Al/Ni爆炸箔電爆特性及驅動飛片能力研究

王 窈，孫秀娟，郭 菲，付秋菠

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Al/Ni爆炸箔電爆特性及驅動飛片能力研究

王 窈，孫秀娟，郭 菲，付秋菠

（中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

MEMs工藝成功制備出Al/Ni復合爆炸箔，在4kV的充電電壓下研究其電爆性能。研究表明，相比于傳統的銅爆炸箔，復合爆炸箔的能量利用高，可達18%，而且爆發提前，所需能量較小，爆發能量集中。飛片速度研究表明，爆炸箔的厚度和充電電壓會影響飛片的最終速度，飛片的速度隨爆炸箔的厚度和電壓升高而增大。當爆炸箔的厚度為3μm、充電電壓為5kV時，飛片的速度可達3 100m/s。

爆炸箔；Al/Ni；電爆性能；飛片速度

1965年，美國LLNL國家實驗室報道了沖擊片雷管，由于其高安全性成為國內外研究熱點[1]。沖擊片雷管是一種只對短脈沖敏感的高能火工品，由背板、爆炸箔、飛片、加速膛和炸藥組成。爆炸箔在脈沖大電流刺激下，發生固態-液態-氣態的轉變，最終形成高溫高壓等離子體。等離子體驅動飛片，飛片在加速膛中加速，速度可達數千米每秒，飛片高速撞擊炸藥，實現炸藥的沖擊爆轟。沖擊片雷管的整個作用過程，是“電能-熱能-等離子體能-飛片動能”的一個轉換過程，爆炸箔起著轉換“電能-熱能-等離子體能”的關鍵作用，是影響沖擊片雷管起爆性能的關鍵元件。

國內外爆炸箔大多以銅為主[2]，但能量轉換率較低，大多數被消耗在電路和內能中，導致沖擊片雷管的起爆能量較高，不利于武器系統小型化和低能化的發展。而將納米含能材料加入爆炸箔中，利用納米含能材料的快速放熱性，來提高等離子體的輸出能力，已成為研究的一個方向。2011年，南京理工大學的周翔[3]制備了Cu/Al/CuO復合爆炸箔，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時間與電爆時間的不匹配而導致。2014年，黃娜[4]以Cu/Al/Ni為爆炸箔進行了電爆特性測試，研究表明Al/Ni復合膜的加入提高了等離子體的羽化尺寸，但未研究復合膜的特性尺寸對電爆性能（電壓/電流曲線、飛片速度）的影響。美國的C.J.Morris[5-7]研究團隊對Cu/Al/Ni進行了相關的研究，Al/Ni由于其導電性，在高脈沖電壓下50ns可發生反應，與電爆時間可匹配，通過模擬表明，Al/Ni的化學反應能的確加入了反應中，提高了飛片的速度。該團隊主要研究其測試方法和表征方法，未研究復合爆炸箔的電爆特性。本論文以Al/Ni為研究對象，開展Al/Ni復合膜對電爆性能的影響和驅動飛片能力研究，獲得其影響規律。

1 電爆特性測試

在陶瓷基底上磁控濺射Al、Ni、Cu膜，利用濕法刻蝕的方法獲得爆炸箔，如圖1所示，橋區邊界清楚，尺寸滿足要求。為了進行焊接，在Al/Ni橋箔的表面沉積200nm的Cu膜。利用高壓探頭和羅果夫斯基線圈對爆炸箔橋區的爆發電壓和爆發電流進行測試，所得電壓、電流信號用示波器進行記錄儲存。充電電壓為4kV，電容容量為0.22μF，放電周期為1.7μs。采用80mm的短路線進行短路電流測試，測試結果如圖2所示。

