低成本爆炸箔起爆器系統(tǒng)技術(shù)研究?

劉 鵬 汪 柯 朱 朋② 徐 聰 趙雙飛 簡昊天 沈瑞琪②南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②微納含能器件工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江蘇南京，210094)

引言

民用爆破領(lǐng)域(如石油射孔、開山劈路、水利工程和地質(zhì)探礦等)大多采用普通電雷管作為起爆元件。 雷管中含有比較敏感的起爆藥或點(diǎn)火藥，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等過程中，容易受到射頻、靜電等雜散電流的影響意外發(fā)火，造成人員傷害及財(cái)產(chǎn)損失[1]。 爆炸箔起爆器(exploding foil initiator， EFI)，也稱為沖擊片雷管(slapper detonator)，是將電能轉(zhuǎn)換為飛片動(dòng)能，進(jìn)而直接沖擊起爆六硝基茋(HNS)鈍感炸藥的一種高安全、高可靠性火工品[2-3]。 爆炸箔起爆器系統(tǒng)主要包括高壓電容、高壓開關(guān)和爆炸箔起爆器3 個(gè)核心組件。 其中，高壓電容是已經(jīng)比較成熟的低成本商用器件；高壓開關(guān)主要用的是冷陰極觸發(fā)管，價(jià)格在幾千元到上萬元不等；爆炸箔起爆器由爆炸橋箔、聚合物飛片、加速膛和HNS 藥柱等分立器件經(jīng)手工裝配而成，價(jià)格在幾千元不等。因此，傳統(tǒng)的爆炸箔起爆器系統(tǒng)價(jià)格高昂，只適用于高價(jià)值武器。

針對(duì)此問題，開展了適用于民用爆破的低成本爆炸箔起爆器系統(tǒng)的技術(shù)研究。 低成本爆炸箔起爆器系統(tǒng)包括高壓電容、高壓開關(guān)、集成爆炸箔芯片和HNS炸藥等。高壓電容是已經(jīng)比較成熟的低成本商用器件。 本文中，主要針對(duì)高壓開關(guān)、集成爆炸箔芯片和HNS 炸藥3 個(gè)關(guān)鍵組件開展研究。 以高壓開關(guān)為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)、制作基于串聯(lián)陶瓷氣體放電管的低成本高壓開關(guān)，研究其電氣特性。 在此基礎(chǔ)上，結(jié)合前期已完成的低成本集成爆炸箔芯片和微流控重結(jié)晶HNS 炸藥技術(shù)，開展爆炸箔電爆特性、電爆炸等離子體驅(qū)動(dòng)飛片、飛片沖擊起爆HNS 炸藥驗(yàn)證等研究。

1 低成本爆炸箔起爆器系統(tǒng)關(guān)鍵組件

低成本爆炸箔起爆器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要由高壓電容、高壓開關(guān)、爆炸箔芯片和HNS 炸藥組成。 其作用過程為：高壓開關(guān)接到起爆指令后迅速閉合，高壓電容放電，在放電回路中產(chǎn)生脈沖大電流；當(dāng)脈沖大電流經(jīng)過爆炸箔芯片時(shí)，使金屬橋箔發(fā)生電爆炸，產(chǎn)生高溫高壓等離子體；等離子體在加速膛的約束下剪切并驅(qū)動(dòng)飛片達(dá)到數(shù)千米每秒的速度；高速飛片沖擊起爆HNS 炸藥，使HNS 炸藥發(fā)生爆炸并引發(fā)下一級(jí)裝藥。

1.1 基于串聯(lián)陶瓷氣體放電管的高壓開關(guān)

高壓開關(guān)是爆炸箔起爆器系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，直接決定著起爆回路的輸出特性，影響起爆器的發(fā)火性能。 目前，國內(nèi)外主要使用的是立體式火花隙三電極結(jié)構(gòu)的氣體開關(guān)、真空開關(guān)和晶閘管(MCT)半導(dǎo)體開關(guān)[4]。 3 種類型的開關(guān)均能滿足爆炸箔起爆器的要求，只是價(jià)格偏高。 近年來，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開展了平面高壓開關(guān)技術(shù)研究，以降低高壓開關(guān)成本、提高爆炸箔起爆器系統(tǒng)的集成度，但平面高壓開關(guān)及其相關(guān)技術(shù)還處在研究階段[5-6]。

