基于激光加工的微安保机构设计与性能

复杂场景下火工品微安保机构需具有可恢复与抗过载特性,为此,研究设计了基于激光加工的金属材质电热驱动微安保机构,采用有限元模拟分析了镍基微电热执行器动作特性,通过调整双热臂U型电热执行器热臂和冷臂的长度、宽度以及各臂之间的间隙,探究它们对输出位移的影响;通过正交实验得到优化的超快激光加工工艺参数分别为频率100 kHz、能量113μJ、切割速度100 mm·s^(-1),实现了镍基电热微安保机构的超快脉冲激光精确制造;最后,搭建了安保机构性能验证平台,验证了该机构在不同电流激励下的驱动位移与隔爆性能。结果表明,在8 A激励电流下,加工的镍基微安保机构驱动位移可达1084μm,所组装的火工品微安保机构在传爆序列中能够有效隔爆。

微起爆器静电响应特性

为明确基于MEMS工艺的微起爆器静电响应特性,按照GJB 5309.14-2004火工品试验方法第14部分:静电放电试验的要求,对不同静电放电条件下的微起爆器感应电流、阻值变化、桥区损伤、发火感度进行了测试与表征。结果显示:对于50%静电发火电压为21.91 kV的微起爆器,静电电压小于17.5k V时,微起爆器电阻值基本保持不变,桥区显微镜照片显示无损伤;20.0,22.5 kV静电放电后,微起爆器换能元桥区出现了分层或断裂,27.5,30.0 kV静电放电后,微起爆器换能元桥区表面出现了条纹鼓起或明显烧蚀;静电加载后微起爆器桥区损伤不同,50%发火电压的变化也不同;桥区未出现损伤,发火感度未出现显著变化。本研究为揭示微起爆器静电环境失效机理以及加固设计提供了基础数据支撑。

基于飞片冲击起爆原理的微起爆序列技术研究进展

弹药信息化、智能化、小型化发展,对火工品提出了换能信息化、结构微型化、序列集成化的要求,微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)火工品技术孕育而生。近年来,随着微小型无人平台技术的发展,形成了新型微毁伤形式,对微起爆序列这一系统级MEMS火工品的应用提出了迫切的需求。本文侧重于微起爆序列的应用及要求,在微换能元设计及能量控制、微起爆能量控制及器件化、微传爆能量传递与隔爆控制、微起爆序列设计与集成及序列可靠性评估5个方面,对基于飞片冲击起爆原理的微起爆序列研究进展进行了总结。在此基础上,讨论了微起爆序列进一步发展的建议:深化微起爆传爆机理的基础研究;推进数字化工程,提升正向设计能力;加强大批量生产能力;加强微起爆序列样机的应用验证,提升技术成熟度。通过对微起爆序列技术现状的分析和未来发展的建议,以期为同行继续深入系统地开展微起爆序列技术研究、推动其应用进程提供有益参考。

MEMS火工品设计方法探讨

针对MEMS火工品的优点和关键特征进行了梳理总结,从微结构换能元设计、微纳结构药剂设计、微含能器件设计、微起爆序列设计4个方面对MEMS火工品设计方法进行了综合阐述。最后,从构建MEMS火工品数字化设计体系、提升集成与装配工艺设计水平、增强多学科多尺度协同设计能力3个方面,陈述了对MEMS火工品设计未来发展思路的一些见解,以期为形成完善的MEMS火工品设计体系提供借鉴。

硅基微雷管的原位装药及性能研究

微机电安全保险机构芯片化集成技术的发展,对基于微机电制造工艺的硅基微雷管提出了需求,雷管装药尺寸的减小要求含能材料感度高、起爆威力大。为解决微小尺寸敏感药剂装填的技术难题,文中采用原位生成多孔叠氮化铜的方法,对硅基微雷管进行装药研究。依据GJB/Z 377A—1994感度试验用兰利法测试硅基微雷管的发火感度,使用电流环测试硅基微雷管发火实际利用的能量,同时对输出威力进行定性测试。测试结果表明:发火电路用充电电容为33μF时,硅基微雷管的平均发火电压为7.89 V,输出威力可以起爆六硝基杂异伍兹烷(CL-20)装药。

Ni-Cr桥膜换能元的制备

为了制作出阻值一致性好,发火电压低的金属桥膜换能元,对Ni-Cr薄膜换能元制作过程中的薄膜溅射、刻蚀等工艺进行了探索,并对制作的换能元参数进行了测试。结果显示随着溅射功率的减小,薄膜的沉积速率减小,成膜致密性提高;在一定范围内,刻蚀液中高氯酸所占的比例越大,刻蚀用时越短。制作的Ni-Cr薄膜换能元电阻的一致性较好,在47μF电容情况下发火电压均值为6.67 V。

