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薄膜换能元作为一类新型的薄膜桥式火工品,具有起爆能量低、安全性高、可靠性好、微型化等优点。本论文针对现有的金属薄膜桥能量转换效率偏低、能量输出不高的问题,采用电能和化学能相结合的思路,开展了Al/Ni、类PTFE/Al和B/Ti三种纳米反应多层薄膜的制备及性能研究,并利用薄膜工艺和MEMS技术制备了适用于爆炸箔起爆系统的Cu-Al/Ni、Cu-Al/PTFE、Cu-B/Ti以及适用于微点火系统的TaN-B/Ti薄膜换能元,系统地研究了四种薄膜换能元的电爆性能。论文的主要研究内容和结论如下:1.研究制备了厚度均匀、周期性层状结构明显的Al/Ni纳米反应多层膜,调制厚度为500 nm(Al,300 nm;Ni,200 nm)的Al/Ni纳米反应多层膜的起始反应温度约为220℃,反应过程中的总放热量约为887.4 J/g。利用MEMS技术将Al/Ni纳米反应多层膜集成在Cu爆炸箔上,并加厚桥区两端焊盘,设计制备了焊盘区域同时与Cu薄膜桥和Al/Ni纳米反应多层膜均导通的“全接触式”结构的CuAl/Ni薄膜换能元。研究表明,设计制备的Cu-Al/Ni薄膜换能元具有较短的爆发时间和较低的临界爆发能量。电爆过程中,Al/Ni纳米反应多层膜的自蔓延反应能够有效提升薄膜换能元的电爆炸反应温度,扩大等离子体火花的膨胀范围,并延长等离子体火花的持续时间。在2500 V充电电压下,Cu-Al/Ni薄膜换能元驱动飞片的最大速度为3053 m/s,飞片动能提升约19.5%。2.为了进一步提升薄膜换能元的能量转换效率和能量输出,研究制备了具有高能量密度且反应过程中可释放气体的类PTFE/Al纳米反应多层膜。研究表明,制备的类PTFE/Al纳米反应多层膜具有明显的周期性层状结构,其中Al薄膜层为多晶结构,类PTFE薄膜层为非晶结构,Al薄膜层和类PTFE薄膜层之间存在AlF混合物。调制厚度为125 nm(Al,50 nm;类PTFE,75 nm)的类PTFE/Al纳米反应多层膜的起始反应温度为410℃,反应过程中的总放热量约为3034 J/g,相比于Al/Ni纳米反应多层膜具有更强的能量输出能力。在此基础上,设计制备了适用于爆炸箔起爆系统的Cu-Al/PTFE薄膜换能元。相比于Cu薄膜桥,Cu-Al/PTFE薄膜换能元的电爆炸反应过程更为剧烈,电爆过程中产生了大量的高温喷溅产物。在2500 V充电电压下,Cu-Al/PTFE薄膜换能元驱动飞片的最大速度为3180 m/s,飞片动能提升约29.9%。3.研究制备了具有高能量密度且制备过程相对简单的B/Ti纳米反应多层膜。研究表明,制备的B/Ti纳米反应多层膜周期性层状结构明显,其主要由多晶结构的Ti薄膜层、非晶结构的B薄膜层以及位于Ti薄膜层和B薄膜层之间的B-Ti混合物组成。调制厚度为100 nm(B,50 nm;Ti,50 nm)的B/Ti纳米反应多层膜的起始反应温度为449℃,反应过程中的总放热量约为3722 J/g。在此基础上,设计制备了适用于爆炸箔起爆系统的Cu-B/Ti薄膜换能元。Cu-B/Ti薄膜换能元的临界爆发能量和爆发时间相比于Cu薄膜桥有所增加,但其电爆炸反应过程更为剧烈,电爆生成的等离子体温度更高,持续时间更长。在2500 V充电电压下,Cu-B/Ti薄膜换能元驱动飞片的最大速度为2899 m/s,飞片动能提升约8%。此外,本论文还研究了B/Ti纳米反应多层膜对TaN薄膜桥点火性能的影响,设计制备了适用于微点火系统的TaN-B/Ti薄膜换能元。相比于TaN薄膜桥,TaN-B/Ti薄膜换能元的爆发时间更短,临界爆发能量更小,电爆过程中生成的等离子体火花膨胀范围更大,电爆炸温度更高。在40 V充电电压下,TaN-B/Ti薄膜换能元的能量转换效率可达到60.4%。