金屬飛片對EFI起爆能量的影響

王寅，欒前進，同紅海，周密，秦國圣，李蛟

（1.陜西應(yīng)用物理化學研究所 應(yīng)用物理化學重點實驗室，西安 710061； 2.陸軍裝備部 駐西安地區(qū)航空軍事代表室，西安 710065）

在EFI（爆炸箔起爆器）的電能-動能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，飛片的結(jié)構(gòu)和材料對其運動特性有較大影響，通過研究飛片結(jié)構(gòu)和材料對EFI的低能化具有參考意義。

目前國外已經(jīng)開展了此項研究工作，Dudley[1]開展了厚度為5～50 μm PI飛片的速度測試。Schwarz[2]開展了厚度為50～254 μm PI飛片的速度測試。Bowden[3-4]測試了3～5 μm鋁飛片的飛片速度，但并未對其他金屬材料進行研究。國內(nèi)對此也有類似研究，何碧等[5]用雙靈敏度VISAR對EFI中的飛片速度進行測試。王祥等[6]開展了飛片材料對電爆驅(qū)動飛片速度影響，但也只是常規(guī)飛片尺寸的測試。南京理工大學的周翔[7]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)時間與電爆時間的不匹配而導(dǎo)致。Davies H[8]研究了直徑為φ1.00 mm的加速膛對尺寸為0.4 mm×0.4 mm橋箔形成的無限定性約束，加速膛對橋箔電爆后，產(chǎn)生的高溫高壓等離子體的約束力較小。南京理工大學的陳楷等[9]的研究表明，復(fù)合飛片的速度隨著發(fā)火電壓的增加逐漸增大，在相同發(fā)火條件下，復(fù)合飛片的速度隨著加速膛直徑的減小反而逐漸增加。

隨著EFI低能化以及小型化的發(fā)展，使飛片的尺寸也越來越小。本研究采用PDV測量小飛片的速度歷程，為EFI的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 爆炸橋箔與飛片的匹配研究

傳統(tǒng)的EFI通常采用聚酰亞胺薄膜作為飛片[10]，聚酰亞胺薄膜作為一種絕緣性能良好的非金屬材料，它的抗拉強度為140 MPa，但一般常見金屬箔的抗拉強度都比聚酰亞胺薄膜大。在飛片飛行的過程中，選擇抗拉強度大的材料有利于飛片保持飛片的運動姿態(tài)?；谶@個思路，文中選擇金屬Al或者Ti作為飛片，應(yīng)用在EFI中。由于金屬直接與橋箔接觸會產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，導(dǎo)致最終EFI不能可靠發(fā)火，所以需要選 擇絕緣層對金屬與橋箔之間進行隔離。根據(jù)絕緣層以及制備方法的區(qū)別，金屬飛片制備有以下兩種方案。

1）選擇聚酰亞胺薄膜作為絕緣層，利用非平衡磁控濺射，將金屬直接濺射在聚酰亞胺薄膜上，形成金屬飛片。

2）利用MEMS工藝，選擇Si3N4材料作為絕緣層，直接在橋箔上濺射。再選擇Ti，作為飛片層濺射在非金屬層上。最終，得到金屬飛片-爆炸橋箔一體化換能元。

目前EFI采用的聚酰亞胺飛片的厚度為13 μm以及25 μm，選擇這兩種厚度的聚酰亞胺薄膜作為絕緣層，通過控制非平衡磁控濺射的參數(shù)，以及利用臺階儀來保證金屬層的厚度。試驗采用Al作為金屬層，在聚酰亞胺薄膜上濺射了1、2、4、5 μm等四種不同厚度的飛片層，如圖1所示。選擇Ti作為金屬層，在聚酰亞胺薄膜上濺射了1、3、5 μm等三種不同厚度的飛片層，如圖2所示。

