Cu箔晶体微观形貌对爆炸箔起爆器的性能影响试验研究

为研究Cu箔微观形貌及内部晶体组织结构对爆炸箔起爆器(Exploding Foil Initiator,EFI)性能的影响规律,采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术和Lift-Off刻蚀法,在150,450 W和800 W溅射功率条件下制备了3种不同晶体形貌的Cu箔,并开展相应爆炸箔(Exploding Foil,EF)电爆炸性能,飞片速度以及EFI发火性能的试验研究。试验结果表明:3种溅射功率对应样品的平均晶粒尺寸分别为19.6~36.7nm,41.5~62.9 nm和58.6~80.2 nm,表面平均粗糙度分别为6.7,16.9 nm和46.2 nm,附着力分别为42.436,55.569 mN和71.135 mN。溅射功率为800 W时制备的Cu箔晶粒尺寸最大且分布最均匀,晶粒沉积致密平整,晶界较少,表面粗糙度最大,附着力最强,Cu(1 1 1)晶面的衍射峰最高,相应EF的电阻值和电感值最小,电爆炸能量利用率和飞片速度最高,集成的EFI 50%发火感度比溅射功率为450 W和150 W获得的样品分别高19.1%和22.6%。

爆炸箔起爆器热烤试验与数值模拟研究

采用试验和数值模拟相结合的方法,开展了爆炸箔起爆器(ExplodingFoilInitiator,EFI)在慢烤、快烤条件下的热安全性研究。设计并组建了一种适用于EFI等小型火工品的烤燃装置,开展了EFI烤燃试验;同时,利用ANSYS/FLUENT对EFI烤燃响应状况进行了数值仿真计算。试验结果显示:EFI在10K/h慢烤条件下响应时间约为25.8 h,响应温度约为555K;在快烤条件下响应时间约为135min,响应温度约为565K。在两种条件下EFI响应等级均为爆燃。将数值模拟结果与烤燃试验结果进行对比分析,数值模拟与试验响应时间相差小于10%,响应温度相差小于2%。研究表明本文设计组建的烤燃装置适用于EFI的烤燃试验,数值模拟模型较为准确。

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。

用双灵敏度VISAR测试爆炸箔起爆器的飞片速度

用双灵敏度VISAR测试爆炸箔起爆器的飞片速度历史。通过对飞片表面镀膜处理,消除了爆炸箔爆炸自发光产生的干扰,增加了飞片的反射率。在爆炸箔宽360μm,厚8.4μm,加速膛直径为1.2 mm,飞片厚0.12 mm,放电回路充电电压为4.5 kV,放电周期为750 ns的条件下,飞片最大速度为4.1 km/s,飞片加速时间约为150 ns,飞片达到最大速度的飞行距离约为0.3 mm。

爆炸箔起爆器小尺寸飞片速度测试

设计了一套爆炸箔起爆装置,通过精确控制桥箔-飞片-加速腔三者的定位,在飞片表面镀一定厚度的铝膜(铝膜的质量与飞片的质量相比可忽略),合理选择VISAR探头的工作距离和与干涉腔延迟时间相关的条纹常数,屏蔽测试系统以及加设滤光片等,利用VISAR测试技术有效解决了小尺寸飞片速度的测试问题。给出了两种尺寸0.7mm×0.025mm和0.5mm×0.025mm飞片的速度测试结果。结果表明,采取新的措施后,获得了信噪比好、能正确反映爆炸箔起爆器驱动飞片物理过程的信号和飞片速度历史。

爆炸箔起爆器桥箔夹角优化设计

为了确定桥箔夹角对爆炸箔起爆器能量利用率的影响,设计并用离子刻蚀法制备了30°、45°、60°、75°和90°共5种不同夹角的桥箔,研究了其电爆炸性能。结果表明:在同一充电电压下,夹角为45°桥箔的爆发电流和峰值电流最大;爆发电流密度与飞片速度关系的分析及爆发功率和爆发时间与峰值电流时间差的比较显示,45°夹角的桥箔有能量利用率较高和发火能量较低的良好性能。

