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。     

平面开关与爆炸桥箔的集成设计及研究

为了进一步减小爆炸箔起爆器系统体积,并降低生产成本,采用离子刻蚀的方法,设计并制备了一种集成平面开关的爆炸桥箔.其电爆炸性能测试结果表明:集成平面开关爆炸桥箔的放电参数与采用火花隙开关的参数—致性较好,该桥箔制备工艺简单、成本低,更有利于系统集成,缩小EFIs的体积.     

爆炸平面开关的设计及研究

为了进一步减小爆炸箔起爆器系统体积,并降低生产成本,设计并制备了一种爆炸平面开关,并对该爆炸平面开关的电极间隙和放电特性进行研究.结果表明:随着间隙电极的间隙距离减小,其开关的作用时间缩短;对于同一起爆电压的爆炸平面开关,随着放电电极间隙的增大,其冲击片雷管的爆发电流呈下降趋势.     

适用于常规弹药触发点火的电子开关

介绍一种适用于弹药触发点火的电子开关，该开关由电路构成，电路中有高压源，一个与高压源相连的，密封的双电极火花隙，一个与密封隙串联的微隙，一个与微隙相连的爆炸箔起爆器，和一个桥接在高压源和密封隙引线之间的储能电容。触发电路连接在高压源和发火脉冲发生器之间，并且伸出一根引线联接到上述电路中的密封隙和微隙之间。储能电容器被电压源充电至电压V，它实际上是施加在密封隙上的，发火电路发生器的脉冲激励触发电路产生高电势Vt，加上密封隙导通后叠加过来的电压V，击穿微隙，使电流通过。到达爆炸箔起爆器。     

爆炸箔特征参数匹配关系研究

基于直列式系统低能、小型化的研究目的,对构成爆炸箔起爆器核心发火组件的桥箔、加速膛二者之间的匹配关系进行了研究.结果表明,桥箔桥区特征面积与加速膛的孔径及厚度之间都存在着一定的最佳配比,确定了0.30mm(L)×0.30mm(W)桥箔匹配0.45mm(D)×0.45mm(H)加速膛的最佳方案,为爆炸箔起爆器工程化应用提...     

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。     

铜箔厚度对爆炸箔起爆性能影响规律研究

为了提高爆炸箔起爆系统能量利用效率,采用仿真计算和试验相结合的方法,研究了不同铜箔厚度对爆炸箔起爆性能的影响规律。结果表明:当爆炸箔桥区尺寸为0.3mm×0.3mm时,铜箔厚度为3μm的爆炸箔电爆性能较好,能量利用率较高,在发火电压为1.5k V时,能量利用率达到72.33%,相对应的飞片速度最大。     

冲击片雷管爆炸箔的制备与电爆性能

为了提高爆炸箔起爆系统的能量利用率,采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术和皮秒激光微加工系统,制备了Cu、C u/Au、C u/Al/Ni三种爆炸箔,并利用自制起爆回路对其电爆性能进行了研究,结果表明,在充电电压为2000,2500 V时,C u爆炸箔在电爆过程中能量利用率较高;在此电压下对三种爆炸箔的性能进行了对比测试,得到在相同的充电电压下Cu/Al/Ni、Cu/Au、C u爆炸箔的爆发电流C u/Al/NiC u/AuC u,且充电电压为2500 V时C u/Al/Ni爆发电流比C u增长了36%,2000 V下比C u增长了15%;在充电电压2500 V时利用高速摄影法对三种爆炸箔电爆时产生的等离子体羽进行了观测,结果表明,等离子体羽的尺寸Cu/Al/NiCu/AuCu。在相同的起爆条件下Cu/Al/Ni爆炸箔更利于爆炸箔起爆系统低能化研究     

小尺寸爆炸箔与加速膛匹配研究

为研究爆炸箔桥区尺寸与加速膛的匹配关系,对小尺寸爆炸箔与加速膛匹配的雷管进行了发火试验和升降法试验。试验结果表明爆炸箔的桥区尺寸与加速膛内孔径存在一个较佳的匹配,对桥区尺寸0.3mm×0.3mm与Φ0.45mm内径加速膛匹配的雷管进行升降法试验,发现比桥区尺寸0.4mm×0.4mm爆炸箔与Φ0.6mm内径加速膛匹配雷管的50%发火电流降低了近300A,由此说明小尺寸爆炸箔与加速膛内孔径合理匹配的情况下,可以降低冲击片雷管的起爆阈值,为实现引爆系统的小型化提供基础。     

三种爆炸箔桥形状的比较分析

为提高爆炸箔起爆器的能量利用率,本文对其主要影响因素之一爆炸箔桥箔进行了研究,测定了3种不同形状爆炸箔桥箔的爆发电流,并对起爆炸药HNS-IV进行了飞片感度试验。试验结果表明圆形桥箔的爆发电流密度最大,起爆HNS-IV的50%起爆电压最低,爆炸箔起爆器(EFI)选用圆形爆炸箔桥箔可以进一步提高能量利用率,降低发火能量。