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伴随含能复合薄膜的深入研究，国内外学者逐渐将其应用于火工品的换能元，用以提高换能元的输出、 能量和效率。两类含能复合薄膜具有不同的电学性能，合金化反应薄膜导电性较好，可直接制备成换能元；而氧化还原反应薄膜导电性差，通常不用于直接制备换能元，而是沉积到加热单元上，依靠加热单元产生的焦耳热激发氧化还原反应薄膜发生反应，释放出反应热，提高换能元输出能力。25480
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K. J. Blobaum于2003年发表了三篇关于Al/CuO含能复合薄膜的经典文章，内容包括薄膜制备、反应热力学和反应动力学等,使用磁控溅射，法制备了Al/CuO复合薄膜，通过表征得知复合膜层间结构清晰（如图1。2-a），温度为400-530°C之间，Cu4O3分解成CuO 和 Cu2O，呈多晶态柱状累积生长（如图1.2-b）。发现Al/CuO复合薄膜的氧化还原反应有两个主放热峰，。复合膜产生的热量足以使其发生自蔓燃烧反应，速度为1m/s，燃烧产物的最
(a) 复合膜层间结构 (b) CuO膜柱状生长
图1.2 Al/CuO含能复合薄膜微观结构图
高温度可以达到铜的气化温度2846K。研究成果表明，Al/CuO复合薄膜不仅可以作为局部高温热源应用于焊接和封装，也为研究氧化还原反应的机理开辟了新途径[9-11]。
Navid Amini Manesh等在K. R. Coffey1989年提出了合金化反应复合薄膜界面反应的两阶段模型的基础上分别于2010年和2011年发表了关于Al/CuO纳米含能复合薄膜自蔓燃烧反应的研究工作。他们通过改变衬底材料和衬底的厚度，研究了复合膜的传热作用机理，并通过使用光电靶线法测试了薄膜的自蔓燃烧速度。结果表明衬底材料的热损失对薄膜的自蔓燃烧反应有决定性的影响[12 ,13]。图1.3为他们在研究中构建的Al/CuO纳米含能复合薄膜的反应过程及反应阶段温度示意图。
图1.3 Al/CuO亚稳态分子间复合薄膜材料燃烧反应及反应阶段温度示意图
M.Petrantoni和Jinhee Kwon分别于2010年和2013年发表了两篇关于Al/CuO含能复合薄膜的文章，使用反应磁控溅射的方法制备了Al/CuO复合薄膜，对比了其微米尺度和纳米尺度条件下的反应性能。研究发现微米尺度的复合膜有三分之二的热量是在高温条件下释放的[14 ,15]。Al/CuO复合薄膜的微观结构如图1.4所示：
图1.4 Al/CuO复合薄膜微观结构
研究还发现界面层对复合薄膜的性能有重要影响。尤其是对亚稳态分子间复合物，金属和氧化物之间的界面层决定着反应起始温度、反应动力学、常温稳定性。分别使用物理气相沉积（PVD）和原子层沉积（AlD）两种方法生成Al/CuO复合薄膜的界面层，如图所1.5示。在PVD过程中，Al透过CuO表面，形成很薄的一层扩散层即界面层，也就是在低温下的弱氧化还原反应，形成了厚度约5nm不规则的Cu-Al-O界面层。这一研究结果揭示了扩散阻挡层的化学本质对纳米含能材料的重要性。
图1.5 Al/CuO复合薄膜示意图
2008年，张开黎制备了Pt-Al/CuO换能元[16]，整个制备过程采用MEMS工艺。实验发现换能元电爆时，Al/CuO发生了剧烈的反应，反应温度可达到2000K。反应溅射出高温产物，可用于实现隔离点火。换能元的结构和尺寸如图1.6所示。
(a) Pt加热电阻 (b) Pt-Al/CuO换能元(c) 换能元电爆过程 (d) 换能元电爆后图像
图1.6 Pt-Al/CuO换能元及其电爆过程
2011年，周翔研究了Al/CuO复合薄膜对Cu爆炸箔性能的影响[17,18]。研究发现Al/CuO复合薄膜有助于提高爆炸箔的温度，但却不能有效提高驱动飞片的速度。起爆后产生等离子体的高速摄影图像如图1.7所示。