微小型起爆序列初步设计与性能研究

为适应引信微小型化发展的需求,采用基于微机电系统工艺技术,开展微小型起爆序列的设计及性能测试研究。起爆序列初步集成了引信安全与解除保险及发火功能,体积为3 cm3;该结构包括底层、中间层和顶层,其中底层包括隔断单元和传爆药装药,中间层由微雷管和硅基烟火微驱动器构成,顶层为信息控制电路。测试结果表明,微小型起爆序列实现了解除保险、安全隔爆与可靠传爆的功能,平均输出爆轰压力为10.85 GPa.

微起爆序列设计及传爆与隔爆性能

为满足引信微小型化发展的需求,基于微机电系统(MEMS)工艺技术设计了由微起爆器、飞片、MEMS安全保险机构等构成的微起爆序列。依照国家军用标准GJB 5309.17—2004(K)火工品试验方法:轴向输出测定铝块凹痕法,对微起爆器装药、安全保险机构传爆空腔等参数不同时内置MEMS安全保险机构起爆序列的传爆性能进行测试,获得微起爆序列理想的设计参数,即微起爆器装药密度为1.67 g/cm3、装药直径为2.0 mm、装药高度为1.5 mm,安全保险机构传爆空腔直径为1.0~2.0 mm、高度为0.65~1.50 mm.在序列优化设计基础上对微起爆序列隔爆性能及解除保险功能进行测试,发现当滑块厚度≮0.3 mm时序列正常隔爆,发射过载21000 g、转速6000 r/min条件下序列正常解除保险。结果表明,利用安全保险机构传爆空腔作为加速膛,采用微起爆器驱动飞片冲击起爆下一级装药的爆轰能量放大方式,实现了序列传爆、隔爆、解除保险功能,有效减少了起爆序列初级装药量和轴向尺寸。

超细HNIW机械感度的研究

采用喷射结晶的方法对HNIW(六硝基六氮杂异伍兹烷或CL-20)进行了细化,细化后HNIW的平均粒径为193.5nm。对超细HNIW的撞击感度及摩擦感度进行了研究。试验结果表明:与粗颗粒HNIW相比,超细HNIW的撞击感度明显降低,50%落高值从7.94cm增大为33.9cm;而摩擦感度变化不大,爆炸概率从74%增加到80%。

基于MEMS工艺的起爆序列设计研究

针对引信微小型化、轻量化设计的需求,本文采用微雷管驱动飞片冲击起爆传爆药的能量放大方式设计的起爆序列主要由起爆控制电路、微雷管、飞片、安全保险机构、传爆药等,采用表面微加工工艺、深硅刻蚀等工艺完成了微雷管的制作,采用UV-LIGA工艺完成了安全保险机构的制作。采用光子多普勒测速仪(PDV)对微雷管装药参数、传爆空腔参数、飞片参数与飞片速度关系规律的研究,获得了传爆序列的优化设计参数,即微雷管装药直径1.0 mm,装药密度2.1 g/cm^(3),传爆空腔尺寸Φ1.0 mm×H1.0 mm,飞片厚度为30μm。

硅基平面微雷管设计研究

针对MEMS安全保险机构的发展对起爆单元平面化的需求,利用SOI片特有的三层结构,开展了硅基平面微雷管的设计研究。以SOI片的外延硅作为平面微雷管原位装药用专用电极,提升了微雷管结构与原位装药工艺的兼容性。以SOI片的本体硅作为装药腔体层,减少了微雷管的轴向尺寸,提高集成度。性能试验表明该硅基平面微雷管实现了发火及起爆下级装药的功能。

纳米多孔硅含能材料性能研究

结合微机电系统(micro-electromechanical systems)加工技术采用电化学腐蚀法制备多孔硅,通过扫描电镜、比表面积测试仪、差热和红外对多孔硅结构参数以及多孔硅含能材料性能进行了分析,同时对其发火性能进行了测试,结果显示多孔硅具有均匀的纳米尺度孔径,孔径为20 nm左右,较大的比表面积以及良好的海绵体结构特性;纳米多孔硅含能材料在热能刺激下515℃时可发生热分解反应;在热烘烤2 min或者1.6 A直流条件下多孔硅含能材料可靠发火。表明了纳米多孔硅含能材料在没有金属壳体条件限制时,可以在热能和电能刺激下发生点火作用。

