硅基MEMS安执机构在微爆炸序列中的应用与发展趋势

为适应各类信息化、智能化、微型化武器发展需求,以换能信息化、结构微型化、序列集成化为主要特点的MEMS火工品成为火工品技术发展的重要方向。MEMS安执机构作为MEMS火工品微爆炸序列能量传递的控制机构,是MEMS火工品设计的关键技术之一。本文基于微爆炸序列结构形式对硅基MEMS安执机构进行分类研究,分析不同安执机构的技术原理,探讨其应用进展与研究现状,总结硅基MEMS安执机构微型化、集成化、信息化、智能化发展趋势,为MEMS安执机构的研究与设计提供探讨。

工程陶瓷引弧微爆炸加工边缘碎裂的周向包封研究

针对工程陶瓷引弧微爆炸加工时的边缘碎裂现象,提出了一种利用低熔点金属周向包封施加预应力控制陶瓷材料加工边缘碎裂的方法。介绍了周向包封工艺,开展了包封后工件的引弧微爆炸加工实验,并通过有限元方法对工程陶瓷包封过程中的温度场及应力场进行了仿真,揭示了周向包封控制工程陶瓷引弧微爆炸加工边缘碎裂的机理。

含能材料颗粒特性对激光诱导微爆炸冲击波的影响

使用基于微秒时间尺度上毫克级含能材料的激光诱导空气冲击波爆轰性能测试方法——The Laser-induced Air Shock from Energetic Materials(LASEM),结合脉冲激光系统和高速纹影研究了不同粒径以及不同堆积密度对六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)、奥克托金(HMX)、黑索今(RDX)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)和2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM105)这5种含能材料冲击波特征速度的影响。结果表明,粒径小于75μm时,测量结果偏差较大;粒径在75~500μm之间时,测量结果波动性较弱,且与爆压值的排列顺序一致,能够作为参考数据评估实际的爆轰性能。堆积密度小于0.7 g·cm^(-3)时,测量结果波动范围较大;堆积密度在0.7~1.35 g·cm^(-3)之间时,测量结果较为平稳,且与爆压值的排列顺序一致,测量值更具参考价值。

工程陶瓷引弧微爆炸加工中阳极选择及微爆炸发生器设计

引弧微爆炸加工是一项最新开发出的工程陶瓷材料特种加工技术,为了开发出稳定性好、加工效率高,以及使用成本低的引弧微爆炸加工系统,对阳极接入方法及微爆炸发生器的结构进行了研究。结果显示,利用微爆炸发生器的喷嘴作为加工系统的阳极,加工过程稳定,加工后的工件质量较好;微爆炸发生器采用了基于成本和效率的设计方案,利用压缩气流对喷嘴进行冷却,利用高压冷却水对电极进行冷却,取得了较低的加工成本和较高的加工效率。研究结果为该技术的发展及应用奠定了良好的基础。

工程陶瓷引弧微爆炸加工中等离子体射流的光学特征

引弧微爆炸加工是一种新型工程陶瓷特种加工技术,其能量通过等离子体射流输出,由于加工过程伴随着强烈的光和热,直接测试十分困难。通过高速摄像技术和光谱分析技术,综合对等离子射流的外部形态和内部物理状态进行研究。利用高速摄像,观察射流的外观以及氮化硅和氧化铝两种陶瓷材料加工时的材料去除过程。观察发现,射流直径随电流值的增大而增大,单脉冲加工时蚀坑直径随着加工时间逐渐扩展,蚀坑形状近似为球冠形;结合材料性质,推断出氮化硅陶瓷加工时分解,氧化铝陶瓷加工时直接熔化。对等离子体射流的光谱分析,采用氢原子示踪法,选择Hα谱线进行。分析结果显示,采用斯塔克展宽法获得的等离子体的电子密度在1016～1017 cm–3范围内,满足局部热力学平衡状态,并分析了加工参数对电子密度的影响规律。