爆炸箔起爆系统初始电阻对爆发电流和飞片速度影响的数值模拟

研究了电爆炸箔起爆系统起爆回路初始电阻对爆发电流和冲击片雷管飞片速度的影响规律,分析了影响电爆炸箔起爆系统体积的因素,为在可靠发火条件下降低起爆系统体积提供设计参考。

装药参数对爆炸箔起爆器性能的影响

为研究HNS-Ⅳ装药参数对爆炸箔起爆器(EFI)性能的影响,测试了不同装药参数的EFI在不同放电电压下的作用时间。结果表明,装药密度为理论最大密度(TMD)的90%时,EFI起爆感度最高,作用时间最短,当装药密度为60%TMD和98%TMD时,EFI的起爆感度很低;装药密度为90%TMD时,装药直径在一定范围内对EFI起爆感度及作用时间基本没有影响。

高空核电磁脉冲对爆炸箔起爆器安全性的影响

目的评估爆炸箔起爆器(EFI)在高空核电磁脉冲下的安全性。方法通过吉赫兹横电磁波室(GTEM)强电磁脉冲模拟系统,开展辐射方式下EFI电极塞在模拟高空核电磁脉冲(HEMP)下的感应电流试验测试。HEMP主要是通过电磁辐射方式在EFI脚线上耦合能量,在爆炸箔上产生感应电流,用光纤场强计监测模拟HEMP的电场强度,并在EFI爆炸箔电极塞脚线上套装电流环,通过示波器监测爆炸箔上的感应电流波形。结果在爆炸箔电极塞两根脚线上分别连接相同长度的导线,按导线长度不同分为5、10、20、30、40、50 cm共6组,使导线成180°状态,EFI的脚线可等效为偶极天线,感应电流随脚线长度增加而增大,两者呈线性关系。结论EFI在HEMP下的感应电流远小于发火电流,对核电磁脉冲环境具有较高的耐受能力,具有较高的安全性。

爆炸箔起爆器作用机理研究进展

从金属桥箔电爆炸、电爆炸驱动飞片和飞片冲击起爆炸药三个方面,综述了爆炸箔起爆器作用机理的研究进展。认为:爆炸箔起爆器在分段式电阻率模型、先进飞片测速技术、基于能量转化系数的电爆炸驱动飞片速度计算模型和基于临界起爆判据的感度预测等方面取得了重要进展,获得了一些规律性认识,一定程度上促进了其低能化设计。指出:小尺寸条件下电爆炸驱动飞片过程中的能量耗散及飞片烧蚀的定量描述、飞片在飞行中的瞬时形态、爆炸箔起爆器小尺寸装药的非理性爆轰性能预测、波阵面后微流场观测技术将成为爆炸箔起爆器未来研究的重点。

低成本爆炸箔起爆器系统技术研究

为了开发适用于民用爆破的低成本爆炸箔起爆器系统,以高压开关为切入点开展研究,设计、制作了基于串联陶瓷气体放电管的低成本高压开关,并结合前期研制的低成本集成爆炸箔芯片和微流控重结晶六硝基茋(HNS)炸药技术,开展了爆炸箔电爆特性、电爆炸等离子体驱动飞片、飞片冲击起爆HNS炸药等研究。研究结果表明:低成本爆炸箔起爆器系统可以在0.30μF、1.5 kV条件下成功起爆细化HNS炸药。为爆炸箔起爆器系统技术在民用爆破领域的应用提供了技术支撑。

电爆炸箔起爆系统初始电感的计算模型

回路电感作为电爆炸箔起爆系统 ( exploding foil initiation system简称 EFIS)的重要参数 ,掌握其规律是将系统进一步小型化的基础 .给出了电爆炸箔起爆系统起爆回路的简化模型 ,提出了简化推导的 3个假设条件 ,利用拉氏变换推导并验证了利用放电电流曲线确定电爆炸箔起爆系统初始电感的测算公式 ,利用 Quantic的实验曲线验算了该公式 .结果表明测算公式是准确的 ,为

