激光驅(qū)動飛片沖擊應(yīng)力實驗研究

王 猛，何 碧，蔣 明，覃文志

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

PVDF薄膜（聚偏氟乙烯薄膜）具有很強的壓電性能，在其表面噴鍍或涂飾微米厚的鋁形成電極，即可構(gòu)成PVDF壓電薄膜傳感器，其具有薄而柔軟、響應(yīng)快、測壓范圍大、無源、靈敏度高等優(yōu)良性能，故在爆炸和沖擊領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

激光驅(qū)動飛片起爆炸藥是利用高能激光輻照鍍在光學玻璃或光纖末端的金屬薄膜，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體膨脹推動殘余薄片，最終撞擊炸藥實現(xiàn)起爆。該技術(shù)具有時間控制精度高、響應(yīng)迅速、抗電磁干擾的優(yōu)勢，可滿足現(xiàn)代火工品的發(fā)展需求[2]。

激光驅(qū)動飛片能否成功起爆炸藥，主要取決于飛片撞擊炸藥的沖擊應(yīng)力p和持續(xù)脈沖時間τ[3]。對這兩個參數(shù)的獲得，普遍采用測試飛片最大速度和殘余飛片厚度，進而應(yīng)用相關(guān)的經(jīng)驗公式展開計算得到[4-5]。本文利用 PVDF薄膜的壓電效應(yīng)，制作成經(jīng)濟簡單的應(yīng)力計，用于激光驅(qū)動飛片沖擊應(yīng)力的直接測試，并對其相關(guān)特性展開研究。

1 PVDF應(yīng)力計測試技術(shù)

1.1 實驗原理

PVDF應(yīng)力計受到?jīng)_擊載荷p時，其表面會產(chǎn)生電荷Q?，F(xiàn)已證明在 0～10GPa的壓力范圍之間，p和Q呈單值函數(shù)關(guān)系[6]：

式（1）中：K為動態(tài)壓電系數(shù)，對于不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計來說，其數(shù)值略有不同，實驗前需對其展開標定。A為應(yīng)力計敏感部分面積，本實驗中為飛片的表面積。

PVDF應(yīng)力計的測試電路一般有兩種模式，即電流模式和電荷模式。在電流模式中，PVDF受壓產(chǎn)生的電荷通過與其并聯(lián)的電阻R放電，示波器讀出的為電阻R兩端的電壓值，對輸出的電壓信號展開積分后，即為PVDF應(yīng)力計受沖擊產(chǎn)生的電荷隨時間的變化曲線。而在電荷模式中，PVDF應(yīng)力計通過與并聯(lián)的電容放電，示波器顯示的電壓值與沖擊壓力是成正比的，測量結(jié)果直觀，不用數(shù)值積分。本實驗采用電荷模式測量電路，見圖1。

圖1 電荷模式測量電路Fig.1 Measuring circuit of charge mode

PVDF應(yīng)力計等效為一個電壓源與一個電容Cg的串聯(lián)。Rm為匹配電阻（50?），與特性阻抗為50?的電纜相匹配，以免在長電纜傳輸時引起波形振蕩。

設(shè)示波器輸入電阻RB=1M?，RB＞＞Rm，C＞＞Cg：

1.2 PVDF應(yīng)力計制作和標定

采用錦州電子材料廠生產(chǎn)的PVDF壓電薄膜（厚50μm，雙面鍍鋁），自制了PVDF應(yīng)力計。應(yīng)力計采用純銀引線，引線與PVDF薄膜之間通過聚酰亞胺膠帶進行雙面粘結(jié)，聚酰亞胺薄膜也起著保護PVDF敏感部分不受沖擊損壞的作用。制成的應(yīng)力計厚 0.15 mm左右。

該PVDF應(yīng)力計制作工藝簡單，制作成本很低，適合于實驗使用。為了實驗數(shù)值的準確可信，采用霍普金森壓桿，對該PVDF應(yīng)力計的動態(tài)壓電系數(shù)K展開標定，標定結(jié)果見圖 2。由標定曲線可知，自制PVDF應(yīng)力計動態(tài)壓電系數(shù)K為9.92pC/N。

