不同制造工藝銅箔電爆驅(qū)動飛片能力

郭 菲， 付秋菠， 王 窈， 王 猛， 黃 輝， 沈瑞琪

(1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2. 中國工程物理研究院， 四川 綿陽 621999)

1 引 言

爆炸橋箔是沖擊片雷管的核心部件，高壓脈沖電流通過時，迅速產(chǎn)生膨脹的高溫高壓等離子體，驅(qū)動飛片在炮筒中加速，高速撞擊炸藥使其爆轟，實現(xiàn)沖擊片雷管的功能。爆炸橋箔材料直接影響到?jīng)_擊片雷管的性能及使用，因此，用于爆炸橋箔的材料應(yīng)具有良好的電爆性能，且加工方便，成本可控。目前，用于沖擊片雷管爆炸橋箔的材料主要為銅。銅箔的制造工藝很多，例如蒸發(fā)[1]、磁控濺射[2]、壓延[3]、電鍍[4]等，但是目前用于沖擊片雷管的銅箔制造工藝主要為蒸發(fā)(evaporation)和磁控濺射(sputtering)[5-6]兩種。蒸發(fā)和磁控濺射都屬于物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)。不同的銅箔制造工藝，在微觀上會影響銅箔的晶體結(jié)構(gòu)，進而影響到銅箔的電爆性能[7]，但是對于蒸發(fā)銅箔和磁控濺射銅箔對驅(qū)動飛片能力的影響卻并沒有相關(guān)的研究報道。

為此，本研究通過電子束蒸發(fā)和磁控濺射兩種薄膜沉積工藝制備了銅箔，分析對比了其顯微晶體結(jié)構(gòu)、電阻、電阻率以及沉積速率等; 研究了爆炸橋箔在不同起爆電壓條件下電爆驅(qū)動飛片的速度，并進行了起爆六硝基茋-Ⅳ的閾值實驗，從微觀和宏觀上討論這兩種銅箔在電爆驅(qū)動飛片能力方面的差異。

2 實驗部分

2.1 制備工藝

研究分別選用電子束蒸發(fā)、磁控濺射兩種工藝制備了樣品。

電子束蒸發(fā)的設(shè)備為成都真空機械廠定制的ZZS680電子束真空鍍膜機，本底真空度為2×10-3Pa，電子槍功率10 kW。

磁控磁控濺射的設(shè)備為JGP560型超高真空多功能磁控磁控濺射儀，靶材為99.99%的Cu靶，基片與靶距離約為13 cm。本底真空度優(yōu)于1.2×10-4Pa，工作氣體Ar的壓強為0.3 Pa，氣體流量約為80～90 sccm。基底溫度為300 ℃。

2.2 實 驗

采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射兩種工藝，在陶瓷基底上制備銅箔，并進行XRD測試。

將銅箔光刻成如圖1所示的蝴蝶形爆炸橋箔，與飛片、炮筒裝配成實驗組件，進行飛片速度測試。將爆炸橋箔和飛片、炮筒、六硝基茋-Ⅳ藥柱裝配成沖擊片雷管，進行起爆閾值實驗。

圖1爆炸橋箔形狀

Fig.1Shape of exploding bridge foil

2.3 實驗條件

X射線粉末衍射儀(XRD)為德國Bruker公司D8 Advance型，使用萬特一維陣列探測器，中低溫樣品臺，管電壓40 kV，管電流40 mA; 掃描范圍5°～50°，步長為0.02°，步速為0.1 s/step。光子多普勒測速系統(tǒng)(PDV)為自制非標(biāo)系統(tǒng)。起爆閾值實驗采用GJB377-1987《感度實驗用升降法》進行實驗和評估。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD測試結(jié)果及分析

圖2為電子束蒸發(fā)銅箔和磁控濺射銅箔的XRD測試結(jié)果。

圖2兩種工藝所得銅箔的XRD圖譜

Fig.2XRD of copper foil obtained by the process of e-beam evaporated deposition and magnetron sputtering

