电爆桥膜换能元设计研究

基于国内外电爆桥膜换能元技术的研究现状,总结了桥膜换能元的基本结构和类型,给出了V形桥区电阻和质量的计算方法;并提出了电容放电输入和长脉冲恒流输入条件下桥膜换能元的电热致电爆换能模型,以便估算桥膜换能元温升及临界爆发参数。采用溅射镀膜方法制备了多种不同结构的桥膜芯片及其桥塞换能元,测试表明桥膜芯片的电阻偏差均小于±5%。电爆实验表明,电阻/质量为2.25Ω/0.196μg的芯片与Φ3.4mm的桥塞所集成的换能元,在24V/33μF放电下的爆发时间为87μs,瞬发度很高;5min恒流脉冲输入的不爆发电流约为0.91A,电流安全性较好。电阻/质量分别为1.03Ω/0.259μg和1.05Ω/0.095μg的芯片与Φ3.4mm的桥塞所集成的换能元,5min恒流脉冲输入的不爆发电流均大于1.32A,电流安全性较高。

银膜换能元的喷墨打印及其性能表征

针对常用薄膜换能元的沉积和成型方法耗时长、成本高、材料利用率低等问题,采用喷墨打印制备了银膜换能元,并采用扫描电镜(SEM)和原子力学显微镜(AFM)对换能元形貌及厚度进行了表征,对银膜桥的发火性能进行了研究。结果表明,银膜换能元厚度为2.1μm,表面平整,在不同输入能量下存在电热、电爆两种情况。银膜桥更容易产生等离子体;蘸有斯蒂芬酸铅(LTNR)的银膜桥在47μF脉冲放电下50%发火电压为6.65 V,脚-脚间可以耐受25 kV静电放电(放电电容为500 pF,串联5 kΩ电阻),可通过钝感电火工品1A1W5min测试。

电火工品换能元增效技术研究进展

作为电火工品的核心部件,换能元直接影响着电火工品的安全性和可靠性。电火工品结构微型化、换能信息化、序列集成化的发展趋势对于换能元提出了更高的技术要求。如何实现在低能量刺激下可靠发火,同时提升换能元的点火输出能力,即如何实现电火工品换能元的效能提升成为目前火工品换能器件研究的重要课题之一。为此,本文从换能元基底和电阻材料的优选、发火结构优化设计、自含能一体化增效以及含能薄膜复合增效等角度,综述了近年来电火工品换能元低能发火与输出增效的最新研究进展。在此基础上,讨论了未来开展换能元增效研究的重点:建立换能元材料参数基因库,借助机器学习算法等手段提高换能元发火结构优化设计的效率,针对宽带隙半导体材料等开展新换能体制的基础研究,探索含能金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)、含能钙钛矿等新型含能薄膜材料在换能元上的集成制备。

非晶合金新型换能元材料性能初探

为论证非晶合金作为新型换能元的可行性,设计制作了桥丝式非晶合金换能元,采用DSC热分析方法研究构成组分对非晶合金材料释能效果的影响,通过实验探究了非晶合金桥丝换能元在恒定电流激发下的电热温度响应、电阻温度系数变化以及电容放电激发的电爆特性。结果表明,非晶合金是一种亚稳态的含能材料,在晶化过程中释放能量。桥丝式非晶合金换能元具有电阻负温特性,电阻相对变化率为6.38%,电热换能功率可提高17.5%,与电阻-温度线性变化的镍-铬桥丝换能元相比,表现出更优良的释能效果。研究初步论证了非晶合金作为新型换能元材料的可行性,为电火工品换能增效技术发展提供了新方案。

Ni-Cr桥膜换能元直流激励下作用规律研究

为了研究直流激励下Ni-Cr桥膜换能元的作用规律,采用磁控溅射法制备了一种多层复合结构的Ni-Cr桥膜换能元,并通过电压探头、光电传感器和红外热像仪获得了不同电流输入时换能元电压、光信号和表面温度随时间变化的特征曲线。结果表明:在低电流(I≤2.5A)输入下,Ni-Cr桥膜换能元的作用规律类似传统桥丝/桥带换能元的热传导作用规律;当输入电流增大至3.0A时,Ni-Cr桥膜换能元的作用规律转变为微对流作用规律;当Ni-Cr桥膜换能元并联热敏电阻后,热敏电阻的分流作用有效抑制了换能元温度的升高,提升了安全电流,但同时也抑制了桥区等离子体的形成,因而无法实现热传导向微对流作用规律的转换。