爆炸箔起爆器集成技术研究

为给武器系统安全起爆提供有效手段,对爆炸箔起爆器小型化集成技术进行研究,设计了一种包含电容在内的同轴爆炸箔起爆器,并研究其内部核心元件--集成芯片的制备方法,解决了低成本批量制备爆炸箔集成芯片工艺问题。采用压电薄膜法对集成状态与离散状态下爆炸箔起爆器的飞片平均速度进行测试,结果表明,在试验电压范围内,集成状态下爆炸箔起爆器的飞片平均速度均高于离散状态,表明集成的爆炸箔起爆器较离散元件具有更高的能量利用效率。对集成芯片进行HNS-Ⅳ炸药起爆试验,结果表明,集成芯片的临界起爆电压在1600V左右且具有较高的可靠性和较好的一致性,所用药剂与集成芯片匹配性良好。

加速膛与复合飞片对集成爆炸箔起爆器性能的影响

采用微机电系统制造技术实现了爆炸箔起爆器的集成制备。利用磁控溅射工艺和化学气相沉积技术制备了0.4 mm(L)×0.4 mm(W)×4.6μm(H)的Cu桥箔、聚氯代对二甲苯(Parylene C)(25μm)/Cu(2μm)复合飞片层;利用紫外光刻技术实现了环氧树脂干膜(SUEX)加速膛的制备,获得了厚度为0.395 mm,直径为0.40,0.56,1.00 mm的三种加速膛,且壁面垂直度均良好。通过光子多普勒速度(PDV)测试系统,研究了发火电压与加速膛尺寸对复合飞片速度的影响。进行了起爆六硝基茋(HNS)炸药的爆轰试验。结果表明,复合飞片的速度随着发火电压的增加逐渐增大;在相同发火条件下,复合飞片的速度随着加速膛直径的减小反而逐渐增加,即在同一发火条件下Ф0.40 mm的加速膛下获得的复合飞片速度最大。起爆HNS炸药的试验结果显示,发火电压随着加速膛直径的减小逐渐降低;相对于Ф1.00 mm的加速膛,Φ0.40 mm的加速膛在0.22μF电容放电条件下,发火电压降低了200 V左右。

基于非硅微制造工艺的爆炸箔起爆器研究

为了实现爆炸箔起爆器的集成化和批量化制备,研究了爆炸箔起爆器非硅微制造工艺技术。采用磁控溅射和光刻技术制备了桥箔,通过紫外厚胶技术在桥箔上制备了聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶飞片层,并利用SU-8光刻胶集成制造了加速膛,划片后一个衬底上制备了268个爆炸箔起爆器组件,每个组件的体积为0.018 cm3.集成后的爆炸箔起爆器50%发火感度为2 185 V.试验了爆炸箔起爆器组件的耐高温性能,结果表明在160℃下经历50 h以后,爆炸箔起爆器组件依然可以正常起爆Ⅳ型六硝基菧炸药柱。

爆炸箔起爆器发火阈值影响因素的数值模拟

为了研究由桥箔、飞片和加速膛所组成的换能组件对爆炸箔起爆器(EFI)发火性能的影响,达到降低发火阈值的目的,利用ANSYS/AUTODYN软件,模拟了桥箔驱动飞片起爆六硝基茋(HNS-Ⅳ)的过程。研究了桥箔厚度对飞片速度的影响,探究了桥区宽度、飞片材料(有机玻璃、陶瓷和聚酰亚胺)、飞片厚度和加速膛长度对EFI发火阈值的影响。结果表明,减小桥区宽度有利于降低爆炸箔起爆器的发火阈值。在输入电压相同的条件下,2μm厚度的桥箔驱动飞片速度最大;爆炸箔起爆器发火电压随着飞片厚度的增加先降低后增大,当厚度为10μm时发火电压最低;相比于0.225 mm、0.250 mm和0.275 mm加速膛,用0.125 mm加速膛时发火电压最低,说明减小加速膛长度有利于降低爆炸箔起爆器的发火阈值;在加速膛孔径确定的情况下,"无限型"加速膛发火电压低于"有限型"加速膛。聚酰亚胺力学性能好、发火电压低、撞击动能小,优于其它两种材料(有机玻璃和陶瓷)。