陶瓷氣體放電管(gas discharge tube，GDT)是基于氣體間隙放電的商用高功率電子器件，具有響應(yīng)速度快、耐大電流沖擊、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好和壽命長等特點(diǎn)。 放電管內(nèi)部充有氖氣等惰性氣體，有兩個(gè)帶間隙的金屬電極，主要用于高功率電子、電工設(shè)備的過電壓保護(hù)，技術(shù)成熟、價(jià)格低廉[7]。 本文中，以商用GDT 為對(duì)象，研究其電氣性能，驗(yàn)證將其在低成本爆炸箔起爆器系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。 考慮到爆炸箔起爆系統(tǒng)一般的放電電壓在1 ～2 kV，使用的GDT 選擇600 V 和1 800 V 擊穿電壓，理論上此開關(guān)的放電電壓可調(diào)范圍為600 ～1 800 V。 GDT 主要性能參數(shù)見表1。

表1 GDT 性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of GDT

氣體放電管的工作原理為：當(dāng)放電管兩極之間施加一定電壓時(shí)，便在極間產(chǎn)生不均勻電場(chǎng)，在此電場(chǎng)作用下，管內(nèi)氣體開始游離，當(dāng)外加電壓增大到使極間場(chǎng)強(qiáng)超過氣體的絕緣強(qiáng)度時(shí)，兩極之間的間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)[8]。 將兩個(gè)GDT 串聯(lián)起來，擊穿電壓較低的一段作為陽極，另一端作為陰極，中間為觸發(fā)極，則構(gòu)成了一個(gè)低成本的三電極高壓開關(guān)。 開關(guān)未導(dǎo)通時(shí)，主電極之間加有高壓；當(dāng)需要開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，則在觸發(fā)極上施加觸發(fā)電壓，觸發(fā)極與陰極之間形成高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使之擊穿導(dǎo)通，進(jìn)而使得整個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。

1.2 爆炸箔芯片

爆炸箔芯片(micro chip exploding foil initiator，McEFI)主要包括基片、橋箔、飛片和加速膛。 作為爆炸箔起爆器的換能器件，McEFI 決定了其電能轉(zhuǎn)換為飛片動(dòng)能的效率，直接影響著飛片沖擊點(diǎn)火與起爆的性能。

早期爆炸箔起爆器的橋箔、飛片及加速膛等均為分立元件，采用人工安裝對(duì)準(zhǔn)，所以加工精度低、生產(chǎn)效率低且生產(chǎn)成本高。 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro electromechanical system，MEMS)及低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramics，LTCC)工藝應(yīng)用于爆炸箔起爆器，實(shí)現(xiàn)了爆炸箔的芯片化；這提高了加工精度、生產(chǎn)效率，降低了制造成本，具有顯著的規(guī)模效益。

1.2.1 基于MEMS 工藝的McEFI

MEMS 技術(shù)是集微機(jī)械與微電子于一體的微型機(jī)電器件或系統(tǒng)，主要由微傳感器、微執(zhí)行器、微電路和電源組成。 通常采用與集成電路兼容的工藝制造，具有體積小、質(zhì)量輕和可批量化生產(chǎn)等特征[9]。

基于MEMS 工藝制作的爆炸箔芯片工藝流程如下：采用陶瓷做爆炸箔基底，利用磁控濺射法制作Cu 橋箔、化學(xué)氣相沉積法制作PC(parylene C，聚對(duì)二甲苯)/ Cu 復(fù)合飛片，最后光刻SU-8 膠或SUEX干膜制作加速膛。 爆炸箔芯片結(jié)構(gòu)見圖2。

1.2.2 基于LTCC 工藝的McEFI

LTCC 技術(shù)是集互聯(lián)、無源元件和封裝于一體的多層電路印制板技術(shù)。 其技術(shù)特征和基本原理是將多層陶瓷元件技術(shù)與多層電路圖形技術(shù)相結(jié)合，以玻璃、陶瓷等材料作為電路的介電層，應(yīng)用Au、Ag、Cu 等高導(dǎo)電率金屬當(dāng)做內(nèi)、外層電極材料，以平行印刷方式印制電路，在低于金屬熔點(diǎn)約1 000 ℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成陶瓷元件或基板。 以LTCC 技術(shù)設(shè)計(jì)、制作的爆炸箔芯片的結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖3 所示[10-11]。

2 GDT 高壓開關(guān)電氣性能研究

2.1 放電回路設(shè)計(jì)

