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。

MEMS平面微起爆器的原位构筑及性能

设计了一种微机电系统(MEMS)平面微起爆器并对其性能进行了研究。该微起爆器由MEMS微结构换能元和直写起爆装药两部分组成。金属微结构换能元和装药构筑在同一平面上。首先在氮化硅硅片上构造Ni/Cr微结构换能元,然后在微结构换能元的一侧刻蚀微装药腔体,微结构换能元的桥区部分构造在微装药腔体的内部。采用微控直写法,在微装药腔体内部写入一种具有多孔性质的纳米铜墨水前驱体,经过气固原位叠氮化反应后,形成叠氮化铜(Cu(N_(3))_(2))MEMS起爆器件。该微起爆器平均电阻为4Ω,作用时间为8.44μs,50%发火电压为14.29 V,发火能量为0.33 mJ,装药量平均值5.18mg,质量相对标准偏差2.6%。该微起爆器能够起爆六硝基六氮杂异伍兹烷(CL⁃20)炸药。

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。

微芯片爆炸箔起爆器及其平面高压开关研究进展

爆炸箔起爆系统(Exploding Foil Initiator system,EFIs)的每一次技术升级都伴随着设计理念和制造工艺的革新,尤其是微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)和低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)工艺,极大地促进了微芯片爆炸箔起爆系统(Micro Chip Exploding Foil Initiator system,McEFIs)的发展。简要分析了两种工艺制备微芯片爆炸箔起爆器(Micro Chip Exploding Foil Initiator,McEFI)的优缺点,列举了几种平面高压开关在电容放电单元(Capacitor Discharge Unit,CDU)中的工作性能,得出了开关的设计思路和研究方法的可行性。基于MEMS工艺和LTCC工艺制备及研究McEFI、平面高压开关和平面高压开关集成McEFI,分别总结了国内外的研究进展。提出了重点研究方向:深入研究MEMS工艺制备McEFI及其平面高压开关,以达到工程化应用;采用LTCC工艺,一体化烧结可制备具有独石结构的平面高压开关和McEFI。

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。

微起爆序列用硅基作动机构隔断特性研究

针对MEMS火工品的内置安全控制设计需求,在硅基MEMS作动机构的基础上,重点开展了硅基作动机构与微起爆传爆序列的集成化设计与能量匹配研究。该序列主要由微起爆器、微作动机构及传爆药组成。其中微起爆器的叠氮化铜装药尺寸为Ф0.8mm×0.8mm,装药量为1.5mg;微作动机构在11V直流电压驱动下,可以实现传爆通道的开启与闭合,隔断位移为743.06µm;传爆药为油墨直写方式制备的CL-20传爆药,装药尺寸为Ф3mm×3mm,装药密度为1.66g/cm^(3),装药量约为35mg。研究表明该序列具备可靠起爆、传爆以及隔爆功能。

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。

纳米CL-20炸药含能墨水的直写规律

针对MEMS引信中微传爆序列,基于直写技术,研究了由纳米CL-20炸药、黏结剂体系(包括黏结剂和溶剂)和其他添加剂组成的CL-20炸药墨水的直写特性,并制备了3种含能墨水。分析了直写压力、针头直径、直写高度和墨水黏度等因素对直写过程的影响规律。结果表明,随墨水黏度增大,直写线宽减小且减小幅度增大,但黏度过度偏大时,会影响直写线宽的均匀性,配方I在喷头高度为0.50mm和0.75mm时,以及配方III在喷头高度为0.75mm时,均出现了线宽不均的现象;配方II直写线宽稳定更适合直写装药。随着喷管压力的增大,CL-20油墨的打印线宽明显增加,且对于不同针头直径和不同配方墨水压力大小变化相同,线宽的增幅基本相同,当压力由100kPa增加到200kPa,线宽增大约2.5倍。随着喷头内径的增大,油墨的直写线宽明显增大,且线宽增加的幅度越来越大。随着喷头高度的增大,油墨的直写线宽减小。对于直写线宽大于1 285μm的墨水线条,固化后墨水表面均出现气泡,直写时应控制线宽,防止在直写过程中空气进入墨水。

CL-20含能墨水喷射速度仿真

含能材料直写技术可以解决MEMS微起爆器中微型炸药序列的装药问题。基于Fluent有限元软件,建立了CL-20含能墨水直写喷射模型,分别模拟了直写压力、针头直径和墨水黏度等因素对CL-20含能墨水喷射速度的影响。模拟结果表明:随着黏度增大,喷头中流体流动速度降低,同时,速度降低的幅度变小;压力增大,喷头中流体流动速度增大,且压力与速度变化的关系为正比关系;喷头直径增大,墨水流动速度增大,且随着喷头直径的增大,墨水流动速度增幅变大。