圖2 應(yīng)力計動態(tài)標定曲線Fig.2 Dynamic calibration curve of PVDF stress gage

2 激光驅(qū)動飛片沖擊應(yīng)力測試

2.1 實驗裝置

實驗所用激光器為INNOLAS公司生產(chǎn)，激光器輸出激光脈寬8ns，波長1 064nm，激光輸出能量穩(wěn)定。加速膛內(nèi)徑Φ1.0mm，長度0.5mm，材料為不銹鋼。復(fù)合飛片的隔熱層氧化鋁采用蒸鍍方式制備，其它各層均采用高真空磁控濺射方式制備完成。并聯(lián)電容C為0.1pF。

圖3 PVDF測壓實驗裝置Fig.3 PVDF experimental device

2.2 實測沖擊應(yīng)力波形分析

實驗中，選用了 0.3μm/0.7μm/2.5μm、0.3μm/0.7μm /4.5μm的復(fù)合飛片和5.5μm厚的單層鋁飛片。復(fù)合飛片為“三明治”結(jié)構(gòu)，隔熱層采用氧化鋁，應(yīng)用離子束蒸發(fā)方式制備而成，前兩層保持參數(shù)一致，最后一層厚度有所不同。為了實驗結(jié)果的可比性，單層飛片和復(fù)合飛片總厚度保持一致。

圖 4～9為兩種參數(shù)的復(fù)合飛片在不同激光能量密度下的沖擊應(yīng)力波形，可明顯看出，復(fù)合飛片沖擊應(yīng)力波形均存在3個明顯的峰值，其中前兩個峰有很大的相似性，它們的峰值高低均只與激光能量密度的高低有關(guān)。飛片在激光輻照下，會發(fā)生燒蝕、汽化現(xiàn)象，進而產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體向外迅速膨脹壓縮周圍空氣，從而形成激光誘導(dǎo)沖擊波，沖擊波掃過的氣體區(qū)域會受到?jīng)_擊壓縮。激光誘導(dǎo)沖擊波在空氣中會隨著距離產(chǎn)生一定的衰減，并且該沖擊波應(yīng)力高低僅與激光能量密度有關(guān)[7]。據(jù)此可推斷復(fù)合飛片應(yīng)力波形中，前兩個峰為激光誘導(dǎo)沖擊波產(chǎn)生。

圖4 0.3μm /0.7μm/2.5μm飛片在10.33J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.4 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 10.33J/cm2

圖5 0.3μm /0.7μm/4.5μm飛片在10.33J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.5 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 10.33J/cm2

圖6 0.3μm /0.7μm/2.5μm飛片在21.31J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.6 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 21.31J/cm2

圖7 0.3μm/0.7μm /4.5μm飛片在21.31J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.7 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 21.31J/cm2

圖8 0.3μm/0.7μm /2.5μm飛片在42.25J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.8 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 42.25J/cm2

圖9 0.3μm/0.7μm /4.5μm飛片在42.25J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.9 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 42.25J/cm2

圖10、圖11為單層鋁飛片沖擊應(yīng)力波形圖。

圖10 5.5μm單層飛片在10.33J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.10 The stress curve of 5.5μm single flyer at 10.33J/cm2

圖11 5.5μm單層飛片在21.31J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.11 The stress curve of 5.5μm single flyer at 21.31J/cm2

圖10～11可見，相較于復(fù)合飛片，單層飛片明顯少了1個高峰。而第1個高峰的峰值、出峰時間與復(fù)合飛片中第2個高峰的相關(guān)數(shù)值一致。由于單層飛片中沒有氧化鋁隔熱層的存在，因此沒有等離子體膨脹壓縮產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)沖擊波在氧化鋁中的傳播。單層飛片沖擊應(yīng)力波形中的第2個峰為激光驅(qū)動飛片撞擊PVDF應(yīng)力計產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力。