如圖4 所示，設(shè)計(jì)制作了基于GDT 高壓開關(guān)的電容放電回路(capacitor discharge unit，CDU)，進(jìn)行短路放電試驗(yàn)，研究GDT 高壓開關(guān)的電氣性能。 針對(duì)爆炸箔起爆器使用電壓一般在1 ～2 kV 之間，選取直流擊穿放電電壓為600 V 和1 800 V 的氣體放電管串聯(lián)組成三電極高壓開關(guān)。 爆炸箔用高壓電容根據(jù)電介質(zhì)的種類可以分為薄膜電容、陶瓷電容以及紙介電容。 考慮到體積、電容以及放電性能等因素，采用高壓陶瓷電容作為放電電容。

2.2 CDU 固有電感和電阻

GDT高壓開關(guān)用于CDU時(shí)，需要驗(yàn)證的關(guān)鍵電氣性能參數(shù)主要包括開關(guān)的延遲時(shí)間tD、電流上升時(shí)間tR、電流上升率di/dt、峰值電流Ip。電氣性能試驗(yàn)原理如圖5 所示。 其中，C為高壓儲(chǔ)能電容；L為主回路等效電感，主要包括傳輸線電感和引線分布電感；R為主回路等效電阻，主要包括傳輸線電阻以及GDT 導(dǎo)通電阻。

放電過程符合基爾霍夫回路方程[12]：

式中：C為放電電容；I為回路電流；L為線路等效電感；R0為起爆回路初始電阻；R(t)為電爆炸過程中動(dòng)態(tài)電阻；U0為初始充電電壓。

回路中的初始電阻和等效電感可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式(2)和式(3)計(jì)算[13]：

式(2)和式(3)中：T1為起爆回路短路放電周期；I1max為最大峰值電流；I2max為第二大峰值電流。

為了對(duì)比電容和放電電壓對(duì)CDU 放電特性的影響，分別對(duì)0.10、0.15、0.22、0.30 μF 和0.40 μF 5 種電容與GDT 三電極開關(guān)集成的CDU 回路進(jìn)行了短路放電測(cè)試，利用羅果夫斯基電流環(huán)采集回路中的電流信號(hào)。 0.30 μF 電容在不同放電電壓下短路，放電曲線如圖6 所示。 可知在同一電容下，隨著放電電壓增加，回路峰值電流也增加，但回路峰值電流上升時(shí)間基本重合。

將數(shù)據(jù)帶入式(2)和式(3)，計(jì)算每個(gè)電壓下同一個(gè)CDU 的電感和電阻，再計(jì)算得到不同電容回路的電感和電阻的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)，結(jié)果如表2 所示。 從表2 可知，除了電容為0. 10 μF 的回路，其余回路平均電感均為三十幾納亨，平均電阻也在一百毫歐附近。 其中，0.30 μF 和0.40 μF 電容回路的電感標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)均大大低于其他電容。

2.3 開關(guān)電流上升時(shí)間

定義回路電流從0 到第一峰值之間的延遲時(shí)間為電流上升時(shí)間tR，第一峰值電流的10%到90%時(shí)間段內(nèi)對(duì)應(yīng)的電流變化量為電流上升率，放電周期T近似為相鄰電流峰值之間的時(shí)間差。 各參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系如圖7 所示。

在1.7 kV 工作電壓下，測(cè)試對(duì)比不同電容條件下開關(guān)的電流上升時(shí)間、上升率及周期變化情況，得到數(shù)據(jù)如表3 所示。 從表3 可知，在放電電壓相同的情況下，峰值電流、電流上升時(shí)間、電容放電時(shí)間均隨著電容增大而增大。

2.4 開關(guān)延遲時(shí)間

開關(guān)延遲時(shí)間是關(guān)乎開關(guān)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。圖8 給出了在測(cè)試中測(cè)量的兩個(gè)延遲時(shí)間定義：觸發(fā)極、陽極電流延遲(the trigger anode-current delay)tAD，是從給出觸發(fā)脈沖信號(hào)到陽極電流開始的時(shí)間；而tAD2，是從觸發(fā)極斷開到陽極電流開始的延遲時(shí)間。其中，觸發(fā)極斷開表示觸發(fā)極與相鄰電極之間電擊穿引起的觸發(fā)電壓的突然下降。 但有時(shí)候觸發(fā)電壓不會(huì)突然下降，導(dǎo)致tAD2的定義不明確。 因?yàn)閺南到y(tǒng)角度來看，tAD才是測(cè)量延時(shí)精度的參數(shù)[14]。