圖1 復合爆炸箔圖片

根據--放電曲線[8]，獲得回路的電阻86mΩ，電感326nH，其中爆炸箔的形狀為正方形，尺寸為0.6mm×0.6mm。

橋箔電爆炸一般發生在電流曲線的1/4周期，即電流上升段。爆炸箔橋區在脈沖大電流密度下產生焦耳熱，橋區發生固-液-氣的轉變，電阻急速上升，橋區電阻達最大，電壓達到峰值，爆炸產生。理想狀態下，橋箔爆炸時刻應盡可能接近電流峰值，即電壓峰值與電流峰值一致，其能量利用率達最大[9]。圖3顯示了在4kV的充電電壓下，Al/Ni復合箔（3μm和4μm）和Cu箔的電壓、電流曲線圖。4kV的充電電壓對于2μm和1μm厚度的Al/Ni復合箔較高，爆發時刻在幾十納秒發生，而且電流峰值嚴重滯后于電壓峰值。圖3中顯示，當爆炸箔為Al/Ni復合膜時，電壓峰值時間稍提前于電流峰值時刻，且電爆后橋區相鄰部分發生氣化現象，表明儲能過剩，充電電壓高。當爆炸箔為傳統的Cu箔時，爆炸箔爆發稍滯后于電流峰值時間，說明橋箔爆發需要更高的充電電壓，能量利用率低。以上研究表明，沖擊片雷管中使用Al/Ni復合箔為橋箔，所需能量比傳統的Cu箔低。

圖3 充電電壓4kV下爆炸箔的電壓、電流曲線圖

橋箔爆發后的性能參數（峰值電壓、峰值電流、峰值時間、能量利用率）顯示于表1中。橋箔的能量利用率按公式（1）進行計算：

式（1）中，t為爆炸箔爆發時刻，即電壓峰值時刻；為電容容量，0.22μF；0為電容器充電電壓，4kV。

由表1可見，Cu爆炸箔的爆發時刻明顯滯后于Al/Ni復合爆炸箔，說明復合爆炸箔在較短的時間內達到氣化所需的能量大。橋區在大電流密度刺激下，產生很高的焦耳熱，熱量積累達到金屬的汽化能后，電爆產生。焦耳熱熱量的累積與橋箔的電阻和電流有關，雖然Al/Ni復合爆炸箔的電阻是Cu箔的3倍，但是其放電電流相對較低，所以熱量積累應差別不大。導致兩種爆炸箔爆發時刻不一致可能是Al/Ni反應熱所導致，國外研究表明[7]，Al/Ni反應在高壓脈沖下50ns反應便可開始，與電爆的時間匹配。Al/Ni反應放出的熱量使橋箔更快速達到氣化能，電爆提前發生。

能量利用率數據表明，在4kV的充電電壓下兩種爆炸箔的能量利用率較低。爆發時刻與峰值電流時刻不匹配是主要原因，對于復合爆炸箔，4kV的充電電壓相對較高，降低電壓到2.35kV，峰值時間匹配，能量利用率提高到18%（表1）。對于Cu橋箔，4kV的充電電壓較低，需提高能量，試驗中將電壓提高到5kV后，爆發時刻提前，能量利用率提高到5.8%，但低于復合爆炸箔的能量利用率。

能量利用率是峰值能量（電壓電流與時間的積分）與儲能的比值，峰值能量越高，能量利用率相對增加。圖3中的電壓、電流曲線圖可以說明復合爆炸箔與Cu箔峰值能量的差別，傳統的銅爆炸箔的放電電流曲線是振蕩正弦，而復合爆炸箔的放電電流曲線是1/2正弦波，電流、電壓曲線的斜率高，峰值能量大，最大能量出現在500ns左右，能量集中。對于Cu橋箔，最大能量出現在1.2μs附近，能量上升緩慢，大部分消耗在內能中，未被利用。相關研究表明，爆發時刻開始推動飛片，而爆發時刻后的200ns對飛片的速度有貢獻[9]。表1表明，Cu爆炸箔的△為復合爆炸箔的3倍，能量曲線上升緩慢，爆發后的200ns能量提高幅度小，對飛片速度貢獻不大。復合爆炸箔的△僅為300ns左右，能量曲線上升迅速，200ns后的能量接近于最大儲能，對提高飛片速度極有利。

表1 橋箔爆發后的性能參數

Tab.1 Performance parameters of bridge foil after exploding

序號材料電阻/mΩ充電電壓/V峰值電壓/V峰值電壓時間/ns峰值電流/A峰值電流時間/ns峰值能量/mJ最大能量/mJ儲能/mJ能量利用率/%△t/ns 1Al/Ni 4μm1054 0002 4161201 4982611706501 7609.7366 2Al/Ni 3μm1604 0002 0401101 440301606801 7603.4301 3Al/Ni 4μm1102 3501 4562041 203201110340 61018.0337 4Cu 4μm26.54 0001 1572752 489235454701 7602.61 180 △t:最大能量時間與峰值能量時間之差。

