Al/Ni爆炸箔電爆特性及驅(qū)動(dòng)飛片能力研究

王 窈，孫秀娟，郭 菲，付秋菠

?

Al/Ni爆炸箔電爆特性及驅(qū)動(dòng)飛片能力研究

王 窈，孫秀娟，郭 菲，付秋菠

（中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

MEMs工藝成功制備出Al/Ni復(fù)合爆炸箔，在4kV的充電電壓下研究其電爆性能。研究表明，相比于傳統(tǒng)的銅爆炸箔，復(fù)合爆炸箔的能量利用高，可達(dá)18%，而且爆發(fā)提前，所需能量較小，爆發(fā)能量集中。飛片速度研究表明，爆炸箔的厚度和充電電壓會(huì)影響飛片的最終速度，飛片的速度隨爆炸箔的厚度和電壓升高而增大。當(dāng)爆炸箔的厚度為3μm、充電電壓為5kV時(shí)，飛片的速度可達(dá)3 100m/s。

爆炸箔；Al/Ni；電爆性能；飛片速度

1965年，美國LLNL國家實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了沖擊片雷管，由于其高安全性成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1]。沖擊片雷管是一種只對短脈沖敏感的高能火工品，由背板、爆炸箔、飛片、加速膛和炸藥組成。爆炸箔在脈沖大電流刺激下，發(fā)生固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)的轉(zhuǎn)變，最終形成高溫高壓等離子體。等離子體驅(qū)動(dòng)飛片，飛片在加速膛中加速，速度可達(dá)數(shù)千米每秒，飛片高速撞擊炸藥，實(shí)現(xiàn)炸藥的沖擊爆轟。沖擊片雷管的整個(gè)作用過程，是“電能-熱能-等離子體能-飛片動(dòng)能”的一個(gè)轉(zhuǎn)換過程，爆炸箔起著轉(zhuǎn)換“電能-熱能-等離子體能”的關(guān)鍵作用，是影響沖擊片雷管起爆性能的關(guān)鍵元件。

國內(nèi)外爆炸箔大多以銅為主[2]，但能量轉(zhuǎn)換率較低，大多數(shù)被消耗在電路和內(nèi)能中，導(dǎo)致沖擊片雷管的起爆能量較高，不利于武器系統(tǒng)小型化和低能化的發(fā)展。而將納米含能材料加入爆炸箔中，利用納米含能材料的快速放熱性，來提高等離子體的輸出能力，已成為研究的一個(gè)方向。2011年，南京理工大學(xué)的周翔[3]制備了Cu/Al/CuO復(fù)合爆炸箔，測試表明，Al/CuO納米含能材料的加入并沒有提高飛片的速度，可能是由于材料的反應(yīng)時(shí)間與電爆時(shí)間的不匹配而導(dǎo)致。2014年，黃娜[4]以Cu/Al/Ni為爆炸箔進(jìn)行了電爆特性測試，研究表明Al/Ni復(fù)合膜的加入提高了等離子體的羽化尺寸，但未研究復(fù)合膜的特性尺寸對電爆性能（電壓/電流曲線、飛片速度）的影響。美國的C.J.Morris[5-7]研究團(tuán)隊(duì)對Cu/Al/Ni進(jìn)行了相關(guān)的研究，Al/Ni由于其導(dǎo)電性，在高脈沖電壓下50ns可發(fā)生反應(yīng)，與電爆時(shí)間可匹配，通過模擬表明，Al/Ni的化學(xué)反應(yīng)能的確加入了反應(yīng)中，提高了飛片的速度。該團(tuán)隊(duì)主要研究其測試方法和表征方法，未研究復(fù)合爆炸箔的電爆特性。本論文以Al/Ni為研究對象，開展Al/Ni復(fù)合膜對電爆性能的影響和驅(qū)動(dòng)飛片能力研究，獲得其影響規(guī)律。

1 電爆特性測試

在陶瓷基底上磁控濺射Al、Ni、Cu膜，利用濕法刻蝕的方法獲得爆炸箔，如圖1所示，橋區(qū)邊界清楚，尺寸滿足要求。為了進(jìn)行焊接，在Al/Ni橋箔的表面沉積200nm的Cu膜。利用高壓探頭和羅果夫斯基線圈對爆炸箔橋區(qū)的爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流進(jìn)行測試，所得電壓、電流信號(hào)用示波器進(jìn)行記錄儲(chǔ)存。充電電壓為4kV，電容容量為0.22μF，放電周期為1.7μs。采用80mm的短路線進(jìn)行短路電流測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖1 復(fù)合爆炸箔圖片