表2 不同電容下計(jì)算所得CDU 的電感與電阻Tab.2 Calculation of inductance and resistance of CDU circuit with different capacitance

表3 不同電容下測(cè)試所得CDU 回路的放電特征參數(shù)Tab.3 Testing results of discharge characteristic parameters of CDU circuit with different capacitance

選取0.30 μF 電容，測(cè)試CDU 在不同放電電壓下的開關(guān)觸發(fā)延遲時(shí)間tAD。 如圖9 所示，放電電壓以0.1 kV 的步長從1.3 kV 升至1.8 kV，每個(gè)步長測(cè)試6 次，得到tAD的平均值為261.55 ns，標(biāo)準(zhǔn)偏差為22.42 ns。

從圖9 可知，在1.3 ～1.6 kV 之間，開關(guān)的觸發(fā)延遲時(shí)間整體上不隨放電電壓的改變而改變，基本上維持在260 ns 左右；在放電電壓升至1.7 kV 和1.8 kV 時(shí)，延遲時(shí)間出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。

3 基于GDT 高壓開關(guān)的McEFI 電爆炸特性

將基于MEMS 工藝制造的McEFI 連接到CDU中，研究其電爆炸特性[15]。

由表2 可知，0.30 μF 電容與GDT 高壓開關(guān)組成的CDU 電感和電阻較小，故選用0.30 μF 電容；同時(shí)，選用0.22 μF 電容作為參比。 微型爆炸箔芯片橋箔尺寸為0.4 mm(L) ×0.4 mm(W) ×3.6 μm(H)，材料為Cu。 采用高壓探頭采集爆炸箔兩端電壓，采用羅果夫斯基電流環(huán)采集電流，測(cè)試1.3、1.5 kV 和1.7 kV 放電電壓下爆炸箔的電爆炸性能參數(shù)，如表4 所示。 其中，1.7 kV 放電電壓下回路電流、橋箔兩端電壓、橋箔爆發(fā)功率曲線如圖10 所示。

爆炸箔的能量利用率按照式(4)計(jì)算：

式中：tb為爆發(fā)點(diǎn)時(shí)刻[16]，即橋箔峰值電壓時(shí)刻；C為電容；U0為發(fā)火電壓。

結(jié)合圖10 和表4 可知，隨著發(fā)火電壓的升高，橋箔電爆炸峰值電流、峰值電壓均得到增大。 電爆炸能量利用率均在20%左右，且隨著發(fā)火電壓的升高而減小。 理想狀態(tài)下，峰值電流時(shí)刻應(yīng)盡量接近峰值電壓時(shí)刻，以保證橋箔電爆炸時(shí)功率最大。 從圖10 可知，峰值電流均略微滯后于峰值電壓，間隔時(shí)間在50 ns 左右，說明橋箔爆炸時(shí)間均處于電流下降階段，導(dǎo)致橋箔的能量利用率偏低。

4 電爆炸等離子體驅(qū)動(dòng)飛片速度特性

飛片的速度和完整性是沖擊起爆的關(guān)鍵指標(biāo)。使用課題組自主研發(fā)的光子多普勒測(cè)速(photonic Doppler velometer， PDV)系統(tǒng)研究了橋箔電爆炸等離子體驅(qū)動(dòng)飛片特性。

表4 爆炸箔電爆性能參數(shù)Tab.4 Electric explosion performance parameters of EFI

爆炸箔橋區(qū)尺寸0.4 mm(L) ×0.4 mm(W) ×3.6 μm(H)，飛片由25 μm PC、2 μm Cu 和100 nm Au 組成，加速膛為圓形，?＝0.6 mm，H ＝0.4 mm。使用PDV 速度測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試電容0.22 μF 和0.30 μF 的CDU 在不同發(fā)火電壓下飛片的實(shí)時(shí)速度。 通過描點(diǎn)、積分處理后，可得到如圖11 所示的飛片速度-時(shí)間曲線與位移-時(shí)間曲線。

由圖11 可知，飛片的加速度和最終速度均隨著發(fā)火電壓的升高而增大。 在加速過程的前100 ns內(nèi)，飛片速度急速增加；在100 ns 之后，飛片加速出現(xiàn)拐點(diǎn)，加速度明顯減??；之后緩慢加速，達(dá)到速度最大值。