選擇Si3N4作為絕緣層，利用非平衡磁控濺射直接在橋箔上濺射，通過控制濺射時間來預(yù)估絕緣層厚度。選擇Ti金屬，作為飛片層濺射在絕緣層上，通過控制濺射時間來預(yù)估飛片層厚度。最終，得到金屬飛片-爆炸橋箔一體化換能元。具體制備流程如圖3所示，樣品如圖4所示。

圖3 金屬飛片-爆炸橋箔一體化換能元制備流程

圖4 金屬飛片-爆炸橋箔一體化換能元樣品

1.2 實驗過程

1.2.1 EFI發(fā)火摸底試驗

將金屬飛片裁成2 mm×2 mm的正方形，將其蓋在橋區(qū)中心，利用設(shè)計對中的方式，將加速膛、裝藥環(huán)、藥柱依次進行裝配，并標號，EFI結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 起爆單元結(jié)構(gòu)

1.2.2 EFI飛片速度測試

設(shè)計并制作了一種簡易的飛片發(fā)生裝置，它由高壓起爆電源、高壓數(shù)字表、起爆盒構(gòu)成，其中起爆盒中有冷陰極觸發(fā)管（高壓火花隙開關(guān)）、高壓脈沖電容。采用光子多普勒測速儀（PDV）對金屬飛片進行速度測試。試驗原理如圖6所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 EFI發(fā)火摸底試驗

先以Al-PI金屬飛片進行發(fā)火摸底試驗，試驗結(jié) 果見表1。

表1 Al-PI金屬飛片發(fā)火摸底試驗試驗結(jié)果

通過表1可以看出，將飛片更換為金屬飛片后，EFI均未發(fā)火。為了分析失效的原因，對爆炸箔電爆炸過程的溫度分布情況進行研究。導(dǎo)體固體加熱階段為爆炸箔電爆炸的第一個階段，它對形成等離子體的濃度和時間有著重要的影響，而等離子體是后續(xù)推動飛片的動力源。因此，爆炸箔在加熱階段的電分析具有重要意義，本仿真利用Ansys-workbench對橋箔進行電熱分析。采用如圖7所示的Ansys- workbench電熱耦合模塊，對橋箔熔化前的電熱過程進行模擬。

圖7 電熱仿真模塊

對爆炸橋箔采用電熱耦合模塊進行短脈沖作用下的電熱分析，來討論其作用過程中的溫度分布情況。爆炸橋箔厚度為3 μm，橋區(qū)尺寸為0.33 mm× 0.33 mm。爆炸橋箔建模及網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

由于銅的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率相比，在量級上有差異，同時脈沖電流作用時間短，因此可忽略橋箔與環(huán)境的熱傳導(dǎo)。在美軍標MIL-DTL-23659D中，對其規(guī) 定測試回路電流應(yīng)包含至少5個等間隔減幅振蕩電流，利用此振蕩波形參數(shù)可以進行系統(tǒng)等效電阻、等效電感的性能測試。等效電感L、電阻值R根據(jù)串聯(lián)R-L-C電路放電理論推導(dǎo)的計算公式來求解。

式中：T為電流曲線的振蕩周期，μs；I1、I2為最開始兩個正向電流峰值，A。

根據(jù)短路實驗結(jié)果推算出回路電感L和電阻R，則可以得到回路電流計算公式：

式中：RC=R+R0，R0為橋箔電阻。

Ansys熱電耦合模塊中需要的材料參數(shù)包括材料密度、比熱率、熱導(dǎo)率和電阻率。通過查閱文獻資料可知，銅的密度為8900 kg/m3，比熱率為385 J/(kg·K)，熱導(dǎo)率為401 W/(m·K)，而電阻率與溫度的關(guān)系為：