第四代火工品部分概念初步探讨

针对第四代火工品的典型结构组成,探讨了其基础研究过程中涉及的部分概念,主要包括MEMS火工品、微纳结构药剂、微结构换能元、原位装药技术、直写墨水药剂、微含能芯片和微起爆序列等,为第四代火工品的发展提供技术支持。

氮化钽换能元的制备工艺研究

开展了一种制备氮化钽换能元的工艺研究,利用射频电源溅射氮化钽薄膜,采用剥离工艺制备氮化钽换能元图形,获得满足完整性、一致性和重复性要求的氮化钽换能元。依据GJB/z377A-94感度试验用兰利法,测得氮化钽换能元发火能量为0.6m J。

高过载条件下火工品装药的响应特性

针对火工品在高过载条件下的意外发火问题,利用ANSYS/LS-DYNA仿真软件,计算空气炮过载实验装置发射的弹丸在撞击钢靶和混凝土靶过程中火工品装药的结构、温度和压力变化规律,进一步分析装药的发火机理。结果表明,在高过载条件下,火工品装药的受力以压缩应力为主;火工品不同位置的装药的温升不同,其中头部和尾部装药温升明显,中部装药的温升较小;当靶板为钢靶时,装药的温升较大;装药与结构之间的相互作用以及炸药颗粒的内部摩擦均会形成热点,但是装药与结构之间的相互作用是引起装药意外发火的主要原因。

第四代火工品概念补充探讨

在本刊2018年第1期“第四代火工品概念初步探讨”一文的基础上,结合近几年MEMS火工品技术研究进展,对典型MEMS火工品结构组成中的概念进行进一步的修正和完善,重新梳理和定义了微作动机构、微火工装置、微火工序列、低极限药量起爆药等概念,初步建立了从组件、器件、装置到序列等的MEMS火工品概念框架,为未来第四代火工品设计开发奠定基础。

基于MEMS工艺的微起爆器性能研究

针对MEMS火工品低能化、集成化技术要求,设计了一种基于MEMS工艺的微起爆器,通过仿真计算获得了基体材料、换能元材料、火工药剂与微起爆器起爆性能的影响规律,确定了微起爆器的结构参数;通过MEMS工艺完成微起爆器一体化集成制作,对结构参数以及起爆性能进行了测试,结果表明结构尺寸与设计尺寸误差小于6%;微起爆器发火电压小于3V,装药直径1mm、装药量2.0mg时,可以可靠起爆CL-20炸药,实现了低能化、集成化的要求,为MEMS火工品提供技术支撑。

纳米多孔硅含能芯片性能研究

采用MEMS(Micro-electromechanical Systems)工艺在硅片上加工耐HF酸掩模窗口,结合电化学腐蚀法制备出多孔硅阵列。通过扫描电镜和比表面积测试仪对多孔硅进行了性能表征,结果表明:多孔硅具有均匀的纳米尺度孔径、较大的比表面积以及良好的海绵体的结构特性。通过原位形成多孔硅含能芯片,进行了热发火和机械撞击发火试验,结果表明:在没有壳体限制条件时,纳米多孔硅含能芯片在热和机械能刺激下发生强烈点火或者爆炸。

氮化钽薄膜换能元低能化研究

为了实现TaN薄膜换能元的低能化,设计制作了不同桥膜厚度、不同桥区尺寸、不同桥区形状的TaN薄膜换能元,依据GJB/z 377A-94感度试验用兰利法,对其进行了发火感度测试。结果表明:当桥区尺寸、形状一定时,随着桥膜厚度的增加,换能元的发火电压先减小后增加,当桥膜厚度为0.9μm时,发火电压最小。通过优化桥区尺寸和桥区形状,获得的TaN薄膜换能元最小平均发火电压低于5V。

微桥膜换能元结构设计及电阻计算方法

针对微结构换能元设计的规范化问题,从解析几何的基本原理出发,建立微结构换能元参数化结构设计方法,获得不同结构微换能元上、下边界的数学表达式。同时借助于单元离散的基本思想,将微结构换能元离散成有限数量个近似方形的微小单元,依据串、幵联电阻值计算方法,建立微结构换能元电阻值分析计算模型,幵验证了模型准确性。结果表明,菱形和圆弧边界换能元的电阻值随宽度w、特征角度β或特征半径Rc增加呈幂函数形式减小,随长度l增加呈幂函数形式增加。本研究为换能元的结构设计提供技术支撑。