分析認(rèn)為，在拐點(diǎn)之前，電爆炸產(chǎn)生的沖擊波和電爆炸產(chǎn)物共同在加速飛片，所以加速度比較大；拐點(diǎn)之后，由于飛片背面稀疏波的影響，沖擊波明顯減弱，主要是電爆炸產(chǎn)物在加速，加速度比較小，飛片速度趨于平緩。

放電電壓、電容對(duì)應(yīng)的飛片速度特征參數(shù)如表5 所示。 由表5 可知，電容為0.22 μF、放電電壓為1.3 kV 和1.5 kV 時(shí)，飛片達(dá)到最大速度的位移均小于加速膛的高度H ＝0.4 mm，說明飛片可以以最大速度撞擊炸藥；而當(dāng)放電電壓為1.7 kV、以及電容為0.30 μF 時(shí)，飛片在出加速膛口時(shí)尚未達(dá)到最大速度，仍處于加速階段。

表5 飛片速度特征參數(shù)Tab.5 Velocity characteristic parameters of flyer

5 微流控重結(jié)晶HNS 炸藥

HNS 炸藥是一種直列式許用傳爆藥。 細(xì)化后的HNS 對(duì)短脈沖沖擊敏感，可用于爆炸箔直列式點(diǎn)火與起爆。 微流控技術(shù)具有混合效率和傳質(zhì)傳熱速率高、反應(yīng)液消耗低、反應(yīng)條件可以精確控制等優(yōu)勢(shì)，可以用于制備窄粒徑分布的微納米HNS 炸藥[17]。

筆者前期組建了一種基于振蕩渦流混合芯片的桌面式微流控重結(jié)晶HNS 系統(tǒng)，體積小、價(jià)格低、易于操作。

微流控裝置的基本組成如圖12 所示。

將HNS 原料溶解于二甲基亞砜溶劑內(nèi)，置于注射器中，由注射泵驅(qū)動(dòng)，流速設(shè)置為1. 8 mL/min。表面活性劑溶解于去離子水中，形成非溶劑溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%；將非溶劑溶液置于儲(chǔ)液罐中，調(diào)節(jié)氮?dú)馄慨a(chǎn)生的壓力，控制流速。 壓力驅(qū)動(dòng)非溶劑流向振蕩發(fā)生器，并從振蕩發(fā)生器流向渦流混合芯片。同時(shí)開啟注射泵開關(guān)，驅(qū)動(dòng)注射器中溶劑沿連接組件向渦流混合芯片輸送。 溶劑和非溶劑在渦流混合芯片中接觸并快速混合，形成乳白色HNS懸浮液。將HNS懸浮液洗滌、抽濾、干燥，可獲得圖13所示的D50＝265 nm 的HNS 炸藥。

將微流控重結(jié)晶的HNS 炸藥壓裝成尺寸為?4 mm×4 mm、裝藥密度為1.60 g/cm3的藥柱，進(jìn)行無約束的沖擊起爆試驗(yàn)。 在0.30 μF、1.5 kV 發(fā)火條件下，系統(tǒng)可以成功起爆HNS 炸藥，對(duì)應(yīng)的飛片速度為3 476 m/s。

6 結(jié)論

本文中，研究了一種適用于民用爆破的低成本爆炸箔起爆器系統(tǒng)。 分別掌握了GDT 三電極高壓開關(guān)的電氣性能、爆炸箔芯片的集成設(shè)計(jì)與批量制造方法、納米HNS 炸藥的微流控重結(jié)晶方法。 在此基礎(chǔ)上，研究了爆炸箔起爆器系統(tǒng)的發(fā)火性能。 結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在0.30 μF、1.5 kV 條件下成功起爆D50＝265 nm 的HNS 炸藥。

GDT 主要用于高功率電子、電工設(shè)備的過電壓保護(hù)，技術(shù)成熟、價(jià)格低廉；爆炸箔芯片由于采用MEMS 工藝，可以實(shí)現(xiàn)低成本批量制造；桌面式微流控重結(jié)晶HNS 系統(tǒng)的體積小、價(jià)格低、易于操作，可以實(shí)現(xiàn)納米HNS 炸藥的低成本制造。

驗(yàn)證了低成本爆炸箔起爆器系統(tǒng)技術(shù)的可行性，為其在民用爆破領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐。