Page 53 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

158 付帅，沈瑞琪，朱朋，叶迎华，马宏玲

生。值得注意的是，在 t 时刻加载在换能元上的电压
3
峰值达到了 54 V，远高于电容的充电电压 30 V。上述
现象可以使用 R‑L‑C 电路放电机理来解释：t 时刻后，
2
由于桥区汽化，换能元电阻迅速升高，因此回路中的电
［20］
流开始迅速减小。根据楞次定律（Lenz′s Law） ，此
时寄生电感为了抵抗回路中电流的变化，开始对外释
放能量。在 t 时刻 dI/dt 达到极值，此时加载在换能元
3
两端的电压主要来源于寄生电感的输出电压。根据理
论放电公式 ［20］ 计算得到回路的寄生电感约为 3.0 μH。
t 时刻寄生电感的输出电压 U=LdI/dt 约为 60 V，接近
3
换能元两端的峰值电压。计算过程中没有考虑寄生电 图 5 NiCr 薄膜换能元在激励条件 30 V/47 μF 下的典型电爆
阻的分压和数据的测量误差，是导致计算值高于实际 曲线
Fig.5 Typical electrical explosion curves of the NiCr film ini‑
值的主要原因。
tiator under the excitation condition of 30 V/47 μF
Ⅲ阶段，从 t 到最后放电完成，此时回路中仍然有
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小电流继续流过等离子体，对其进行加热，因此也称此 表 1 Al/Ni 含能薄膜换能元和 NiCr 薄膜换能元的临界发火电
阶段为等离子体加热阶段。从图 4b 中的输入功率、能 压对比
Table 1 Comparison of the critical firing voltage for the
量曲线可以看出，此阶段输入换能元的能量非常少，
Al/Ni RFMs and NiCr film initiators
90% 以上的能量输入是在前两个阶段完成的。
3.3 Al/Ni 含能薄膜换能元的能量释放 voltage / V firing number
Al/Ni initiator NiCr initiator
为了对比 Al/Ni 含能薄膜换能元与普通金属薄膜 35 5 5
换能元在能量释放规律上的区别，制备了与 Al/Ni 含 30 5 5
能薄膜换能元桥型相同的 NiCr 薄膜换能元（薄膜厚度 25 5 5
为 500 nm，平均电阻为 7.9 Ω，标准偏差为 1.085 Ω）。 20 5 2
图 5 是 NiCr 薄膜换能元在电容 47 μF、充电电压 30 V 15 5 0
10 0 0
的激励条件下的典型电爆曲线，表 1 是 Al/Ni 含能薄膜
换能元和 NiCr 薄膜换能元在 47 μF 电容激励下的临
见，Al/Ni 含能薄膜换能元电爆后溅射出大量的火花，
界发火电压对比。
“火焰”高度可以达到约 3 mm，明显高于 NiCr 薄膜换
Al/Ni 含能薄膜换能元的能量释放规律较 NiCr 薄
能元。此外，通过对比图 4b 和图 5 中的换能元电爆产
膜换能元主要有以下三个方面的差异：第一，Al/Ni 含
生的等离子体光信号可知，虽然 Al/Ni 含能薄膜换能
能薄膜换能元的电阻小于 NiCr 薄膜换能元，并且二者
的汽化电离率不同，因此在相同的激励条件下，Al/Ni 元的等离子体持续时间小于 NiCr 薄膜换能元，但是等
含能薄膜换能元的电爆峰值电流显著高于 NiCr 薄膜 离子体强度要高于 NiCr 薄膜换能元。说明 Al/Ni 含能
换能元，如图 4b 和图 5 所示。第二，Al/Ni 含能薄膜换 薄膜换能元能在较短的时间内输出更高的能量，即输
能元的临界发火电压小于 NiCr 薄膜换能元。如表 1 出功率更高。综上所述，Al/Ni 含能薄膜释放的化学能

所示，两种样品在 10～35 V 范围内、间隔 5 V 的条件 可以显著提高换能元的输出能量，其电爆后溅射出的
下各测试 5 发，得到不同激励电压下的换能元发火数 大量火花有利于间隙点火。
目。结果表明，Al/Ni 含能薄膜换能元在 47μF 电容放 换能元的点火能力与其电爆的输出能量有关。对
电激励下的临界发火电压为 15 V，小于 NiCr 薄膜换能 于普通金属薄膜换能元，不考虑薄膜的热损失，则输出
元的临界发火电压。第三，Al/Ni 含能薄膜换能元与相 能量等于电容输入到换能元的能量，但是对于 Al/Ni
同桥型的 NiCr 薄膜换能元相比，在电爆后产生的火花 含能薄膜换能元，其输出能量等于电容输入能量和含
飞溅距离更长，有利于提高换能元的间隙点火能力。
能薄膜反应释放的化学能量之和，可以表示为：
图 6 是两种换能元在电容 47 μF、充电电压 30 V 的激 t
E = U ( ) t ⋅ I ( ) t d t + S (d ρ + d ρ ) ηQ （2）
励条件下的典型电爆过程高速摄影图像。由图 6 可 output ∫ t 0 Al Al Ni Ni

Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.2, 2019（155-161） 含能材料 www.energetic-materials.org.cn