仿真后不同時刻方形橋箔橋區(qū)的溫度分布如圖9所示。

從溫度分布圖可以看出，橋區(qū)的四個拐點處最早在輸入電流的作用下開始升溫，但升溫并不明顯，此時橋箔其他區(qū)域無明顯升溫現(xiàn)象。隨后，隨著輸入電流的快速增大，整個橋區(qū)范圍內(nèi)的溫度由于焦耳熱作用迅速升高，而橋區(qū)四個拐點處由于溫度高于橋區(qū)中心區(qū)域，其電導(dǎo)率隨著有一定幅度降低，電阻較之其他區(qū)域高，因此該處的升溫速率進一步增大。同時由于熱傳導(dǎo)作用，最早產(chǎn)生溫升的橋區(qū)邊緣溫度也向中心擴散，最終整個橋區(qū)基本完全達到融點。由此可以看出，爆炸橋箔作用時，電流呈向中心區(qū)域匯聚的趨勢，橋區(qū)在中心區(qū)域爆炸，對飛片的作用力集中在飛片中心處。根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)，選取典型樣品進行解剖，具體情況如圖10所示。

通過圖10發(fā)現(xiàn)，金屬飛片均被切出，但飛片周圍均有燒蝕或金屬層脫落現(xiàn)象。根據(jù)分析，在橋箔爆炸瞬間，會產(chǎn)生高溫以及大電流。一方面橋區(qū)周圍的金屬層在高溫的情況下會產(chǎn)生燒蝕情況，或者使金屬層的附著力降低，使其脫落，這個與仿真結(jié)果一致。另一方面，在高溫和大電流共同作用下，飛片的金屬層可能會發(fā)生漏電情況，從而導(dǎo)致EFI不能可靠發(fā)火。

根據(jù)上述分析，對飛片進行絕緣處理，并做摸底試驗，試驗結(jié)果見表2?？梢钥闯?，采用經(jīng)過處理后的金屬飛片可使EFI可靠起爆。采用不同厚度的Ti-PI金屬飛片進行發(fā)火試驗，試驗前對金屬飛片進行絕緣處理，實驗結(jié)果見表3?？梢钥闯?，采用不同厚度的Ti-PI金屬飛片可使EFI可靠起爆。

將制備好的金屬飛片-爆炸橋箔一體化換能元直接裝配，并標號，試驗結(jié)果見表4。可以看出，EFI均發(fā)火，說明100 nm的Si3N4能夠絕緣，飛片的金屬 層并不會發(fā)生漏電情況。其他非金屬材料（如CuO等）作為絕緣層，EFI能否可靠發(fā)火還需要進一步試驗來驗證。

圖10 Al-PI金屬飛片試驗結(jié)果

表2 絕緣處理后試驗結(jié)果

表3 Ti-PI金屬飛片試驗結(jié)果

表4 金屬飛片-爆炸橋箔一體化換能元試驗結(jié)果

2.2 EFI飛片速度測試

EFI飛片速度測試結(jié)果見表5，典型試驗曲線如圖11所示?？梢钥闯?，在充電電壓為1200 V時，Ti-PI金屬飛片的速度為3604 m/s，金屬飛片-爆炸橋箔一體化換能元中金屬飛片的速度為2986 m/s。其原因是因為飛片的厚薄決定了飛片在加速膛內(nèi)飛行姿態(tài)的持續(xù)時間。過于薄的金屬飛片，在加速膛內(nèi)飛行姿態(tài)持續(xù)時間較短，有可能還未到最大速度，飛片已經(jīng)破碎。

表5 EFI飛片速度試驗結(jié)果

圖11 飛片速度

3 結(jié)論

通過對含有不同結(jié)構(gòu)金屬飛片的EFI進行起爆摸底試驗以及飛片速度測試，結(jié)果表明，當金屬飛片的絕緣層完全做到絕緣時，含有金屬飛片的EFI均能可靠起爆。同樣的發(fā)火電壓下，金屬飛片-爆炸橋箔一體化換能元的金屬飛片速度明顯小于絕緣層較厚的金屬飛片速度。