根據(jù)--放電曲線[8]，獲得回路的電阻86mΩ，電感326nH，其中爆炸箔的形狀為正方形，尺寸為0.6mm×0.6mm。

橋箔電爆炸一般發(fā)生在電流曲線的1/4周期，即電流上升段。爆炸箔橋區(qū)在脈沖大電流密度下產(chǎn)生焦耳熱，橋區(qū)發(fā)生固-液-氣的轉(zhuǎn)變，電阻急速上升，橋區(qū)電阻達(dá)最大，電壓達(dá)到峰值，爆炸產(chǎn)生。理想狀態(tài)下，橋箔爆炸時(shí)刻應(yīng)盡可能接近電流峰值，即電壓峰值與電流峰值一致，其能量利用率達(dá)最大[9]。圖3顯示了在4kV的充電電壓下，Al/Ni復(fù)合箔（3μm和4μm）和Cu箔的電壓、電流曲線圖。4kV的充電電壓對于2μm和1μm厚度的Al/Ni復(fù)合箔較高，爆發(fā)時(shí)刻在幾十納秒發(fā)生，而且電流峰值嚴(yán)重滯后于電壓峰值。圖3中顯示，當(dāng)爆炸箔為Al/Ni復(fù)合膜時(shí)，電壓峰值時(shí)間稍提前于電流峰值時(shí)刻，且電爆后橋區(qū)相鄰部分發(fā)生氣化現(xiàn)象，表明儲(chǔ)能過剩，充電電壓高。當(dāng)爆炸箔為傳統(tǒng)的Cu箔時(shí)，爆炸箔爆發(fā)稍滯后于電流峰值時(shí)間，說明橋箔爆發(fā)需要更高的充電電壓，能量利用率低。以上研究表明，沖擊片雷管中使用Al/Ni復(fù)合箔為橋箔，所需能量比傳統(tǒng)的Cu箔低。

圖3 充電電壓4kV下爆炸箔的電壓、電流曲線圖

橋箔爆發(fā)后的性能參數(shù)（峰值電壓、峰值電流、峰值時(shí)間、能量利用率）顯示于表1中。橋箔的能量利用率按公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中，t為爆炸箔爆發(fā)時(shí)刻，即電壓峰值時(shí)刻；為電容容量，0.22μF；0為電容器充電電壓，4kV。

由表1可見，Cu爆炸箔的爆發(fā)時(shí)刻明顯滯后于Al/Ni復(fù)合爆炸箔，說明復(fù)合爆炸箔在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到氣化所需的能量大。橋區(qū)在大電流密度刺激下，產(chǎn)生很高的焦耳熱，熱量積累達(dá)到金屬的汽化能后，電爆產(chǎn)生。焦耳熱熱量的累積與橋箔的電阻和電流有關(guān)，雖然Al/Ni復(fù)合爆炸箔的電阻是Cu箔的3倍，但是其放電電流相對較低，所以熱量積累應(yīng)差別不大。導(dǎo)致兩種爆炸箔爆發(fā)時(shí)刻不一致可能是Al/Ni反應(yīng)熱所導(dǎo)致，國外研究表明[7]，Al/Ni反應(yīng)在高壓脈沖下50ns反應(yīng)便可開始，與電爆的時(shí)間匹配。Al/Ni反應(yīng)放出的熱量使橋箔更快速達(dá)到氣化能，電爆提前發(fā)生。

能量利用率數(shù)據(jù)表明，在4kV的充電電壓下兩種爆炸箔的能量利用率較低。爆發(fā)時(shí)刻與峰值電流時(shí)刻不匹配是主要原因，對于復(fù)合爆炸箔，4kV的充電電壓相對較高，降低電壓到2.35kV，峰值時(shí)間匹配，能量利用率提高到18%（表1）。對于Cu橋箔，4kV的充電電壓較低，需提高能量，試驗(yàn)中將電壓提高到5kV后，爆發(fā)時(shí)刻提前，能量利用率提高到5.8%，但低于復(fù)合爆炸箔的能量利用率。

