硅基微雷管驅(qū)動飛片的速度計(jì)算研究

張 凡，張 蕊，解瑞珍

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硅基微雷管驅(qū)動飛片的速度計(jì)算研究

張 凡，張 蕊，解瑞珍

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

針對MEMS起爆序列傳爆可靠性的評價(jià)需求，在Gurney給出的炸藥爆轟驅(qū)動飛片速度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，利用光子多普勒測速系統(tǒng)（PDV）測量了微雷管驅(qū)動飛片的速度歷程，根據(jù)測量結(jié)果并結(jié)合微雷管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對飛片速度計(jì)算公式進(jìn)行了修正，提出了質(zhì)量修正因子并得到了微雷管驅(qū)動飛片的速度計(jì)算公式，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算誤差在7%以內(nèi)。

MEMS起爆序列；飛片速度；修正因子；微雷管；PDV

隨著引信微小型化技術(shù)的發(fā)展，MEMS起爆序列技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。MEMS起爆序列是由微雷管、安全保險(xiǎn)芯片、傳爆藥裝藥一體化集成的新型火工品。由于微雷管尺寸限制，其裝藥量較少，因此將飛片起爆下級裝藥作為能量的放大方式。飛片速度是MEMS起爆序列可靠作用的重要指標(biāo)之一，其中微雷管的裝藥密度、裝藥尺寸、飛片厚度和飛片材料是影響飛片速度的重要因素。由于微雷管裝藥工藝的限制，實(shí)現(xiàn)一定步長的多密度、多尺寸的裝藥存在較大難度。因此，需要采用理論計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，研究微雷管裝配參數(shù)對飛片速度的影響規(guī)律。

本文在Gurney給出的炸藥爆轟驅(qū)動飛片速度計(jì)算公式[1]的基礎(chǔ)上，利用PDV技術(shù)測量了微雷管驅(qū)動飛片的速度歷程，并根據(jù)微雷管與飛片的界面匹配模式對Gurney飛片速度計(jì)算公式進(jìn)行修正，得到了與微雷管驅(qū)動飛片模型相匹配的飛片速度計(jì)算方法。

1 飛片速度計(jì)算公式修正

Gurney于1943年提出計(jì)算炸藥驅(qū)動飛片運(yùn)動速度的Gurney方程，對稱裝藥模型包括平板夾層裝藥、圓柱形裝藥（圖1）和球形裝藥，其中圓柱形裝藥模型與硅基微雷管驅(qū)動飛片模型相似，其飛片速度由式（1）計(jì)算[2]。

圖1 圓柱體裝藥

沈飛基于圓筒裝藥結(jié)構(gòu)的格尼模型以及炸藥爆轟產(chǎn)物的律狀態(tài)方程，提出了一種根據(jù)炸藥密度及爆速估算格尼系數(shù)的簡易算法[3]：

式（2）中：為爆速，由炸藥的理論爆速和初始裝藥密度0決定；為炸藥的多方指數(shù)，是爆轟產(chǎn)物的體積和溫度的函數(shù)，由Johansson和Persso提出的經(jīng)驗(yàn)公式[4]進(jìn)行計(jì)算，適用于密度大于1.0g/cm2的炸藥：

=0/(0.14+0.260) （3）

由于硅基微雷管和傳統(tǒng)的沖擊片雷管結(jié)構(gòu)不同，直接使用式（1）的計(jì)算誤差較大。硅基微雷管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由Prex7740玻璃襯底、制作在玻璃襯底上的Ni-Cr橋膜換能元、含有微裝藥腔體的硅片層以及含能材料構(gòu)成[5]。

圖2 硅基微雷管的原理結(jié)構(gòu)示意圖

微雷管的裝藥選用疊氮化銅，疊氮化銅起爆太安的極限藥量是0.000 4g，而疊氮化鉛則為0.005g。此外，銅離子相比鉛離子等重金屬粒子，具有顯著的環(huán)境友好特性[6]。微雷管中疊氮化銅爆轟能量的釋放路徑局限于加速膛的內(nèi)徑，而Gurney給出的圓柱形裝藥模型中炸藥爆轟能量的釋放路徑不受約束，將全部作用于底部殼體并形成高速飛片，二者的能量釋放路徑不同，如圖3~4所示。因此，需要根據(jù)微雷管與飛片之間的匹配設(shè)計(jì)對速度計(jì)算公式進(jìn)行修正。

