冲击片组件高效换能技术

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当前，随着钝感冲击片雷管的深入研制，其安全性有了较大的提升，但这也影响了火工品的生命线——可靠性。更高的可靠性是火工品设计以及应对其使用环境不断变化的一贯要求。

冲击片雷管的作用过程是将电能转换成驱动炸药的动能，因此也将其中的核心部件爆炸箔、飞片和炮筒称为换能元，换能元的高效作用是保证冲击片雷管可靠性的关键，因此如何提高冲击片换能元将电能转换成动能的效率是冲击片雷管设计面临的重要课题。

一直以来，设计人员都是从换能元自身的匹配优化中寻找突破，譬如尺寸的匹配，在一定范围内基本已经达到极限，对提升可靠性要求的空间不大，因此本工作中，将纳米含能材料、聚能结构以及MEMS制造技术引入爆炸箔中，设计了电-化学复合爆炸箔、异形结构爆炸箔、聚能爆炸箔等高效换能元，性能测试表明新高效换能元在降低输入能量需求和提升驱动飞片能力方面具有一定的优势。

1  含能薄膜及换能效率研究

电-化学复合爆炸箔是在金属爆炸箔基础上沉积含能薄膜，利用电爆炸与化学爆炸的复合作用，将化学反应放出的能量引入电爆炸过程中，以此提高等离子体的输出能力。设计中重点关注电-化学反应时间的匹配性问题，采用磁控溅射技术制备出一定厚度和调整周期的复合爆炸箔，并进行成分表征，见图1和图2。随后进行了电爆炸特性以及驱动飞片能力研究，结果见图3和表1。 

    研究表明，Al/Ni爆炸箔的放电电流曲线是1/2正弦波，电流-电压曲线的斜率高，峰值能量大，并且能量集中；而Cu爆炸箔放电曲线为标准的正弦波，能量上升缓慢，大部分消耗在内能中，未被利用。文献也报道过爆炸箔在爆发时刻后200 ns对飞片加速是有贡献，因此从电爆炸行为来看，复合爆炸箔对驱动飞片是有利的。

采用光子多普勒速度测试系统(PDV)对Al/Ni爆炸箔驱动飞片速度进行测试后，验证了上述观点，在相同测试条件和试验件参数条件下，飞片速度较之Cu爆炸箔提升10%以上。

2  异形爆炸箔换能特性研究

为探索爆炸箔形状对能量沉积效率的影响，设计并制备了方波形、弯曲形、圆环形爆炸箔，研究表明，方波形爆炸箔的能量利用率要高于传统的方形爆炸箔，并且更适合放电周期较短的回路；在爆炸箔体积相同的情况下，圆环形爆炸箔完全爆发需要的能量要低于传统的方形爆炸箔，有利于起爆系统的小型化；弯曲形爆炸箔和圆环形爆炸箔在驱动飞片能力方面较方形爆炸箔有明显提升，飞片速度提升13%以上。

3  聚能爆炸箔结构设计与制造技术研究

针对金属爆炸箔电爆炸过程中冲击波与等离子体射流存在成长同步差的现象，设计了基于聚能结构的爆炸箔。聚能结构爆炸箔在脉冲大电流刺激下发生电爆炸的过程中，产生的等离子体并不像在敞开空间一样自由扩散，而是约束在一定的空间内，这样既避免了等离子体能量的损耗，又使作用于飞片系统的能量更加集中，利用驱动飞片获得更高的速度。以超厚(1.5 mm)单晶硅(100)晶圆为基底利用MEMS技术完成了聚能爆炸箔阵列的制造，掌握<100>超厚单晶硅聚能结构的湿法深槽刻蚀工艺方法，获得了具备聚能结构特征的爆炸箔。