從圖2可以看出，兩種工藝制造的銅箔均為結(jié)晶態(tài)，其中磁控濺射銅箔的Cu(111)晶面擇優(yōu)取向程度較高，形成較強的Cu(111)結(jié)構(gòu)。 由于擇優(yōu)生長會減小晶粒間的內(nèi)應(yīng)力，增強界面效應(yīng)，增加了晶界電阻; 同時Cu(111)晶面有良好的抗電遷移能力，也增加了晶界電阻。晶界電阻的增加，有利于金屬在電爆過程中的能量轉(zhuǎn)換，可提高飛片的速度[8]; 另一方面，在Cu(111)晶面上，磁控濺射銅箔的衍射峰半峰寬更寬，根據(jù)謝樂(Scherrer)公式[9]，表明磁控濺射銅箔的晶粒尺寸更小。晶粒尺寸越小，薄膜的比表面積越大，表面自由能大，材料再融化需要的能量越低，也越有利于銅箔的引爆。因此在電爆方面，磁控濺射法制造的銅箔應(yīng)優(yōu)于電子束蒸發(fā)法制造的銅箔。

3.2 電阻率及電阻

按圖3所示的四探針法測得了兩種工藝銅箔的電阻，并計算其電阻率，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，磁控濺射銅箔的電阻率比電子束蒸發(fā)銅箔電阻率高17%，對于相同尺寸的橋箔而言，電子束蒸發(fā)銅箔的電阻也相應(yīng)會小于磁控濺射銅箔的電阻。根據(jù)文獻[8]的數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)起爆回路參數(shù)固定以后，橋箔電阻對飛片速度的影響呈正比例，即相同尺寸的橋箔，其電阻越大，驅(qū)動飛片能力越強，飛片的終態(tài)速度會越大。因此，分析認為，磁控濺射銅箔驅(qū)動飛片的能力應(yīng)優(yōu)于電子束蒸發(fā)銅箔。

圖3四探針電阻測量圖示(mm)

Fig.3Schematic diagram of four-point probe measurement method(mm)

表1兩種工藝所得銅箔的銅箔電阻及電阻率

Table1Resistance and resistivity of copper foil obtained by two process

processresistance/mΩresistivity/Ω·mmagnetronsputtering341．81×10-8e?beamevaporateddeposition291．54×10-8

3.3 沉積速率

為了對比兩種工藝的沉積速率，分別沉積了(4000±100)nm厚的銅箔，測試其所需時間，計算平均沉積速率，結(jié)果見表2。

表2兩種工藝所得銅箔的沉積速率

Table2Deposition rate of copper foil obtained by two process

processthickness/nmdepositiontime/saveragedepositionrate/nm·s-1magnetronsputtering4000±1004159．6±0．2e?beamevaporateddeposition4000±10010004±0．1

從表2可以看出，沉積4000 nm厚的銅箔，磁控濺射工藝需要415 s(約7 min)，而電子束蒸發(fā)工藝需要的時間為1000 s(約17 min)，磁控濺射工藝的平均沉積速率約為電子束蒸發(fā)工藝的2.4倍。以此可以看出，磁控濺射工藝沉積鍍膜的制造效率要遠高于電子束蒸發(fā)工藝，在實際使用中，磁控濺射工藝的經(jīng)濟性也優(yōu)于電子束蒸發(fā)工藝。

3.4 驅(qū)動飛片能力實驗及分析

分別采用電子束蒸發(fā)和磁控濺射工藝將銅箔沉積在陶瓷塞上，然后光刻成如圖1所示的爆炸橋箔，再與飛片、炮筒按圖4所示裝配成實驗用的沖擊片組件。所有實驗件參數(shù)除因制造工藝造成的爆炸橋箔材質(zhì)不同外，其余零部件參數(shù)完全相同，詳見表3。采用南京理工大學(xué)的光子多普勒測試系統(tǒng)(PDV)[10]分別在1.5,2.0 kV和3.0 kV起爆電壓條件下進行了電子束蒸發(fā)銅箔和磁控濺射銅箔的電爆炸驅(qū)動飛片實驗，并測試了飛片的速度歷程。圖5所示的實驗系統(tǒng)中，電容為0.22 μF，光纖為OZ公司生產(chǎn)的單模光纖(SN: 146796-10)。

表3速度測試實驗件參數(shù)

