Крошечные медные структуры с порами как нанометрового, так и микронного размера могут сыграть ключевую роль в следующем поколении детонаторов, используемых для повышения надежности, уменьшения размера и снижения стоимости некоторых военных боеприпасов.
Разработанные группой ученых из Технологического исследовательского института Джорджии (GTRI) и Главного индийского подразделения Центра надводных боевых действий ВМС высокооднородные медные структуры будут включены в интегральные схемы, а затем химически преобразованы в миллиметры. - диаметр ВВ. Поскольку медные материалы могут быть интегрированы в стандартные процессы производства микроэлектроники, они позволят массово производить микроэлектромеханические (МЭМС) взрыватели для военных боеприпасов, как компьютерные чипы..
«Возможность адаптировать пористость и структурную целостность материала-предшественника взрывчатого вещества - это сочетание, которого у нас никогда не было», - сказал Джейсон Надлер, инженер-исследователь GTRI. «Мы можем начать с требований ВМФ к материалам и проектным конструкциям, которые способны удовлетворить эти требования. У нас может быть интегрированный инструмент проектирования, способный разработать целый ряд прекурсоров взрывчатых веществ в различных масштабах».
Надлер использует различные шаблоны, в том числе микросферы и ткани, для создания регулярных узоров из пасты оксида меди, вязкость которой регулируется добавлением полимеров. Затем он термохимически удаляет шаблон и превращает полученные структуры оксида меди в чистый металл, сохраняя узоры, придаваемые шаблоном. Размер пор можно контролировать, используя различные шаблоны и изменяя условия обработки.
На данный момент он изготовил медные структуры с размерами каналов всего в несколько микрон - со структурными компонентами, имеющими наноразмерные поры.
Основываясь на отзывах ученых военно-морского флота, Надлер может настроить конструкции, чтобы помочь оптимизировать общее устройство, известное как взрыватель, которое контролирует, когда и где взорвется боеприпас.
«Теперь мы можем связать структурные характеристики с производительностью», - отметил Надлер. «Мы можем производить технически продвинутый материал, который можно адаптировать к термодинамике и кинетике, которые необходимы, используя методы моделирования».
Помимо методов изготовления, Надлер разработал методы характеризации и моделирования, чтобы помочь понять и контролировать процесс изготовления уникальных медных конструкций, которые также могут иметь коммерческое применение.
Прекурсор меди, разработанный в GTRI, представляет собой значительное улучшение по сравнению с пеномедным материалом, который Indian Head ранее оценивал. Пена, полученная методом спекания порошка, была хрупкой и неоднородной, а это означало, что ученые ВМФ не могли точно предсказать надежность или количество взрывчатого вещества, которое будет создано в каждом микродетонаторе..
«GTRI смогла предоставить нам материал с хорошо контролируемыми и хорошо известными характеристиками», - сказал Майкл Бегганс, ученый из отдела энергетических технологий индийского головного отдела Центра надводных боевых действий ВМС. «Наличие этого материала позволяет нам определить количество взрывчатого вещества, которое может образоваться в МЭМС-взрывателе. Размер этого заряда также определяет размер и работу других компонентов».
Исследования приведут к созданию детонатора с расширенными возможностями. «Долгосрочная цель программы MEMS Fuze состоит в том, чтобы произвести недорогой, высоконадежный детонатор со встроенными безопасными и ручными возможностями в чрезвычайно маленьком корпусе, который позволил бы самому маленькому оружию в ВМФ быть таким же безопасным и надежен, как самый большой», - пояснил Бегганс.
Уменьшение размера взрывателя является частью долгосрочной стратегии по созданию более умного оружия, предназначенного для снижения риска побочного ущерба. Отчасти это станет возможным благодаря тому, что сотни взрывателей площадью около сантиметра каждый могут быть изготовлены одновременно с использованием технологий, разработанных микроэлектронной промышленностью.
«Сегодня все становится меньше, потребляет меньше энергии и предлагает больше функциональных возможностей», - добавил Бегганс. «Когда вы слышите, что оружие «умное», это на самом деле все о взрывателе. Взрыватель «умный» в том смысле, что он точно знает, в какой среде должно находиться оружие, и взрывает его в нужное время. МЭМС Взрыватель обеспечит «умную» функциональность для среднего калибра и суббоеприпасов, улучшая результаты и уменьшая побочный ущерб».
Разработка и внедрение нового взрывателя также будет иметь преимущества для окружающей среды и безопасности.
«Практическое внедрение этой технологии позволит военным сократить количество чувствительных первичных взрывчатых веществ в каждом оружии как минимум на два порядка», - сказал Джеральд Р. Лаиб, старший научный сотрудник по применению взрывчатых веществ в Indian Head и изобретатель концепции MEMS Fuze. «Эта разработка также значительно сократит использование токсичных тяжелых металлов и отходов и повысит безопасность производства оружия за счет устранения необходимости обращения с большими количествами чувствительных первичных взрывчатых веществ».
Следующим шагом для Indian Head будет объединение всех компонентов взрывателя в минимально возможную упаковку, а затем начало производство устройства в больших количествах.
Специалист по металлическим и керамическим ячеистым материалам, Надлер сказал, что задача проекта заключалась в создании структур, достаточно пористых для последовательного химического преобразования, при этом сохраняя достаточную механическую прочность, чтобы выдерживать обработку и оставаться стабильной в готовых устройствах.
«Возможность создавать вещи в разных масштабах одновременно очень важна», - добавил он. «Разработка материалов в нано-, микронном и даже миллиметровом масштабе одновременно в виде системы - очень мощный и сложный процесс. Когда доступны эти различные шкалы длины, открывается целый новый мир возможностей».