基于PSpice软件的半导体桥换能元电爆特性的模拟仿真

将电路仿真软件用于半导体桥火工品的电磁兼容性设计时,仿真准确程度取决于发火电路和半导体桥器件模型的精度。通过在电路软件中建立电容放电发火电路和半导体桥火工品电子器件模型来实现半导体桥的电爆过程仿真。研究结果表明:在电容放电发火仿真电路中,当回路电感为0.62μH、回路电阻为3.3 mΩ时,仿真电路可用于模拟实际电容放电发火电路;对比半导体桥火工品爆发过程的仿真和试验结果发现,子电路建模方法建立的半导体桥器件模型能够有效模拟出半导体桥的电爆特性曲线,且模拟电爆参数均在误差范围内。

爆炸桥箔加速贮存前后的电爆特性

为了获得爆炸桥箔贮存后的电爆特性,对爆炸桥箔开展了高温(90℃)和高温高湿(80℃,RH95%)条件下的加速寿命试验。利用照相、扫描电镜分析、发火试验和光子多普勒测速(PDV)方法,研究了加速贮存试验前后爆炸桥箔的形貌、电爆特性和飞片速度。结果表明,加速贮存后桥箔的表面均发生了氧化,高温高湿条件下,杂质元素污染及湿度造成桥箔的颜色变化显著,电阻均值由贮存前的30.3 mΩ上升至66.8 mΩ。高温对桥箔的爆发电流、爆发电压和爆发时间没有显著影响。高温高湿贮存后桥箔的爆发电压显著降低。加速贮存后爆炸桥箔在聚酰亚胺基底的附着能力变差。PDV测速结果表明,随着加速贮存时间的延长,飞片速度由3600 m·s^(-1)降至2100 m·s^(-1)(高温)和1200 m·s^(-1)(高温高湿),加速贮存会影响桥箔驱动飞片的能力,高温高湿条件对飞片速度影响更严重。

瞬态电压抑制二极管对半导体桥换能元电爆特性影响的模拟

为了解决瞬态电压抑制二极管(TVS)用于半导体桥火工品抗静电设计的参数优化问题,采用电路模拟和试验相结合的方法,构建了电容放电发火测试电路等效模型和半导体桥PSpice电子器件模型,研究了TVS参数对半导体桥换能元电爆特性的影响。结果表明,当钽电容等效串联电阻为288mΩ,钽电容等效串联电感为0.68μH,导线电感为40nH和回路电阻为3.3mΩ时,22μF/16V电容放电发火电路的等效电路模型和实际吻合。以阻抗-能量列表模型的方式创建的半导体桥PSpice电子器件模型模拟曲线和实际曲线吻合,且模拟电爆数据偏差小于3%。模拟和试验结果表明,TVS对半导体桥电爆性能的影响程度随着其击穿电压的升高而降低。当TVS的击穿电压在8~12V之间时,即使TVS击穿电压低于半导体桥发火电压,半导体桥仍能正常爆发,TVS击穿造成的分流导致半导体桥爆发延迟(2μs),且延迟时间随着TVS击穿电压的降低而延长。

爆炸箔桥翼形状对电爆特性及飞片速度影响研究

利用磁控溅射和光刻工艺制备不同桥翼形状爆炸箔,开展桥翼形状对爆炸箔电爆特性及飞片速度的影响研究。研究表明:改变桥翼形状对电学特性影响较小,圆形桥翼获得电压/电流曲线与传统蝶形桥翼一致;飞片速度随着电压提高而增加,当电压为4.7k V时,圆形桥翼爆炸箔飞片速度为3251m/s,较蝶形桥翼爆炸箔飞片速度(3073m/s)有一定提升,但增幅较小;剪切后飞片形状表明圆形桥翼增加桥翼爆发临界值,电流更为有效地被利用于桥区的等离子体过程中。

不同调制比的Al/MoO_3含能半导体桥电爆特性研究

调制比是薄膜制备中体现材料化学计量比的重要参数,直接影响含能复合薄膜的反应性能。为了研究Al/MoO_3含能复合薄膜在半导体桥上复合的最佳调制比,采用磁控溅射工艺分别制备了3种调制比的Al/MoO_3含能复合薄膜和Al/MoO_3含能半导体桥。研究了薄膜的形貌、热反应性能与Al/MoO_3含能半导体桥在不同充电电压下的电爆过程。结果表明适当调整调制比可以减小临界激发能量,缩短临界激发时间,提高含能半导体桥的燃烧时间。

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。

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。

基于Cu阻挡层的Al/CuO含能半导体桥的电爆性能研究

界面层的反应性是纳米含能复合薄膜(RMFs)制备中的重要因素,直接影响纳米RMFs的反应性能。为了研究纳米Al/CuO RMFs在半导体桥上集成后的电爆性能,采用磁控溅射工艺制备了Al/CuO含能半导体桥(Al/CuO-ESCB)和Al/Cu/CuO含能半导体桥(Al/Cu/CuO-ESCB),研究了Cu层作为阻挡层对Al/CuO-ESCB电爆过程的影响。结果表明:增加Cu阻挡层可以缩短ESCB的临界激发时间,增加ESCB的燃烧时间。

TiW/Ni/Au爆炸箔制备及性能研究

爆炸箔起爆器因其高可靠性、高安全性而在各类战术武器中备受青睐,但其起爆需要较高的输入能量和电压,需配备专门的起爆线路,导致成本高、体积大,在常规武器中应用受限。为顺应爆炸箔起爆器低能化、小型化的发展趋势,获得充电电压在1.5 kV以下的爆炸箔起爆器,设计和制备一种采用TiW/Ni/Au复合薄膜的爆炸箔,并对其电爆性能和驱动能力进行了深入研究。研究结果表明:桥区尺寸为0.15 mm×0.15 mm的TiW/Ni/Au爆炸箔性能最佳,可在0.1μF储能电容、800 V充电电压下可靠发生电爆炸,使25μm厚的聚酰亚胺飞片,在直径350μm的加速膛剪切作用下,在0.4μs内加速到3 920 m/s;与Cu箔相比,800 V充电电压下,相同桥区尺寸的TiW/Ni/Au爆炸箔电爆炸能量利用效率从3.11%提高到了12.76%。

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。