集成爆炸箔起爆器的制备和飞片驱动能力表征

利用磁控溅射、光刻、化学气象沉积等技术制备了一种基于氯代对二甲苯(PC)飞片与Su-8光刻胶加速膛的集成爆炸箔起爆器(EFI),利用光子多普勒技术研究了爆炸箔、飞片,以及加速膛结构参数对飞片加载能力的影响作用。结果表明,在起爆电压2.6kV,电容0.2μF,作用时间1.2μs的条件下,集成制造所引发的EFI部分材料的变化并未对其飞片加载能力带来显著影响,相同尺寸的聚酰亚胺飞片与PC飞片的加速历程较为相近,且集成EFI飞片加载能力与结构参数相同的常规EFI相当。利用该集成EFI能成功起爆Ⅳ型六硝基茋。

低温共烧陶瓷爆炸箔起爆芯片的设计、制备与发火性能

采用低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)工艺实现了爆炸箔起爆芯片的一体化集成制备。采用丝网印刷的方式制备了厚度为5μm的Au桥箔(300μm×300μm);采用25μm和50μm两种厚度的生瓷片作为爆炸箔起爆芯片的飞片,设计了圆形(Ф=400 μm)和方形(L×W=300 μm×300 μm)的两种加速膛形状的爆炸箔起爆芯片。在0.22 μF电容放电条件下,研究了Au桥箔的电爆性能。通过光子多普勒测速技术分析了陶瓷飞片的速度特征及其运动过程中的形貌。结果表明,在发火电压1.8kV下,Au桥箔的能量利用率最大;飞片的终态速度随着发火电压的增加而增大;在相同的发火条件下,飞片经方形加速膛加速后的出口速度比圆形加速膛高出106 ~313 m·s^-1;另外,陶瓷飞片越厚,飞片在飞行过程中的运动形貌保持得越完整。该工艺制备的爆炸箔起爆芯片可成功点燃硼/硝酸钾(BPN)点火药,并起爆六硝基芪(HNS)炸药。LTCC爆炸箔起爆芯片(50μm厚陶瓷飞片,圆形加速膛)的最小点火电压为1.4kV,最小起爆电压为2.5kV。

基于MEMS工艺的集成爆炸箔起爆器研究

针对传统爆炸箔起爆器功耗高、体积大等问题,对基于MEMS工艺制备的低功耗、小型化集成爆炸箔起爆器进行研究。从仿真设计、工艺制备和试验表征3个方面对集成爆炸箔起爆器进行了较为系统的研究。试验结果表明:运用MEMS工艺制备的集成爆炸箔起爆器可成功起爆HNS炸药,采用PC/Cu复合飞片与SU-8光刻胶等新型材料集成制备爆炸箔起爆器是可行的。

NONA炸药在爆炸箔起爆单元中的应用研究

为满足火工品在200℃的高温环境中24h、甚至48h后仍能正常作用,开展了2,2′,2″,4,4′,4″,6,6′,6″-九硝基三联苯(NONA)炸药在爆炸箔起爆单元中的应用研究。通过试验研究了NONA炸药的耐热性能,以及其粒度、装药密度、装药高度对爆炸箔起爆性能的影响。试验结果表明,NONA炸药在400℃左右只发生缓慢的热分解反应,当NONA粒度为5μm,装药密度为90%TMD(1.602g/cm^(3)),装药高度不低于3mm,装药直径为Φ3mm时,爆炸箔起爆单元起爆感度最高。