MEMS火工品换能元的研究进展

换能元作为微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS)火工品的核心部件,是MEMS火工品安全性和可靠性的重要影响因素,对整个武器系统的影响也是不可忽视的。文中从换能元的基底和电阻材料研究、结构设计等角度,综述了近年来MEMS火工品换能元的最新发展研究。介绍了MEMS火工品换能元的两大关键技术:MEMS火工品换能元的设计制备方法以及换能元性能参数的测试表征。指出:具有微型化、集成化、多功能化和高可靠性的MEMS火工品换能元是未来研究的热点。为M EM S火工品换能元的设计研究提供理论支撑,应加强微尺度下的热散失特性以及桥区电阻特性研究。认为复合含能薄膜桥换能元是MEMS火工品换能元的一个重要发展方向。

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。

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。

火工品换能元直流激励下温度响应特性仿真研究

使用Multiphysics分析软件,建立了半导体桥发火换能元的有限元仿真模型。重点研究A型、B型两种半导体桥发火换能元在直流激励条件下的安全性能和输出性能。对换能元高瞬发点火时的温度响应进行仿真分析,得出两种情况下换能元的温度分布云图,并利用红外热波无损检测技术进行温度检测。对比仿真结果进行分析,获取换能元结构、性能等数据,完善火工品换能元性能检测技术。结果表明,B型半导体桥换能元更符合火工品安全性和可靠性要求。

不同桥形微结构换能元的仿真设计与实验研究

微结构换能元是微机电系统(Micro Electro?Mechanical Systems,MEMS)火工品的关键器件,其桥区微结构设计对MEMS火工品的输出性能和能量利用率具有显著影响。为完善MEMS火工品微结构换能元设计理论,设计制作了8种不同桥形微结构换能元,采用仿真研究与红外测试等手段进行微结构换能元桥形结构优选与微结构效应研究,获得了V?50和L?1两种优选桥形结构换能元,揭示了不同桥形结构对换能元输出性能的影响规律,其中V?50桥形微结构换能元平均发火电压达到了100μF/3.5 V,能量利用率为46.6%。

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。

厚度对MEMS换能元薄膜电阻率的影响研究

为完善微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS)火工品薄膜换能元设计理论,减小微尺度下换能元参数的设计误差,保证设计电阻及MEMS火工品的作用性能,理论分析了微尺度下薄膜电阻率的影响因素,采用磁控溅射进行了不同材料(Al、W、Cr、Ni-Cr)、不同微纳米厚度(<2μm)薄膜的制备,并对不同厚度薄膜的电阻率参数进行表征,揭示了微纳尺度下电阻率的尺度效应规律,获得了相应的拐点数据。

Al/CuO肖特基结换能元芯片的非线性电爆换能特性

依据肖特基势垒理论,设计并制备了Al/CuO肖特基结换能元芯片。用击穿电压仪研究了换能元芯片的电击穿性能,用电容放电的激发方式研究了芯片的电爆特性。结果表明,对前者,芯片存在发火阈值,具有整流特性,击穿电压与肖特基结的个数无关,击穿电压为8 V;对后者,芯片也存在发火阈值,发火阈值与肖特基结数呈正相关,芯片还具有发火延迟特性。延迟时间的长短与肖特基结数也呈正相关。同时芯片还具有多次激发而连续发火的特性。显示Al/CuO肖特基结换能元芯片是一种具有非线性电爆换能特性的新型电爆换能元。

爆炸箔换能元失效模式分析

基于提升爆炸箔类火工品一致性与可靠性的目的,结合换能元制备过程,采用故障树分析法(FTA)建立了换能元失效模型,并在此基础上通过感度试验,对各类失效模式进行了验证与分析。结果表明,换能元桥区存在微小通孔时或边缘存在凸起时,50%发火电压有较大幅度提升,失效概率最高。

