A Comprehensive Method for Monitoring the Key Functional Characteristics of the Self-Propagating High-Temperature Synthesis Reaction in Multilayer Thin-Film Structures

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Reactive multilayer foils undergoing self-propagating high-temperature synthesis (SHS) consist of alternating layers of two or more materials capable of participating in an exothermic reaction. These foils are typically fabricated using thin-film deposition techniques such as magnetron sputtering. Activation is achieved through external stimuli–electrical, thermal, laser, or mechanical–resulting in a rapid release of heat. Peak reaction temperatures can reach 1500 °C, and the energy released may be as high as 1200 J/g. The combustion front can propagate at speeds of 8–10 m/s. Due to the broad range of industrial applications for reactive multilayer foils, there is a need for a reliable method to monitor the critical parameters of the foil–both post-fabrication and during the optimization of fabrication processes. This study aims at developing and validating a comprehensive monitoring method for the SHS reaction in multilayer thin-film structures, allowing for simultaneous assessment of reaction characteristics using a single experiment on a single sample. The following objectives were posed in the study: to analyze existing monitoring methods and propose new or improved approaches suitable for integration into a unified methodology; to conduct experimental validation using sample foils tailored to the testing techniques employed within the comprehensive method; to develop and substantiate a unified monitoring approach based on experimental data, emphasizing the behavior of SHS in thin-film structures. Results. A calorimetric setup using copper plates and platinum sensing elements effectively measured the energy released during the SHS reaction. Thermal equilibrium was reached within 1–1.5 minutes. Preheating the system to +35 °C (above room temperature) accelerated cooling but had no effect on the final thermal equilibrium state. A method was proposed for determining the SHS reaction activation energy by gradually increasing the voltage across a capacitor, followed by direct contact between the capacitor electrodes and the foil surface. The activation energy was found to be independent of both pulse duration (capacitor capacitance) and amplitude (applied voltage). For example, activation occurred with a 300 μF capacitor at 12 V (yielding 23.8 mJ), as well as with a 1000 μF capacitor at 6.9 V, corresponding to the same energy level of 23.8 mJ. The propagation velocity of the SHS reaction front was successfully measured using two optical sensors (phototransistors). With a l = 20 mm distance between sensors, the required sensor response time and system measurement accuracy (error ≤ 0.1 ms) were established. The selected phototransistors demonstrated a response time of 15 μs.

About the authors

K. A. Volkov

Volga State University of Technology

Author for correspondence.
Email: kirill_volkov_101@bk.ru
SPIN-code: 7918-0115

Ph.D. student at the Department of Design and Production of Radio Equipment of the Volga State University of Technology. Research interests – development of equipment for the fabrication and characterization of thin films. The author of 20 scientific publications.

Russian Federation, 3 Lenin sq., Yoshkar-Ola, 424000

References

  1. Belyanin A.F., Nalimov S.A., Borisov V.V. et al. Influence of annealing on the structure of ZnO films grown by magnetron sputtering. In: Vacuum Science and Technology: Proceedings of the XXV Scientific and Technical Conference with the Participation of Foreign Experts, Crimea, Sudak, September 16–22, 2018 / ed. S.B. Nesterov. Moscow: NOVELLA, 2018. P. 170–176. EDN: NVFCVI. (In Russ.)
  2. Shashin D.E. Development of a mathematical model of synthesizing thin films of zinc oxide for given complex-valued relative permittivity. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2018;4:74–81. doi: 10.15350/2306-2819.2018.4.74; EDN: YPSPYA. (In Russ.)
  3. Inozemtsev A.V., Inozemtsev J.O., Matyushin Yu.N. Errors of measurement of the calorific value of combustible gases in a bomb calorimeter. Gorenie i Vzryv. 2019;12(4):66–72. doi: 10.30826/CE19120407; EDN: MJGVIA. (In Russ.)
  4. Fang Y., Markandey Mani. Combustion applications of laser-induced breakdown spectroscopy. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. 2014;(18):489–509.
  5. Elkina N.A., Khvesyuk V.I. Experimental study of heat capacity of multilayer Ti-Al nanofilms. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Instrument Engineering. 2010;(S):74–78. EDN: MVUVUP. (In Russ.)
  6. Korzh I.A. Determination of specific heat of reaction during self-propagating high-temperature synthesis in Ni/Al multilayer reaction foil. Radio Communication Technology. 2022;3(54):93–100. EDN: VZBZYW. (In Russ.)
  7. Torgash T.N., Korzh I.A., Varenik V.V. et al. Study of energy characteristics of pyrotechnic igniters with SHS film. Radio Communication Technology. 2023;2(57):56–62. EDN: BUHLDV. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».