2 飛片速度測試

利用光子多普勒速度測試系統（PDV）對Al/Ni復合爆炸箔驅動飛片的速度進行測試，飛片材料為聚酯薄膜，加速膛的尺寸為φ0.8mm×0.4mm，測試結果見表2。

表2 以Al/Ni為爆炸箔獲得的飛片速度

Tab.2 Flyer velocity of Al/Ni exploding foil

序號材料電阻/mΩ充電電壓/kV飛片速度/（m·s-1） 1Al/Ni 2μm26541 400 2Al/Ni 3μm16341 700 3Al/Ni 4μm10042 300 4Al/Ni 2μm2504.51 713 5Al/Ni 3μm1754.52 300 6Al/Ni 3μm16653 100

影響飛片速度的主要因素為爆炸箔的厚度和充電電壓。在相同的充電電壓下（前提是該電壓下都能發生爆發），厚度越厚飛片速度越高。厚度增加，電爆產生的等離子能量增加，飛片的速度隨之提高。在4kV的充電電壓下，Al/Ni厚度為4μm時，速度達到2 300m/s，而厚度減小為2μm后，速度只有1 400m/s，速度相差1km/s。爆炸箔電爆后，如圖4顯示，橋區爆發完全，推動飛片區域呈現黑色，飛片呈現規則的圓，表明飛片被均勻地推出，飛片的平整度和均勻度高。

（a） 爆炸箔 （b） 飛片

相同厚度的Al/Ni爆炸箔在不同的充電電壓下，表現出不同的飛片速度。充電電壓為5kV，爆炸箔厚度為3μm時，獲得的飛片速度為3 100m/s，而降低充電電壓到4kV后，飛片速度為1 700m/s，速度相差1 400m/s。充電電壓低，雖然可以發生電爆，但是電爆不完全，等離子體的溫度和電子密度不高，導致推動飛片的動力低，飛片速度小。但是飛片的速度是否和充電電壓的高低呈現線性關系，充電電壓太高是否會導致爆炸箔產生其它現象，飛片發生燒蝕或者飛片形態發生改變，將是課題組下一步即將開展的工作。

3 結論

通過濕法刻蝕工藝成功獲得Al/Ni復合爆炸箔，開展復合爆炸箔的電爆性能和驅動飛片的能力研究，結論如下：相比于傳統的Cu橋箔，復合爆炸箔的爆發時間提前了100ns；在2.35kV的充電電壓下，復合爆炸箔的峰值電壓與峰值電流時間一致，能量利用率達18%；相比于傳統的Cu橋箔，復合爆炸箔所需的電壓減低，所需的能量減少；爆炸箔的能量曲線表明，Al/Ni復合爆炸箔最大能量的時間與橋箔爆發時間相差較短，可用于推動飛片，而Cu橋箔的時間差值在1μs左右，對飛片的推動貢獻極??；復合橋箔推動飛片表明，爆炸箔的厚度和充電電壓影響飛片的速度，當爆炸箔的厚度為3μm、充電電壓為5kV時，飛片的速度最大，可達3 100m/s。

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Study on Electrical Characteristic and Flyer Driven Ability of Al/Ni Exploding Foil

WANG Yao，SUN Xiu-juan，GUO Fei，FU Qiu-bo

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang, 621900)

The Al/Ni exploding foil was successfully fabricated by traditional MEMs technology. The electrical performance of Al/Ni exploding foil was investigated under 4kV voltage. It is found that the maximum energy transformation efficiency comes to 18%, which is higher than that of Cu exploding foil. The phenomenon of short exploding time, low electrical energy, and concentrating output energy was showed for Al/Ni multilayer foil. Meanwhile, the flyer velocity is increased by improving input voltage and foil thickness, and the flyer velocity comes to 3 100m/s under 5kV voltage and 3μm thickness of Al/Ni.

Exploding foil；Al/Ni；Electrical performance；Flyer velocity

TJ450.3

A

[10]2015-11-16

王窈（1986 -），女，助理研究員，主要從事新型火工品研究。