激光驅動飛片沖擊應力實驗研究

王 猛，何 碧，蔣 明，覃文志

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

PVDF薄膜（聚偏氟乙烯薄膜）具有很強的壓電性能，在其表面噴鍍或涂飾微米厚的鋁形成電極，即可構成PVDF壓電薄膜傳感器，其具有薄而柔軟、響應快、測壓范圍大、無源、靈敏度高等優良性能，故在爆炸和沖擊領域得到了廣泛的應用[1]。

激光驅動飛片起爆炸藥是利用高能激光輻照鍍在光學玻璃或光纖末端的金屬薄膜，產生高溫高壓等離子體，等離子體膨脹推動殘余薄片，最終撞擊炸藥實現起爆。該技術具有時間控制精度高、響應迅速、抗電磁干擾的優勢，可滿足現代火工品的發展需求[2]。

激光驅動飛片能否成功起爆炸藥，主要取決于飛片撞擊炸藥的沖擊應力p和持續脈沖時間τ[3]。對這兩個參數的獲得，普遍采用測試飛片最大速度和殘余飛片厚度，進而應用相關的經驗公式展開計算得到[4-5]。本文利用 PVDF薄膜的壓電效應，制作成經濟簡單的應力計，用于激光驅動飛片沖擊應力的直接測試，并對其相關特性展開研究。

1 PVDF應力計測試技術

1.1 實驗原理

PVDF應力計受到沖擊載荷p時，其表面會產生電荷Q?，F已證明在 0～10GPa的壓力范圍之間，p和Q呈單值函數關系[6]：

式（1）中：K為動態壓電系數，對于不同設計結構的應力計來說，其數值略有不同，實驗前需對其展開標定。A為應力計敏感部分面積，本實驗中為飛片的表面積。

PVDF應力計的測試電路一般有兩種模式，即電流模式和電荷模式。在電流模式中，PVDF受壓產生的電荷通過與其并聯的電阻R放電，示波器讀出的為電阻R兩端的電壓值，對輸出的電壓信號展開積分后，即為PVDF應力計受沖擊產生的電荷隨時間的變化曲線。而在電荷模式中，PVDF應力計通過與并聯的電容放電，示波器顯示的電壓值與沖擊壓力是成正比的，測量結果直觀，不用數值積分。本實驗采用電荷模式測量電路，見圖1。

圖1 電荷模式測量電路Fig.1 Measuring circuit of charge mode

PVDF應力計等效為一個電壓源與一個電容Cg的串聯。Rm為匹配電阻（50?），與特性阻抗為50?的電纜相匹配，以免在長電纜傳輸時引起波形振蕩。

設示波器輸入電阻RB=1M?，RB＞＞Rm，C＞＞Cg：

1.2 PVDF應力計制作和標定

采用錦州電子材料廠生產的PVDF壓電薄膜（厚50μm，雙面鍍鋁），自制了PVDF應力計。應力計采用純銀引線，引線與PVDF薄膜之間通過聚酰亞胺膠帶進行雙面粘結，聚酰亞胺薄膜也起著保護PVDF敏感部分不受沖擊損壞的作用。制成的應力計厚 0.15 mm左右。

該PVDF應力計制作工藝簡單，制作成本很低，適合于實驗使用。為了實驗數值的準確可信，采用霍普金森壓桿，對該PVDF應力計的動態壓電系數K展開標定，標定結果見圖 2。由標定曲線可知，自制PVDF應力計動態壓電系數K為9.92pC/N。

圖2 應力計動態標定曲線Fig.2 Dynamic calibration curve of PVDF stress gage

2 激光驅動飛片沖擊應力測試

2.1 實驗裝置

實驗所用激光器為INNOLAS公司生產，激光器輸出激光脈寬8ns，波長1 064nm，激光輸出能量穩定。加速膛內徑Φ1.0mm，長度0.5mm，材料為不銹鋼。復合飛片的隔熱層氧化鋁采用蒸鍍方式制備，其它各層均采用高真空磁控濺射方式制備完成。并聯電容C為0.1pF。

圖3 PVDF測壓實驗裝置Fig.3 PVDF experimental device

2.2 實測沖擊應力波形分析

實驗中，選用了 0.3μm/0.7μm/2.5μm、0.3μm/0.7μm /4.5μm的復合飛片和5.5μm厚的單層鋁飛片。復合飛片為“三明治”結構，隔熱層采用氧化鋁，應用離子束蒸發方式制備而成，前兩層保持參數一致，最后一層厚度有所不同。為了實驗結果的可比性，單層飛片和復合飛片總厚度保持一致。

圖 4～9為兩種參數的復合飛片在不同激光能量密度下的沖擊應力波形，可明顯看出，復合飛片沖擊應力波形均存在3個明顯的峰值，其中前兩個峰有很大的相似性，它們的峰值高低均只與激光能量密度的高低有關。飛片在激光輻照下，會發生燒蝕、汽化現象，進而產生高溫高壓等離子體，等離子體向外迅速膨脹壓縮周圍空氣，從而形成激光誘導沖擊波，沖擊波掃過的氣體區域會受到沖擊壓縮。激光誘導沖擊波在空氣中會隨著距離產生一定的衰減，并且該沖擊波應力高低僅與激光能量密度有關[7]。據此可推斷復合飛片應力波形中，前兩個峰為激光誘導沖擊波產生。

