銅箔厚度對爆炸箔起爆性能影響規(guī)律研究

周 密，張晶鑫，同紅海，秦國圣，李 蛟，王 寅

銅箔厚度對爆炸箔起爆性能影響規(guī)律研究

周 密，張晶鑫，同紅海，秦國圣，李 蛟，王 寅

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學重點實驗室，陜西 西安，710061）

為了提高爆炸箔起爆系統(tǒng)能量利用效率，采用仿真計算和試驗相結合的方法，研究了不同銅箔厚度對爆炸箔起爆性能的影響規(guī)律。結果表明：當爆炸箔橋區(qū)尺寸為0.3mm×0.3mm時，銅箔厚度為3μm的爆炸箔電爆性能較好，能量利用率較高，在發(fā)火電壓為1.5kV時，能量利用率達到72.33%，相對應的飛片速度最大。

爆炸箔；起爆性能；能量利用率；飛片速度

小型化、低能化是爆炸箔起爆系統(tǒng)（Exploding Foil Initiator System，EFIs）的發(fā)展趨勢，而小型化、低能化的關鍵是提高爆炸箔起爆器（Exploding foil initiation，EFI）的能量利用率，降低發(fā)火能量。爆炸箔作為起爆系統(tǒng)的換能元有著重要的作用，它通過吸收脈沖功率單元提供的脈沖能量發(fā)生電爆炸產生高溫高壓等離子體，從而剪切飛片，并驅動飛片高速飛行。爆炸箔的材料、形狀、尺寸等參數決定了爆炸箔的初始電阻，進而影響電爆炸初始階段的能量沉積、電爆炸時間以及能量利用率[1-4]。在爆炸箔材料、形狀、橋區(qū)大小確定的情況下，本文研究了不同銅箔厚度的爆炸箔對起爆性能的影響因素，優(yōu)選出較佳的銅箔厚度，為爆炸箔的低能化和小型化提供參考依據。

1 數學模型

爆炸箔起爆系統(tǒng)放電回路可簡化成一個簡單的諧振LRC電路，如圖1所示。

根據圖1爆炸箔起爆系統(tǒng)放電回路等效電路，由基爾霍夫定律給出下列方程：

式（1）中：是回路電感；是除爆炸箔箔電阻以外的串聯線性電阻，也就是回路的初始電阻；()是爆炸箔非線性電阻；是電容；是電容的充電電壓；為時間時刻的線路電流。

()可用動態(tài)參數()來描述，即：

式（2）中：()為電流經爆炸箔橋區(qū)處的電流密度；()為爆炸箔的電流密度。

所以爆炸箔的動態(tài)電阻()可表示為：

式（4）中：是爆炸箔的長度；C是爆炸箔的橫截面積；[()] 為爆炸箔的動態(tài)電阻率，是關于()的函數，其值可進一步表示成：

式（5）中：為爆炸后的電阻率；為電阻率的峰值；0為爆炸時的作用率；為電阻率的峰值寬度；0、0由材料確定，其值由實驗來確定；為電容上的充電電壓；為回路的電感；、為常值系數，其大小通過實驗確定。

根據RonLee提供的實驗數據[5-6]可得：0= 2.5×109A2s·cm-4、0=0.5×109A2s·cm-4、=0.19、=2.0×1011A·s-1、=100.0×10-6Ω·cm、==100.0×10-6Ω·cm。

令：

由公式（1）和（4）可得：

對方程組（7）用四階龍格庫塔算法進行數值計算，可求出1、2、3隨時間的變化規(guī)律，3為爆炸箔的爆發(fā)電流。計算終止條件為()=0，既：

所對應的時間t既爆炸箔的爆炸時間，該瞬間電流(tb)就是爆炸箔爆炸時刻的電流。

2 參數計算與結果分析

利用matlab軟件四階龍格庫塔算法對所選仿真參數進行計算模擬，選定的電路參數為=144nH，0=75mΩ，發(fā)火電容容值為0.20μF，充電電壓為2 500V，爆炸箔為銅箔，橋區(qū)尺寸為0.3mm×0.3mm，厚度分別為1μm，2μm，3μm，4μm，5μm，6μm。表1為不同銅箔厚度爆炸箔的電流計算結果。圖2為不同銅箔厚度爆炸箔爆發(fā)電流曲線。