圖3 圓柱形裝藥炸藥爆轟能量的釋放方式

圖4 微雷管中疊氮化銅爆轟能量的釋放方式

由于疊氮化銅的爆轟能量并未完全用于切割和加速飛片，存在能量損失，因此提出修正因子，用于修正炸藥質(zhì)量m的計(jì)算，修正后的飛片速度計(jì)算公式為：

系數(shù)用于修正炸藥質(zhì)量的計(jì)算，其本質(zhì)是將疊氮化銅爆轟時(shí)的能量損失轉(zhuǎn)化為無效裝藥，并在計(jì)算過程中用質(zhì)量修正因子去除這部分無效裝藥。該修正因子由疊氮化銅的裝藥尺寸和微雷管與飛片之間的界面匹配模式?jīng)Q定。

2 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 PDV測速系統(tǒng)

PDV測速系統(tǒng)由Strand等[7]于2004年提出，能夠測量沖擊波加載下樣品的運(yùn)動速度。利用PDV技術(shù)測量物體運(yùn)動速度的原理如圖5所示，測試中將激光探頭表面的光反射回系統(tǒng)作為參考光；飛片上反射回來的光作為信號光，兩個(gè)反射光發(fā)生干涉后，利用探測器的平方檢測特性，檢測參考光和信號光的差拍干涉信號，并實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，電信號放大后由示波器采集，對采集到的原始信號進(jìn)行快速傅立葉變換得到飛片的速度歷程[8]。

圖5 PDV測速原理圖

2.2 微雷管驅(qū)動飛片測定實(shí)驗(yàn)裝置

基于微機(jī)電系統(tǒng)工藝技術(shù)和低壓起爆技術(shù)，設(shè)計(jì)并建立了一套硅基微雷管驅(qū)動飛片的測速實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括PCB電路、硅基微雷管硅、飛片、加速膛和約束殼體組成。該裝置通過電信號觸發(fā)，其結(jié)構(gòu)圖和電路示意圖見圖6~7，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 測速裝置電路示意圖

表1 硅基微雷管驅(qū)動飛片實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.1 Design parameters of flyer velocity measurement setup

實(shí)驗(yàn)裝置由水銀開關(guān)、電容、測試樣品、PDV測速系統(tǒng)和示波器組成，示波器由測試電路中的電信號觸發(fā)，并由通道1記錄，PDV頻差信號由通道2記錄。

3 測量結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量修正因子的確定

表2為式（1）的計(jì)算結(jié)果和PDV測量結(jié)果，飛片選擇厚度為30μm的鈦。由表2可以看出直接使用式（1）的計(jì)算誤差較大。根據(jù)硅基微雷管驅(qū)動飛片的有效裝藥量并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對飛片速度計(jì)算公式進(jìn)行修正，在原公式中引入炸藥質(zhì)量修正因子，當(dāng)=0.553 2時(shí)，利用修正后的飛片速度計(jì)算公式得到的結(jié)果與測量值一致，因此，將質(zhì)量修正因子定為=0.55。利用修正后的計(jì)算公式得到的結(jié)果和PDV測速結(jié)果見表3。

表2 飛片速度測量值與計(jì)算值比較

Tab.2 Measured and calculated results of flyer velocity

表3 修正后的計(jì)算結(jié)果

Tab.3 Measured and corrected results of flyer velocity

3.2 質(zhì)量修正因子的驗(yàn)證

表4為硅基微雷管驅(qū)動不同厚度飛片的速度測量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。飛片厚度為10μm，20μm和50μm，加速膛和約束殼體的材料和尺寸不變。

圖8為不同飛片厚度下的速度測量值、計(jì)算值和修正值的比較，可以看出修正后的結(jié)果更加靠近實(shí)際測量的結(jié)果。

表4 不同飛片厚度下的飛片速度測量值、計(jì)算值和修正值比較

Tab.4 Measured, calculated and corrected results of flyer velocity with different flyer thickness

圖8 不同飛片厚度下測量值、計(jì)算結(jié)果與修正結(jié)果的比較

表5為硅基微雷管驅(qū)動不同基材的飛片速度測量結(jié)果、計(jì)算結(jié)果及修正結(jié)果。飛片材料分別為厚度50μm的鋁，厚度60μm的銅和厚度60μm的不銹鋼，加速膛和約束殼體的材料和尺寸不變。

