅丹点火药的发火性能。(3)通过理论计算和实验,对比研究了NaN3/Fe2O3和C6H2(NO2)3OK/KClO4两种气体发生剂的爆温、爆热和产气量。研究发现两种气体发生剂的产气量几乎相同,但C6H2(NO2)3OK/KClO4 的爆温和爆热均远大于 NaN3/Fe2O3,C6H2(NO2)3OK/KClO4 的做功能力更强。(4)通过ABAQUS模拟软件对安保滑块的作动性能和沿滑块运动方向的过载能力进行了模拟仿真,得出硅基PyroMEMS安保机构的综合性能优于PMMA。PyroMEMS安保机构固态双悬臂梁的长宽比越小,其承受的最大气室压强越高,抗过载能力越强。由PyroMEMS安保机构作动性能的实验与模拟结果获得,当双悬臂梁的尺寸为长×宽=300μm×300μm时,安保机构最大可承受463.62m/s2的过载,并可以顺利完成解保。通过本论文的研究,掌握了PyroMEMS安保机构的设计与制备方法,获得了PyroMEMS安保机构各组件设计参数对作动性能的影响规律,为开发拥有自主知识产权的安保机构提供了理论和技术参考。
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