從飛片沖擊應(yīng)力持續(xù)時間上分析，在相同能量下，飛片層為4.5μm的復(fù)合飛片撞擊應(yīng)力持續(xù)時間是飛片層為2.5μm的約1.5倍，而飛片層厚度前者約為后者的1.571倍，說明飛片撞擊應(yīng)力持續(xù)時間與飛片厚度是成正比的?？傮w來說，飛片沖擊應(yīng)力持續(xù)時間在復(fù)合飛片中會隨著激光能量的增加而略有增加（圖4～9），在單層飛片中則逐步降低（圖10～11），這是由于單層飛片沒有隔熱層作保護，激光能量越大，燒蝕越多，飛片越薄，沖擊應(yīng)力持續(xù)時間便會相應(yīng)地縮短。圖12為復(fù)合飛片與單層飛片的沖擊應(yīng)力對比。

圖12 復(fù)合飛片與單層飛片最大沖擊應(yīng)力對比Fig.12 Comparison of maximal stress between multi-flyer and single-flyer

從圖12中可看出，在復(fù)合飛片中，由于隔熱層的存在，保證了飛片的完整程度，并一定程度上提升了飛片的速度，使得復(fù)合飛片沖擊應(yīng)力比單層飛片有大幅度的提升。在復(fù)合飛片中，飛片層厚度越厚，飛片沖擊應(yīng)力越高，應(yīng)力持續(xù)時間越長。因此，在激光驅(qū)動飛片起爆系統(tǒng)的設(shè)計中，飛片部分應(yīng)選用較厚的復(fù)合飛片，這樣可有效提升飛片的沖擊應(yīng)力，并能保證該應(yīng)力的持續(xù)時間，這對于激光驅(qū)動飛片成功起爆炸藥是非常有利的。

2.3 測試中的注意事項

（1）測試中采用了長約10m的50?低噪聲電纜，相對于本實驗測試信號的上升前沿屬于長電纜，因而測量電路必須考慮匹配。

（2）電荷模式相較于電流模式，具有測量結(jié)果直觀、不用數(shù)字積分、測試低電荷量精準、可對較小信號進行測量的優(yōu)點。對于飛片沖擊應(yīng)力的測試，測試電路應(yīng)選用電荷模式。

（3）壓電薄膜在剪裁中，應(yīng)避免薄膜邊緣產(chǎn)生不平或毛刺，并采用同種材質(zhì)的金屬作為引線，以免實驗時產(chǎn)生較強的干擾信號，影響實驗結(jié)果的準確。

3 結(jié)論

自制 PVDF應(yīng)力計在激光驅(qū)動飛片沖擊應(yīng)力的測量上是可行的，在應(yīng)力波形的測量上，PVDF應(yīng)力計響應(yīng)快、分辨率高。分析飛片沖擊應(yīng)力波形，可知飛片沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力是在激光誘導(dǎo)沖擊波之后產(chǎn)生。復(fù)合飛片的沖擊應(yīng)力比單層飛片高，并能保證一定的脈沖持續(xù)時間。飛片越厚，沖擊應(yīng)力越大，持續(xù)時間越長。在激光驅(qū)動飛片起爆系統(tǒng)的設(shè)計中，飛片部分應(yīng)采用較厚的復(fù)合飛片，這對于系統(tǒng)的工程化、小型化是有利的。

[1]李焰,王凱民,譚紅梅. PVDF應(yīng)力計在起爆試驗研究中的應(yīng)用[J].火工品,2003(3): 6-10.

[2]Kennedy, James E. Motivation for laser detonator and firing system developments[C]//Proc.of SPIE.San Diego: CA,2006.

[3]Walker F E, Wasley R J. Critical energy for shock initiation of heterogeneous explosives[J].Explosive Stoffe, 1969, 17(1):9.

[4]孫承偉,莊仕明,王春彥. 激光驅(qū)動飛片沖擊引爆炸藥的計算[J].強激光與粒子束,1997,9(3):471-476.

[5]Bowden M D, Drake R C. The initiation of high surface area PETN using fiber-coupled laser-driven flyer plates[C]//Proceedings of SPIE.San Diego: CA, 2007.

[6]Bauer F, Graham R A, Andersong M U, et al. Piezoelectric polarization of the ferroelectric polymer PVDF from 10MPa to 10GPa[C]// Shock Waves in Condensed Matter-1991.Virginia: American Physical Society,1992 : 883-886.

[7]陳朗,魯建英,伍俊英.激光支持爆轟波[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2011.