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%。

基于Parylene C的单触发开关性能实验研究

为了研制具有高导通电流和高导通速率能力的单触发开关,利用微加工技术制备了基于Parylene C的三明治结构单触发开关。在主回路充电电压1.0~1.6kV的范围内,分析了开关触发回路电流、电压特性,导通峰值电流、上升时间、开关延迟时间,并且对单触发开关的电感、电阻做了估算。结果表明,基于Parylene C的单触发开关性能优于基于聚酰亚胺的单触发开关;随着开关加载电压的升高,开关导通的峰值电流呈现不断增大的趋势,但是上升时间几乎不变,其延迟时间分布在1~200μs之间,呈随机性分布,开关电阻随其作用时间增加不断增大。

MEMS微发火器件研究现状

首先分析了国内外关于微电子机械系统(MEMS)微发火器件的研究报道;接着从与MEMS微加工工艺兼容性、发火输出、安全性等角度对比了装药型微发火器件、爆炸箔基微发火器件、多孔硅基微发火器件、含能金属薄膜基微发火器件和半导体桥基微发火器件的特点、研究现状和前沿方向,发现含能金属基和半导体桥基微发火器件两者前景最好,其中含能金属基微发火器件因具有发火输出大、与MEMS工艺兼容性好的优点受到广泛关注,而半导体桥基微发火器件因换能传热效率高、微加工兼容性高受到认可;最后指出改善微发火器件换能传热效率、降低器件无用能量散失和提高发火器件所加载的含能材料能量密度是微发火器件研究的主要方面。

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。

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。

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工艺的爆炸箔芯片与高压开关研究现状

爆炸箔起爆器作为新型高安全性和高可靠性火工品,可广泛应用于武器系统的点火起爆、飞行器以及航天器的作动分离等诸多技术领域。从火工品的集成化、小型化以及低成本的发展趋势出发,介绍了南京理工大学微纳含能器件工信部重点实验室基于薄膜集成工艺、低温共烧陶瓷工艺以及印制电路板工艺开展的关于MEMS爆炸箔芯片和高压开关的研究现状。从设计、制备、发火性能、成本等方面分析和对比了各自的特点。最后介绍了爆炸箔芯片在超压起爆以及爆电耦合等新技术领域的研究进展。

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。

平面放电开关的导通特性研究

基于分段连续仿真的方法,以计算得到的电爆炸时金属气体压力作为输入,将桥区的电爆炸等效成压缩气体对外膨胀做功,对一种微机电技术制造的由聚酰亚胺覆盖的平面高压开关的导通过程进行了仿真研究。仿真结果表明:高压电极出现电流的滞后时间是由触发极桥区电爆炸过程决定的,高压电极是由电爆炸金属气体膨胀直接连通的。最后制造了开关样品,测试得到的电路波形与仿真符合地很好。