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)。     

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=400μm)和方形(L×W=300μm×300μm)的两种加速膛形状的爆炸箔起爆芯片。在0.22μF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1.8 kV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1.4 kV,最小起爆电压为2.5 kV。     

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。     

一种原位集成冲击片组件的制备及飞片驱动性能

为研究冲击片集成组件制造方法及其性能,采用化学气相沉积法(CVD)在爆炸箔基底上沉积制备了聚氯代对二甲苯(PC)飞片层,并且利用光刻方法原位集成了Su8-2150光刻胶加速膛,获得的加速膛厚度大于300μm且壁面垂直度良好。利用光子多普勒速度(PDV)测量技术获得了该冲击片组件电爆炸驱动飞片的加速历程。对比了常规方法制造的冲击片组件(聚酰亚胺飞片)与相同参数集成冲击片组件的飞片加速历程。结果表明,两组加速历程基本一致。聚酰亚胺飞片与PC飞片在前80 ns内分别达到了最大速度的77%与80%,加速膛出口处飞片速度分别为3970 m·s~(-1)和3906 m·s~(-1),两种冲击片组件驱动性能接近,飞片和加速膛的材料的改变对电爆炸驱动飞片过程未产生明显影响。     

基于MEMS技术的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药试验研究

采用MEMS技术制备了一体化集成的EFI芯片,研究了EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药的能力,试验结果表明在起爆电压高于2 400V下EFI芯片能够成功起爆HNS-Ⅳ炸药,并且可靠地剪切出飞片。设计了3种桥箔和加速膛尺寸匹配关系的EFI芯片,用兰利法测试其发火感度。结果表明桥箔尺寸为0.3mm×0.4mm、加速膛直径为0.3mm时,EFI试验件的发火感度最高,50%发火电压为1 928V,全发火电压为2 013V。     

基于FPC工艺的集成冲击片换能元性能分析（英文）

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。     

加速膛对激光驱动飞片速度及形貌的影响规律

为揭示加速膛对激光驱动飞片速度及形貌的影响规律,采用光子多普勒测速(PDV)技术、阴影成像技术和显微分析方法研究了厚度20μm单层Al飞片在不同加速膛孔径和长度下的速度和形貌演化历程。结果表明,加速膛孔径与Al飞片被激光烧蚀的孔径大小相当时,即孔径在800μm时飞片可获得3100 m·s^-1的最大速度;加速膛孔径大于800μm时对飞片无法起到有效约束作用,飞片速度有所下降,其中加速膛孔径为1500μm时飞片速度最小,为2700 m·s^-1;加速膛孔径为600μm小于激光烧蚀孔径时,造成周围部分能量的浪费,飞片速度也偏低,为2900 m·s^-1。固定加速膛孔径为1000μm,长度在200~700μm时,飞片速度随加速膛长度增加而明显降低,并且Al飞片在飞出加速膛后均破裂成碎片状并迅速向周围扩散,无法保持完整,飞片碎片总体向外扩散速度随加速膛长度的增加而降低,与PDV获得的飞片速度规律基本一致。     

Al/Ni反应多层膜的电爆炸及驱动性能研究

为了研究Al/Ni反应多层膜在爆炸箔起爆系统上应用的可行性,采用磁控溅射法制备了相同厚度的Cu和Al/Ni多层膜桥箔,利用SU-8光刻胶制备一定厚度的加速膛,研究了两类桥箔在相同放电回路中的沉积能量和驱动飞片的平均速度。结果表明:在储能电容电压为1 306V的放电回路中,Al/Ni多层膜的沉积能量为0.120 5~0.127 4J,相比Cu箔提高了近1倍。在电压为1 900V时,多层膜沉积能量比Cu箔提升了18%~58%;多层膜驱动的飞片平均速度高于Cu箔驱动飞片约10%。因此,Al/Ni反应多层膜能降低爆炸箔起爆系统的起爆阈值,提高其冲击起爆的可靠性。     

冲击片雷管集成制造方法研究

对采用微加工技术制造冲击片雷管的方法进行了研究,首先采用磁控溅射、光刻和湿法刻蚀在玻璃基片上制造桥箔,黏贴聚酰亚胺飞片,然后用光固化的环氧树脂制作加速膛。对该方法制作的冲击片雷管进行爆发试验,冲击片雷管均可靠作用。爆发试验得到的飞片平均速度与理论计算的平均速度具有很好的一致性。     

爆炸箔尺寸对飞片速度的影响

爆炸箔是冲击片雷管的关键部件,为了获得爆炸箔的厚度和桥区尺寸对冲击片雷管飞片速度的影响,通过光纤台阶法测试了不同厚度和桥区尺寸的爆炸箔驱动飞片的情况。结果表明:在电压3.4 kV、电流3.5 kA的起爆条件下,最佳的爆炸箔厚度为3.67μm,可以驱动飞片产生2 307 m/s的速度;随着爆炸箔桥区尺寸的减小,飞片速度逐渐提高。因此,可以看出在一定的起爆能量下,驱动飞片达到最大速度的爆炸箔存在一个最佳厚度值;在爆炸箔厚度一定的情况下,减小爆炸箔的桥区尺寸,可以提高爆炸箔驱动飞片的能力,从而可以达到降低冲击片雷管起爆能量阈值的目的。