表5 不同飛片材料的飛片速度測量值、計(jì)算值與修正值比較

Tab.5 Measured, calculated and corrected results of flyer velocity with different flyer material

圖9為不同飛片材料下的速度測量值、計(jì)算值和修正值的比較，可以看出修正后的結(jié)果更加靠近實(shí)際測量的結(jié)果。

圖9 不同飛片材料下測量值、計(jì)算結(jié)果和修正結(jié)果的比較

上述分析可以看出，修正后的飛片速度計(jì)算公式能夠顯著提高硅基微雷管驅(qū)動飛片的速度預(yù)測精度，并且經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算誤差小于7%。

4 結(jié)論

本文通過對硅基微雷管和飛片之間的匹配模式進(jìn)行分析，提出用質(zhì)量修正因子對炸藥爆轟驅(qū)動飛片的速度計(jì)算公式進(jìn)行修正，得到了適用于MEMS起爆序列中硅基微雷管驅(qū)動飛片的速度計(jì)算公式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算誤差在7%以內(nèi)，該公式可用于計(jì)算裝藥密度、飛片材料和飛片厚度等參數(shù)對硅基微雷管輸出性能的影響規(guī)律，為MEMS起爆序列的傳爆可靠性的研究提供了理論指導(dǎo)。

但是，該計(jì)算方法存在一定限制，炸藥的質(zhì)量修正因子會隨著硅基微雷管的裝藥尺寸變化而變化，需要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確定。此外，疊氮化銅具有較高的摩擦和撞擊感度，目前采用的“原位”裝藥技術(shù)雖然能夠避免裝配過程的潛在危險(xiǎn)性[9]，但會導(dǎo)致疊氮化程度不夠、裝藥密度一致性較差且裝藥密度較低等問題，對速度測量結(jié)果和修正因子的確定有一定影響。

[1] 韓秀鳳,嚴(yán)楠,蔡瑞嬌.對炸藥驅(qū)動飛片速度的理論計(jì)算方法的分析與評價(jià)[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2005, 28(1):63-66.

[2] Cooper P W. Explosives Engineering[M].Wiley & Sons, 1996.

[3] 沈飛, 王輝, 袁建飛,等. 炸藥格尼系數(shù)的一種簡易估算法[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2013, 36(6):36-38.

[4] Johansson C H, Persson P A. Density and pressure in the Chapman–Jouguet plane as functions of initial density of explosives[J]. Nature, 1966, 212(5 067):1 230-1 231.

[5] 解瑞珍,李黎明,劉蘭,等. 微小型起爆序列初步設(shè)計(jì)與性能研究[J].兵工學(xué)報(bào), 2017, 38(3):460-465.

[6] 簡國祚, 曾慶軒, 郭俊峰,等. 疊氮化銅微裝藥爆轟驅(qū)動飛片的數(shù)值模擬[J]. 爆炸與沖擊, 2016, 36(2):248-252.

[7] Strand O T, Berzins L V, Goosman D R, et al. Velocimetry using heterodyne techniques[C]//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2005.

[8] 陳清疇, 陳朗, 覃文志,等. PDV方法測量電爆炸驅(qū)動小飛片速度[J].含能材料, 2014, 22(3):413-416.

[9] 解瑞珍,劉蘭,任小明,等. 硅基微雷管的原位裝藥及性能研究[J].兵工學(xué)報(bào), 2014, 35(12):1 972-1 977.

Study on Velocity Calculation of Flyer Driven by Si-based Micro-detonator

ZHANG Fan, ZHANG Rui, XIE Rui-zhen

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

In order to evaluate the reliability of explosive transfer in MEMS explosive train, the velocity of micro-detonator-driven flyer was measured by photon-operated doppler velocimetry (PDV). Based on the measurement results and the structural design of the micro-detonator, the calculation formula of the flyer velocity given by Gurney has been modified, and a quality correction factor was proposed to correct the calculation of explosive mass, the corrected result’s error verified by experiment is less than 7%.

MEMS explosive train；Flyer velocity；Correction factor；Micro- detonator；PDV

TJ45+6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.01.014

1003-1480（2018）01-0057-04

2017-11-20

張凡（1993 -），男，在讀碩士研究生，主要從事MEMS火工技術(shù)研究。

總裝備部預(yù)先研究項(xiàng)目（2016）。