能量利用率是峰值能量（電壓電流與時(shí)間的積分）與儲(chǔ)能的比值，峰值能量越高，能量利用率相對增加。圖3中的電壓、電流曲線圖可以說明復(fù)合爆炸箔與Cu箔峰值能量的差別，傳統(tǒng)的銅爆炸箔的放電電流曲線是振蕩正弦，而復(fù)合爆炸箔的放電電流曲線是1/2正弦波，電流、電壓曲線的斜率高，峰值能量大，最大能量出現(xiàn)在500ns左右，能量集中。對于Cu橋箔，最大能量出現(xiàn)在1.2μs附近，能量上升緩慢，大部分消耗在內(nèi)能中，未被利用。相關(guān)研究表明，爆發(fā)時(shí)刻開始推動(dòng)飛片，而爆發(fā)時(shí)刻后的200ns對飛片的速度有貢獻(xiàn)[9]。表1表明，Cu爆炸箔的△為復(fù)合爆炸箔的3倍，能量曲線上升緩慢，爆發(fā)后的200ns能量提高幅度小，對飛片速度貢獻(xiàn)不大。復(fù)合爆炸箔的△僅為300ns左右，能量曲線上升迅速，200ns后的能量接近于最大儲(chǔ)能，對提高飛片速度極有利。

表1 橋箔爆發(fā)后的性能參數(shù)

Tab.1 Performance parameters of bridge foil after exploding

序號(hào)材料電阻/mΩ充電電壓/V峰值電壓/V峰值電壓時(shí)間/ns峰值電流/A峰值電流時(shí)間/ns峰值能量/mJ最大能量/mJ儲(chǔ)能/mJ能量利用率/%△t/ns 1Al/Ni 4μm1054 0002 4161201 4982611706501 7609.7366 2Al/Ni 3μm1604 0002 0401101 440301606801 7603.4301 3Al/Ni 4μm1102 3501 4562041 203201110340 61018.0337 4Cu 4μm26.54 0001 1572752 489235454701 7602.61 180 △t:最大能量時(shí)間與峰值能量時(shí)間之差。

2 飛片速度測試

利用光子多普勒速度測試系統(tǒng)（PDV）對Al/Ni復(fù)合爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片的速度進(jìn)行測試，飛片材料為聚酯薄膜，加速膛的尺寸為φ0.8mm×0.4mm，測試結(jié)果見表2。

表2 以Al/Ni為爆炸箔獲得的飛片速度

Tab.2 Flyer velocity of Al/Ni exploding foil

序號(hào)材料電阻/mΩ充電電壓/kV飛片速度/（m·s-1） 1Al/Ni 2μm26541 400 2Al/Ni 3μm16341 700 3Al/Ni 4μm10042 300 4Al/Ni 2μm2504.51 713 5Al/Ni 3μm1754.52 300 6Al/Ni 3μm16653 100

影響飛片速度的主要因素為爆炸箔的厚度和充電電壓。在相同的充電電壓下（前提是該電壓下都能發(fā)生爆發(fā)），厚度越厚飛片速度越高。厚度增加，電爆產(chǎn)生的等離子能量增加，飛片的速度隨之提高。在4kV的充電電壓下，Al/Ni厚度為4μm時(shí)，速度達(dá)到2 300m/s，而厚度減小為2μm后，速度只有1 400m/s，速度相差1km/s。爆炸箔電爆后，如圖4顯示，橋區(qū)爆發(fā)完全，推動(dòng)飛片區(qū)域呈現(xiàn)黑色，飛片呈現(xiàn)規(guī)則的圓，表明飛片被均勻地推出，飛片的平整度和均勻度高。

（a） 爆炸箔 （b） 飛片

相同厚度的Al/Ni爆炸箔在不同的充電電壓下，表現(xiàn)出不同的飛片速度。充電電壓為5kV，爆炸箔厚度為3μm時(shí)，獲得的飛片速度為3 100m/s，而降低充電電壓到4kV后，飛片速度為1 700m/s，速度相差1 400m/s。充電電壓低，雖然可以發(fā)生電爆，但是電爆不完全，等離子體的溫度和電子密度不高，導(dǎo)致推動(dòng)飛片的動(dòng)力低，飛片速度小。但是飛片的速度是否和充電電壓的高低呈現(xiàn)線性關(guān)系，充電電壓太高是否會(huì)導(dǎo)致爆炸箔產(chǎn)生其它現(xiàn)象，飛片發(fā)生燒蝕或者飛片形態(tài)發(fā)生改變，將是課題組下一步即將開展的工作。