Si_3N_4陶瓷激光加热辅助引弧微爆炸加工温度场仿真

介绍了激光加热辅助引弧微爆炸加工技术,建立了温度场数学模型,使用有限元分析软件计算出了加工Si3N4陶瓷时的温度场分布,并研究了工艺参数对温度场的影响。仿真结果表明:用激光加热辅助引弧微爆炸加工使加工温度得到提高,从单独使用引弧微爆炸加工的12 600℃提高到14 381℃;其最高温度随着激光功率的增大而升高,随光斑尺寸的增大而减小,随激光加热点距引弧微爆炸加工点距离的增大先增大后减小,随进给速度的增大而减小。研究结果为揭示激光加热辅助引弧微爆炸加工机理和选择合理工艺参数提供了理论依据。

面向工程陶瓷的电极引弧微爆炸加工系统开发与加工特性研究

在对工程陶瓷加工技术发展现状和加工原理简要分析的基础上,借鉴电极放电基本理论和高功率脉冲技术,研制了电极引弧微爆炸加工系统,对该系统核心组件—专用脉冲电源的组成和功能进行了详细的介绍。通过对Si3N4陶瓷材料的加工实验,确定了主要加工参数的取值范围,并分析了该系统的加工特性,最后对电极引弧微爆炸加工技术与激光、电火花和等离子等特种加工技术以及传统的金刚石砂轮磨削技术进行了简要综合的比较。结果表明,电极引弧微爆炸加工技术是一项全新的低成本加工技术,具有非常广阔的应用前景。

高频引弧微爆炸加工工程陶瓷新方法试验研究

提出了一种全新的工程陶瓷经济型加工方法。自行研制了高频引弧微爆炸加工电源和冲击波发生器,利用高频引弧效应诱导电极微爆炸产生的具有高温和高能量密度的轰击波加工工程陶瓷。在一定的电参数和轰击参数条件下,成功地在陶瓷试件上加工出通孔和矩形槽。对加工后的陶瓷试件进行了SEM分析、能谱分析和X射线衍射分析,发现轰击后的试件表面存在易加工的变质层。高频引弧微爆炸加工方法的加工机理包括高温气化、氧化和分解去除,以及爆轰冲击去除。

Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工材料去除率建模与分析

利用引弧微爆炸加工装置,以氮化硅工程陶瓷为加工对象,对引弧微爆炸加工过程的喷嘴烧损及材料去除率进行了研究。通过喷嘴烧损实验,研究了喷嘴烧损规律及喷嘴直径对材料去除率的影响;利用正交实验方法,建立了材料去除率经验模型并分析了材料去除率随加工参数的变化规律。结果显示:喷嘴直径随着脉冲次数的增加而扩展,当直径在2.4～2.8 mm之间时,可以产生最好的加工质量和最大的材料去除率;四个主要加工参数对材料去除率的影响显著,材料去除率随着工作电流、工作气压、工作脉宽的增大而增大,随着工作距离的增大而减小;建立的指数型经验模型简单可靠,与实验结果吻合良好,可以用于材料去除率的预测及控制。

工程陶瓷引弧微爆炸加工过程的高速摄像

为了研究工程陶瓷引弧微爆炸加工的工作原理,建立了高速摄像试验系统对微爆炸等离子体射流的产生过程、外观形态进行了观测,得到了微爆炸等离子体射流的产生原理.对氮化硅陶瓷和氧化铝陶瓷冲击蚀坑的形成过程进行了高速摄像观测,并利用扫描电镜观察了冲击蚀坑的截面形貌,得到了陶瓷加工的材料去除机理.实验结果表明,等离子体射流的形成过程可分为火花放电和稳定等离子体射流2个阶段,等离子体射流的直径随着电流值的增大而增大,冲击蚀坑直径随着加工时间逐渐扩展.氮化硅陶瓷加工时升华分解,蚀坑表面覆盖一层结构疏松的变质组织,在亚表面上有横向裂纹形成;氧化铝陶瓷加工时直接熔化,表面变质层成分为非晶体玻璃相.