表1 不同銅箔厚度爆炸箔爆發(fā)電流計算結果

圖2 不同銅箔厚度爆炸箔爆發(fā)電流曲線

從計算結果可以看出，隨著銅箔厚度的增加，爆炸箔爆發(fā)電流增大，爆炸時刻后移。但爆炸時刻不斷后移，會使爆炸點不在峰值電流附近，系統(tǒng)不能達到最佳能量利用率。從爆炸箔初始電阻角度來講，在一定的起爆回路下，爆炸箔太厚或者太薄都不能使飛片加速到要求的速度，因為爆炸箔太厚，其初始電阻太小，使其電爆炸時吸收的電能減少，導致飛片速度減??；而爆炸箔太薄，雖然橋薄初始電阻增大，但是致使整個回路的電阻增大，使回路電流減小，而且太薄的爆炸箔不能夠提供足夠的膨脹力來驅動比爆炸箔厚很多的飛片，也會導致飛片速度減小，所以存在一個最合理的厚度值，即最合理的爆炸箔初始電阻值，可以驅動飛片速度最大，爆炸箔能量利用率最高。綜上，爆炸箔的厚度在2~4μm比較合適。

3 實驗結果與討論

3.1 實驗裝置

高壓脈沖功率源中的關鍵器件包括高壓脈沖電容器、脈沖變壓器、高壓開關等，測試系統(tǒng)邏輯關系如圖3所示，發(fā)火電容容值為0.20μF。

3.2 實驗結果與分析

從參數計算結果得出，銅箔厚度在2~4μm的爆炸箔比較合適，本實驗選取2μm、3μm、4μm 3種銅箔厚度的爆炸箔進行電爆性能測試，表2為不同銅箔厚度爆炸的電爆性能參數測試結果。

表2 不同銅箔厚度爆炸箔起爆性能參數

Tab.2 Initiation performance parameters of explosive foil with different thickness of copper foil

表2中的能量利用率是該橋區(qū)消耗的有效能量除以回路初始存儲的能量。從爆炸箔爆炸氣化推動飛片加速到飛片加速到最高速度期間內，爆炸箔消耗的能量大部分轉化為飛片動能，這部分能量稱其為有效能量；當飛片出膛并撞擊到炸藥柱后，橋區(qū)后續(xù)消耗的能量對于飛片的動能已無意義，這部分能量稱其為無效能量。依據相關文獻，爆炸箔起爆器飛片加速過程約為200ns[7]。因此，可將爆炸箔爆發(fā)點后200ns這一時刻作為區(qū)分有效能量和無效能量的時間節(jié)點。在數據處理中將爆發(fā)電流曲線、爆發(fā)電壓曲線爆發(fā)點后200ns以后的數據截去，不計入橋區(qū)消耗的能量。截取后的爆發(fā)電流、爆發(fā)曲線相乘，可得到橋區(qū)消耗的功率曲線，對功率曲線進行積分就可得到橋區(qū)消耗的有效能量值。圖4為不同銅箔厚度爆炸箔能量利用率分布圖。

圖4 不同銅箔厚度爆炸箔能量利用率分布圖

由表2和圖4可以看出，3μm厚度的銅箔比其它厚度的銅箔電爆能量利用率高，圖5為銅箔厚度為3μm爆炸箔在不同充電電壓下的爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流曲線。

圖5 不同充電電壓下3μm爆炸箔爆發(fā)電壓電流曲線

由表2得出3μm爆炸箔在充電電壓1 500V下能量利用率為72.33%，相對較大，分析其原因：（1）爆炸箔在減幅振蕩1/4周期處爆炸，則可獲得最佳能量利用效果，由1 500V爆發(fā)電壓電流曲線（圖5（c））可以看出爆炸箔在放電曲線1/4周期處爆炸。（2）爆炸箔爆發(fā)前沿電流上升越快，越有利于提高能量利用率，由表2可知，3μm爆炸箔在1 500V充電電壓下相對于其在其它充電電壓下電流上升最快。（3）1 100V充電電壓下峰值電流在爆發(fā)電壓之前；在1 300V充電電壓下峰值電流和爆發(fā)電壓基本重合，爆發(fā)電流曲線振蕩3次，在 1 500V充電電壓下，峰值電流和爆發(fā)電壓重合，爆發(fā)電流曲線振蕩1次；在1 700V充電電壓下，峰值電流在爆發(fā)電壓之后，放電曲線振蕩4次。分析原因是在發(fā)火電壓1 500V時，爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流曲線都只有1個振蕩周期并且重合度很高，高壓電容放電快，峰值電流和爆發(fā)電壓很接近。