3 結(jié)論

通過濕法刻蝕工藝成功獲得Al/Ni復(fù)合爆炸箔，開展復(fù)合爆炸箔的電爆性能和驅(qū)動(dòng)飛片的能力研究，結(jié)論如下：相比于傳統(tǒng)的Cu橋箔，復(fù)合爆炸箔的爆發(fā)時(shí)間提前了100ns；在2.35kV的充電電壓下，復(fù)合爆炸箔的峰值電壓與峰值電流時(shí)間一致，能量利用率達(dá)18%；相比于傳統(tǒng)的Cu橋箔，復(fù)合爆炸箔所需的電壓減低，所需的能量減少；爆炸箔的能量曲線表明，Al/Ni復(fù)合爆炸箔最大能量的時(shí)間與橋箔爆發(fā)時(shí)間相差較短，可用于推動(dòng)飛片，而Cu橋箔的時(shí)間差值在1μs左右，對飛片的推動(dòng)貢獻(xiàn)極?。粡?fù)合橋箔推動(dòng)飛片表明，爆炸箔的厚度和充電電壓影響飛片的速度，當(dāng)爆炸箔的厚度為3μm、充電電壓為5kV時(shí)，飛片的速度最大，可達(dá)3 100m/s。

[1] 耿春余.電爆炸箔加速塑料片速度分析[J].含能材料，1995, 3(2):37-42.

[2] 袁士偉,曾慶軒,馮長根,羅承沐.沖擊片雷管飛片參數(shù)設(shè)計(jì)與估算[J].火工品,2003(4):18-20.

[3] Xiang Zhou, Ruiqi Shen, Yinghua Ye, Peng Zhu, Yan Hu, Lizhi Wu. Influence of Al/CuO reactive multilayer films additives on exploding foil initiator[J]. Journal of Applied Physics, 2011,110(9):094505-094505-6.

[4] 黃娜,唐洪佩,黃寅生,何義.沖擊片雷管爆炸箔的制備與電爆性能[J].含能材料,2014(4):514-520.

[5] C. J. Morris, P. R. Wilkins, C. M. May. Streak spectroscopy and velocity of electrically exploded Ni/Al laminates[J]. Journal of Applied Physics, 2013,113(113):043304-043304-7.

[6] C. J. Morris, P. R. Wilkins, C. M. May. Streak spectrograph temperature analysis from electrically exploded Ni/Al nanolaminates[J]. Thin Solid Films, 2011,520(5): 1 645-1 650.

[7] C. J. Morris, P. R. Wilkins, C. M. May. Rapid initiation of reactions in Al/Ni multilayers with nanoscale layering[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2010,71(2): 84-89.

[8] 張仁豫,陳昌漁,王昌長,等. 高壓電試驗(yàn)技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,1982.

[9] 張軍,李濤,陳軍,等.爆炸箔電參數(shù)的測試方法[J]. 高能量密度物理,2007 (2):51-54.

Study on Electrical Characteristic and Flyer Driven Ability of Al/Ni Exploding Foil

WANG Yao，SUN Xiu-juan，GUO Fei，F(xiàn)U Qiu-bo

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang, 621900)

The Al/Ni exploding foil was successfully fabricated by traditional MEMs technology. The electrical performance of Al/Ni exploding foil was investigated under 4kV voltage. It is found that the maximum energy transformation efficiency comes to 18%, which is higher than that of Cu exploding foil. The phenomenon of short exploding time, low electrical energy, and concentrating output energy was showed for Al/Ni multilayer foil. Meanwhile, the flyer velocity is increased by improving input voltage and foil thickness, and the flyer velocity comes to 3 100m/s under 5kV voltage and 3μm thickness of Al/Ni.

Exploding foil；Al/Ni；Electrical performance；Flyer velocity

TJ450.3

A

[10]2015-11-16

王窈（1986 -），女，助理研究員，主要從事新型火工品研究。