Al_2O_3陶瓷引弧微爆炸加工温度场模拟

建立了Al2O3陶瓷引弧微爆炸加工(micro-detonation of striking arc machining,MDSAM)过程的传热模型,基于有限元理论,利用ANSYS软件对加工过程中的温度场分布进行了模拟。结合材料性质,对模拟和实验得到的蚀坑尺寸进行了比较,并分析了加工参数对温度场的影响。模拟结果表明,Al2O3陶瓷引弧微爆炸加工时在给定的加工参数下的最高温度可达13 435℃,且高温影响区范围很小,加工实验与模拟结果符合较好。随着脉冲宽度和工作电流的增加,加工区域的温度以及蚀坑的半径和深度增大;随着喷嘴半径的增大,加工区域的温度降低而蚀坑的径深比增大。模拟结果可为Al2O3陶瓷引弧微爆炸加工过程中表面形貌的预测、材料去除机理的揭示以及加工参数的选择等提供参考。

Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工温度场模拟

建立Si3N4陶瓷引弧微爆炸加工过程中温度场的数学模型,进一步明确了该新型加工技术的加工机理。基于有限元理论,利用工程数值模拟软件Patran和Nastran对Si3N4陶瓷引弧微爆炸加工的温度场分布进行了模拟,对加工后冲击凹坑的深度和宽度进行了预测,得到了不同加工参数对冲击凹坑形状的影响规律。仿真结果表明:Si3N4陶瓷引弧微爆炸加工的最高温度达到12 000℃以上,但高温影响区范围很小;其温度分布在加工区内随着脉冲持续时间的增加和加工电流的增大而增加,在加工区外温度保持室温不变。模拟结果为Si3N4陶瓷表面形貌的预测、引弧微爆炸加工机理的揭示、加工参数的合理选择等提供了理论依据。试验验证了仿真结果的正确性。

工程陶瓷引弧微爆炸加工冲击力建模及实验分析

介绍了引弧微爆炸加工过程中冲击力产生的原因,利用单因素实验确定影响冲击力的主要工艺参数,利用正交实验和回归分析的方法建立了冲击力指数型经验模型,得出工艺参数对冲击力的影响规律。实验结果表明:工作电流、工作气压和微爆炸发生器喷嘴直径是影响冲击力大小的主要工艺参数,冲击力随着工作电流的增大而减小,随着工作气压和喷嘴直径的增大而增大,而工作脉宽和工作距离对冲击力大小影响不显著;建立的冲击力模型与实验结果吻合良好。研究结果可以为引弧微爆炸加工过程的控制提供参考依据。

工程陶瓷引弧微爆炸加工技术参数分析及性能特点

从系统组成、工作原理、工艺参数、技术特点等方面,介绍了一种新开发的适用于工程陶瓷材料粗加工的引弧微爆炸加工技术,分析了影响加工过程的典型工艺参数,总结了该技术的性能特点。引弧微爆炸加工系统的主要部件为专用脉冲电源及微爆炸发生器,系统工作时生成的微爆炸等离子体射流具有高温高压特性,作用于陶瓷材料表面生成一个圆形蚀坑。加工过程中的工艺参数主要包括喷嘴孔径、工作电流、工作气压、工作脉宽及工作距离。该技术具有低成本、工艺灵活、热损伤小、加工范围广及加工后表面粗糙等特点。

引弧微爆炸加工温度场模拟及实验研究

建立了Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工过程的传热学模型,并基于有限元理论,利用大型的高级数值仿真软件COMSOL Multiphysics对Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工的温度场分布进行了模拟,并结合实际加工过程,对加工后冲击凹坑的宽度和深度进行了预测。仿真结果表明,Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工在给定的加工参数下的最高温度可达到12 100℃,但高温影响区范围很小;其材料的去除率随着脉冲宽度和加工电流的增加而增加,随着喷嘴半径的增加先增加后减小;径深比随着脉冲宽度和加工电流的增加而减小,随着喷嘴半径的增加而增加。实验验证了仿真结果的正确性。