3.3 PDV速度測試

PDV是一種新型激光干涉測速技術，由Strand等[8]于2004年提出。PDV[9-11]對物體速度的測試是基于物體運動產生的光學多普勒效應，具體原理如圖6所示。

圖6 實驗原理示意圖

實驗所用橋箔尺寸為0.3mm×0.3mm×0.003 mm，放電電容為0.20μF，飛片材料為聚酰亞胺薄膜，厚度為12.5μm，充電電壓分別為1 100V、1 300V、1 500V，加速膛厚度為0.45mm。圖7和圖8為1 500V充電電壓下速度測試示波器頻譜圖和處理后速度位移曲線，表3為不同充電電壓下飛片速度測試結果。

圖7 示波器頻譜圖

從圖7可以看出，大約在0.92μs時刻，飛片速度出現拐點，在此之前飛片速度上升較快，在大約100ns內達到最終速度的75%。在速度拐點之后，飛片速度上升相對變緩，后經大約100ns完成了剩余25%速度的增加。

對速度曲線積分可以得到飛片速度與位移的關系，如圖8所示。從圖8可見速度拐點出現在0.3mm處，理論上在等離子體驅動飛片的前期之前，等離子體的壓力較飛片在加速膛中飛行的摩擦力大數個量級，摩擦力對飛片的影響非常小，因此加速較快；但是到了后期，等離子體的壓力逐漸降低，摩擦力對飛片的影響逐漸加大，因此加速緩慢。

圖8 處理后速度位移曲線

表3 飛片速度測試結果

Tab.3 Test results of flyer velocity

由于本起爆裝置所用的加速膛厚度為0.45mm，所以位置曲線上對應0.45mm處的時刻就為飛片出加速膛的時刻。可以看出本實驗飛片出加速膛的速度達到了飛片的最大速度3 680m/s，說明優(yōu)化后的飛片厚度與起爆系統(tǒng)各參數達到了良好的匹配關系。

4 結論

本文針對放電回路原理、橋箔動態(tài)電阻、橋箔爆發(fā)電路理論計算，在理論模型的基礎上利用MATLAB軟件對放電回路進行了仿真計算，計算得到在爆炸箔橋區(qū)尺寸一定的情況下，爆炸箔的銅箔厚度在2~4μm比較合適。進一步對銅箔厚度為2~4μm的爆炸箔進行了電爆性能參數對比，得到銅箔厚度為3μm的爆炸箔比其它厚度的爆炸箔在電爆性能和能量利用率方面都具有一定優(yōu)勢，能量利用效率計算與飛片速度測試均表明在1 300~1 500V充電壓下相對較高，能量利用效率最高達72.33%。

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Study on the Effect of Copper Foil Thickness on Detonation Performance of Explosive Foil Initiator

ZHOU Mi，ZHANG Jin-xin，TONG Hong-hai，QIN Guo-sheng，LI Jiao，WANG Yin

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

In order to improve the energy utilization ratio of the explosive foil initiation system, combining the simulation calculation and experiment research, the influence regularity of copper foil thickness on the initiation properties of explosive foil were studied. The explosion experimental results show that when the explosion foil bridge size is 0.3mm ×0.3mm, the explosive foil with thickness of 3μm has the best electric detonation performance and the highest energy utilization. When the ignition voltage is 1.5 kV, the energy utilization rate reaches 72.33%, and the corresponding flyer velocity is the highest.

Exploding foil；Detonation performance; Energy efficiency; Flyer velocity

TJ450.1

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.04.004

1003-1480（2019）04-0014-05

2019-06-11

周密（1984 -），女，工程師，主要從事爆炸箔火工技術研究。