Table3Parameter of flyer in velocity measurement

sizeofexplodingbridgefoil/mmflyerthickness/mmflyerdiameter/mmbarrelthickness/mm0．4×0．4×0．0040．05Φ0．50．4

分析處理不同起爆電壓條件下兩種工藝的飛片速度歷程曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在同一起爆電壓條件下，在最初的0～4×10-7s的時間內(nèi)，飛片速度都會有迅速的爬升; 4×10-7s之后，飛片都會達到一個最大速度，并維持這一速度繼續(xù)飛行。隨著起爆電壓的增加，飛片能達到的最大速度也在增加，在3.0 kV的起爆電壓條件下，兩種工藝制備的爆炸橋箔都驅(qū)動飛片達到了約4000 m·s-1的速度。

圖4沖擊片組件結(jié)構(gòu)示意圖

1—殼體, 2—炮筒, 3—飛片, 4—陶瓷塞(含爆炸橋箔)

Fig.4Diagram of slapper assembly

1—shell; 2—barrel; 3— flyer; 4—header(including exploding bridge foil)

圖5PDV測試原理示意圖

Fig.5Principle diagram of PDV system

a. 1.5 kVb. 2.0 kVc. 3.0 kV

圖6兩種工藝制備銅箔驅(qū)動飛片的速度歷程

Fig.6Comparison of velocity histories of flyer at different firing voltages

在相同電壓條件下，磁控濺射工藝的爆炸橋箔驅(qū)動飛片達到的最大速度都要略大于電子束蒸發(fā)工藝的爆炸橋箔，如圖7所示; 但是差距不大，均為0.1～0.2 km·s-1之間。分析認為，磁控濺射工藝的爆炸橋箔在驅(qū)動飛片能力方面略強于電子束蒸發(fā)工藝的爆炸橋箔，但是優(yōu)勢并不明顯。

圖7兩種工藝銅箔驅(qū)動飛片在不同電壓下的最大速度

Fig.7Comparison of maximum velocity of two kinds of flyers at different firing voltage

3.5 起爆六硝基茋實驗

將參數(shù)如表3所示的爆炸橋箔和飛片、炮筒、六硝基茋-Ⅳ藥柱裝配成沖擊片雷管，按照GJB377-1987《感度實驗用升降法》進行了升降法實驗。實驗裝置電容為0.22 μF，六硝基茋-Ⅳ藥柱尺寸為Φ5 mm×4 mm，密度1.55 g·cm-3。實驗結(jié)果見表4。

從表4可以看出，在起爆六硝基茋-Ⅳ的能力方面，磁控濺射工藝的爆炸橋箔50%發(fā)火電壓(U50%)和99.9%發(fā)火電壓(U99.9%)發(fā)火電壓都略低于電子束蒸發(fā)工藝的爆炸橋箔，但優(yōu)勢同樣不明顯，這個結(jié)果與飛片速度測試結(jié)果一致。實驗結(jié)果表明，兩種工藝制備的爆炸橋箔在一定的電壓條件下都能正常驅(qū)動飛片起爆六硝基茋-Ⅳ，但磁控濺射工藝爆炸橋箔的起爆能量略低于電子束蒸發(fā)工藝的爆炸橋箔。

表4升降法實驗結(jié)果

Table4Results of up and down method

processnumberU50%/kVU99．9%/kVσmagnetronsputtering242．192．420．07e?beamevaporateddeposition222．242．460．03

Note:U50%is 50% firing voltage.U99.9%fire voltage.σis stardard error.

4 結(jié) 論

(1) 與電子束蒸發(fā)工藝相比，磁控濺射工藝制備銅箔的晶粒尺寸更小，電阻率高17%，沉積速率更快，是電子束蒸發(fā)銅箔的2.4倍。

(2) 在相同輸入電壓條件下，與電子束蒸發(fā)工藝相比，磁控濺射工藝的爆炸橋箔驅(qū)動飛片速度更高，起爆六硝基茋-Ⅳ需要的能量更低。

(3) 兩種工藝制造的銅箔均滿足沖擊片雷管對爆炸箔制備的要求，可以作為沖擊片雷管用爆炸箔的制造工藝使用，但如果條件允許，優(yōu)先推薦使用磁控濺射工藝來制造銅箔。

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