皮秒激光在熔融石英中诱导微爆炸形成微腔的研究

介绍了皮秒激光诱导损伤的实验与理论研究。熔融石英置于硅基上,利用皮秒激光脉冲聚焦于硅与熔融石英的接触界面,在熔融石英内部诱导等离子体,并加工出微通道和微腔。在显微镜下观察,微通道和微腔的周围没有发现热裂纹,微腔的直径范围从1.5~5μm。分析了损伤的形成机理,建立模型讨论微腔的形成机理和大小特征。石英吸收激光能量形成等离子体,等离子体的形成和膨胀将产生冲击波,并受到周围介质的限制,在一个很小的体积内诱导微爆炸,受限的微爆炸在材料内部形成微腔。最后分析了微腔的分布特征。

微爆炸箔平面放电开关耐压特性研究

基于冲击片雷管金属桥箔电爆炸技术机理,设计了一种微爆炸箔平面放电开关。采用改进制造工艺代替湿法刻蚀工艺,制备了单桥和三桥串联的微爆炸平面开关,对不同桥区尺寸的微爆炸平面开关进行耐压试验;此外,采用3种方式对开关进行绝缘处理,通过耐压试验研究绝缘处理中胶层厚度、绝缘方式对绝缘效果的影响。研究表明:单桥区开关耐压性能优于三桥区串联开关;触发开关桥区尺寸越大,耐压性能越低;平面开关在空气中的耐压值与开关间隙近似呈正比关系;采用PI材料CVD技术绝缘处理的开关绝缘性能最佳。

基于STM32控制下干冰微爆炸隧道清洗机设计

基于STM32控制下干冰微爆炸的隧道清洗机的设计,主要是为了解决传统隧道清洗机对交通造成的拥堵和对水资源的浪费以及二次污染等问题。隧道清洗机是以成本较低的干冰作为清洗介质,能够做到高效多方位清洗且可即时回收掉落物。隧道清洗机以电机作为驱动,有可移动的清洗喷头,在喷头处配备了负压回收装置,其与收集装置结合可将清洗掉落的污物储存并吸收干冰气化产生的二氧化碳,在基于STM32核心处理器的控制下,还融合WiFi无线模块,能实现该机器无线自动化清洗。综上,本产品是一款以干冰清洗技术、负压收集技术、污物气体储存吸收技术和电控控制技术等几大核心技术组成的一种集绿色清洁、收集、储污和回收气体为一体的多功能隧道清洗装置。

飞片式引信微爆炸序列传爆/隔爆性能仿真

微装药(叠氮化铜)尺寸、金属飞片厚度是影响引信微爆炸序列作用可靠性的关键因素。通过构建微装药驱动金属飞片型微爆炸序列传爆/隔爆能量传递/抑制模型,形成微装药尺寸、金属飞片厚度等尺寸边界的微爆炸序列设计方法。研究结果表明:当微装药直径大于0.8 mm,驱动金属飞片速度(2 200 m/s)增长趋缓;当微装药高度大于0.5 mm,金属飞片形成稳定运动速度,可以可靠起爆下一级装药;当微装药尺寸一定时,金属飞片速度随厚度增加而降低,飞片厚度由25μm增加到50μm,可以实现微爆炸序列可靠传爆。结合微机电系统引信安保机构隔爆滑块厚度仿真分析,验证得到0.2 mm的镍基滑块可以稳定实现飞片隔爆,最终形成飞片式引信微爆炸序列传爆/隔爆设计边界。

飞秒激光在石英玻璃中诱导微爆炸的理论研究

利用有限元方法建立了二维模型,研究了飞秒激光作用下石英玻璃中导带电子的产生、激光能量的沉积、导带电子和能量扩散等微观过程.计算了导带电子扩散引起的局部净电荷及其形成的静电场分布,初步揭示了微爆炸的演化过程.