圖4 0.3μm /0.7μm/2.5μm飛片在10.33J/cm2時輸出應力波形Fig.4 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 10.33J/cm2

圖5 0.3μm /0.7μm/4.5μm飛片在10.33J/cm2時輸出應力波形Fig.5 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 10.33J/cm2

圖6 0.3μm /0.7μm/2.5μm飛片在21.31J/cm2時輸出應力波形Fig.6 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 21.31J/cm2

圖7 0.3μm/0.7μm /4.5μm飛片在21.31J/cm2時輸出應力波形Fig.7 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 21.31J/cm2

圖8 0.3μm/0.7μm /2.5μm飛片在42.25J/cm2時輸出應力波形Fig.8 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 42.25J/cm2

圖9 0.3μm/0.7μm /4.5μm飛片在42.25J/cm2時輸出應力波形Fig.9 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 42.25J/cm2

圖10、圖11為單層鋁飛片沖擊應力波形圖。

圖10 5.5μm單層飛片在10.33J/cm2時輸出應力波形Fig.10 The stress curve of 5.5μm single flyer at 10.33J/cm2

圖11 5.5μm單層飛片在21.31J/cm2時輸出應力波形Fig.11 The stress curve of 5.5μm single flyer at 21.31J/cm2

圖10～11可見，相較于復合飛片，單層飛片明顯少了1個高峰。而第1個高峰的峰值、出峰時間與復合飛片中第2個高峰的相關數值一致。由于單層飛片中沒有氧化鋁隔熱層的存在，因此沒有等離子體膨脹壓縮產生的激光誘導沖擊波在氧化鋁中的傳播。單層飛片沖擊應力波形中的第2個峰為激光驅動飛片撞擊PVDF應力計產生的沖擊應力。

從飛片沖擊應力持續時間上分析，在相同能量下，飛片層為4.5μm的復合飛片撞擊應力持續時間是飛片層為2.5μm的約1.5倍，而飛片層厚度前者約為后者的1.571倍，說明飛片撞擊應力持續時間與飛片厚度是成正比的?？傮w來說，飛片沖擊應力持續時間在復合飛片中會隨著激光能量的增加而略有增加（圖4～9），在單層飛片中則逐步降低（圖10～11），這是由于單層飛片沒有隔熱層作保護，激光能量越大，燒蝕越多，飛片越薄，沖擊應力持續時間便會相應地縮短。圖12為復合飛片與單層飛片的沖擊應力對比。

圖12 復合飛片與單層飛片最大沖擊應力對比Fig.12 Comparison of maximal stress between multi-flyer and single-flyer

從圖12中可看出，在復合飛片中，由于隔熱層的存在，保證了飛片的完整程度，并一定程度上提升了飛片的速度，使得復合飛片沖擊應力比單層飛片有大幅度的提升。在復合飛片中，飛片層厚度越厚，飛片沖擊應力越高，應力持續時間越長。因此，在激光驅動飛片起爆系統的設計中，飛片部分應選用較厚的復合飛片，這樣可有效提升飛片的沖擊應力，并能保證該應力的持續時間，這對于激光驅動飛片成功起爆炸藥是非常有利的。

2.3 測試中的注意事項

（1）測試中采用了長約10m的50?低噪聲電纜，相對于本實驗測試信號的上升前沿屬于長電纜，因而測量電路必須考慮匹配。

（2）電荷模式相較于電流模式，具有測量結果直觀、不用數字積分、測試低電荷量精準、可對較小信號進行測量的優點。對于飛片沖擊應力的測試，測試電路應選用電荷模式。

（3）壓電薄膜在剪裁中，應避免薄膜邊緣產生不平或毛刺，并采用同種材質的金屬作為引線，以免實驗時產生較強的干擾信號，影響實驗結果的準確。

3 結論

自制 PVDF應力計在激光驅動飛片沖擊應力的測量上是可行的，在應力波形的測量上，PVDF應力計響應快、分辨率高。分析飛片沖擊應力波形，可知飛片沖擊產生的應力是在激光誘導沖擊波之后產生。復合飛片的沖擊應力比單層飛片高，并能保證一定的脈沖持續時間。飛片越厚，沖擊應力越大，持續時間越長。在激光驅動飛片起爆系統的設計中，飛片部分應采用較厚的復合飛片，這對于系統的工程化、小型化是有利的。

[1]李焰,王凱民,譚紅梅. PVDF應力計在起爆試驗研究中的應用[J].火工品,2003(3): 6-10.

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[5]Bowden M D, Drake R C. The initiation of high surface area PETN using fiber-coupled laser-driven flyer plates[C]//Proceedings of SPIE.San Diego: CA, 2007.

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[7]陳朗,魯建英,伍俊英.激光支持爆轟波[M].北京：國防工業出版社, 2011.