影响微冲击片换能元性能的关键因素初探

采用MEMS工艺制作了微冲击片换能元,研究了桥箔、飞片、加速膛的微观形貌,并通过测试桥箔电爆性能、飞片速度和微冲击片换能元的发火性能,研究了桥箔厚度、飞片坚膜工艺、加速膛高度等对微换能元的起爆性能影响。研究表明:采用SU-8胶制作飞片、加速膛,并对飞片进行坚膜工艺处理,以及选择3.3μm厚度的桥箔和201μm高度的加速膛,可使微冲击片换能元具有更好的发火性能。

基于MEMS工艺的电极塞换能元一体化集成技术

针对传统电火工品桥丝焊接存在虚焊、人工效率低等问题,开展了基于MEMS工艺的电极塞换能元一体化集成技术研究。提出了电极塞换能元一体化集成设计的方案,通过在传统电极塞中引入MEMS工艺,形成了一体化集成的电极塞换能元。所设计的电极塞换能元具有平面结构、无人工焊接、批量化等特点,在10μF/15V条件下能够可靠作用。本研究为新一代电火工品设计提供技术支撑。

钝感氮化钽桥膜换能元制备研究

为满足钝感起爆/点火的需求,采用氮化钽作为换能元桥区材料,在桥区结构、参数设计的基础上,对剥离、溅射和热处理等关键工艺进行了研究。参照国家军用标准GJB 5309.10-2004,对制作完成的氮化钽桥膜换能元的不发火电流、发火电流进行了测试。结果表明,采用多次间隔溅射和热处理等工艺,实现了氮化钽桥膜换能元桥区的厚膜图形化,并且氮化钽换能元可实现直流3A9W5min不发火、直流5A发火。

加速膛孔径对冲击片换能元换能特性的影响

加速膛在冲击片换能元中起着剪切飞片和提供飞片加速通道的功能,其孔径对飞片速度形态有重要的影响。本文中,研究不同加速膛孔径对冲击片换能元在不同回路参数条件下的爆发电流和飞片速度的影响规律,并且与数值模拟计算结果进行对比。结果表明,在相同的短路电流峰值和桥箔条件下,加速膛孔径对桥箔的爆发电流没有明显影响,但是对飞片速度有较大影响。加速膛孔径增加,飞片面积增加,飞片速度相应减小;但是飞片面积存在着一个最大值Smax,当加速膛孔的面积大于Smax时,飞片的面积会保持为一定值,不再随着加速膛孔径的增加而变化,此时加速膛失去剪切飞片的功能,只是保留了提供飞片加速通道的功能,从而导致飞片速度不再发生变化。对于文中的起爆回路和桥区尺寸为0.3mm×0.3mm×0.005mm的铜桥箔来讲,可以近似认为Smax=0.32πmm^2,对应的加速膛孔径约为0.60mm。研究结果为加速膛的孔径设计范围提供依据。

基于FPC工艺的集成冲击片换能元性能分析

为了提高爆炸箔起爆器的制造效率和产品一致性,设计和制造了一种基于柔性电路板(简称FPC或软板)制造工艺的集成冲击片换能元,并对该集成换能元的电爆炸性能、驱动飞片能力和起爆六硝基茋的能力等基础性能进行了研究。采用高压探头测量了爆炸箔两端的电压曲线,采用罗果夫斯基线圈测量了放电回路的电流曲线,通过光学多普勒测试手段(PDV)测量了电爆炸过程驱动飞片速度历程曲线。结果表明,放电回路峰值电流和桥箔的爆发电流随着电容两端电压的增加而线性增加,其中桥箔的爆发电流从2080 A增加到2680 A。桥箔的爆发时间随着电容两端电压的增加而线性地从232 ns减小至156 ns。随着充电电压的增加,飞片速度从4056 m·s^(-1)增加到4589 m·s^(-1),速度标准偏差为38~48。该冲击片换能元可在放电回路电流峰值约2.04 kA时可靠起爆HNS?Ⅳ,而基于传统制造方式冲击片换能元的起爆电流峰值为2.340 kA。