Page 77 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

80 陈清畴，马弢，李勇

［5］
0.15 J 。爆炸箔起爆器作用时，将脉冲功率源提供的 成的基本 RCL 电路。
初始电能转化为等离子体内能，等离子体做功使其内 桥箔电爆炸的基本特征是桥箔体积迅速膨胀，同
能转化为飞片动能，再由飞片动能转化为炸药的爆轰 时其欧姆电阻增长几个数量级，这种电阻增长是非线
输出。不同能量之间的转化对应于爆炸箔起爆器发火 性的，其电阻变化与输入电流、金属材料和电路参数等
的三个相互紧密联系的过程：金属桥箔电爆炸，电爆炸 因素有关。桥箔电爆炸放电回路属于含动态电阻元件
驱动飞片和飞片冲击起爆炸药。对于爆炸箔起爆器的 的基本 RCL 电路，由基尔霍夫定律可得：
作用机理研究主要针对起爆能量的转化机制、飞片速 U = L d I ( t ) + 1 ∫ t I ( t )d t + I ( t ) ⋅ (R + R ( t ) ) （1）
度及形态的建模与预测、装药的飞片冲击起爆反应等 0 0 d t C 0 0 0
三个方面展开。 式中，U 为充电器的充电电压，V；L 为回路电感，nH；
0
0
本文结合国内外爆炸箔起爆器作用机理的研究进 I（t）为爆发电流，A；C 为电容，μF；R 为 初 始 电 阻 ，Ω；
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0
展，主要梳理了爆炸箔起爆器在金属桥箔电爆炸性能、 R（t）为桥箔电阻，Ω。
电爆炸驱动飞片和飞片冲击起爆炸药等三个方面的研 求解式（1），可以获得放电回路中的爆发电流，进
究热点，指出了在降低爆炸箔起爆器起爆能量方面的 而获得桥箔的爆发电压、沉积能量。由此，金属桥箔在
研究方向和发展趋势。 电爆炸过程中的非线性电阻成为了求解的关键。建立
符合桥箔物理特性的电导率（电阻率）模型，可以正确
2 金属桥箔电爆炸研究 描述其在脉冲电流激励下的非线性电阻特性，成为金
属桥箔电爆炸特性研究的重点。
金属桥箔电爆炸过程包含了金属由固态经过液
［6］
1977 年，Logan 建立了一种与温度呈线性关系
态、气态向等离子态转化的复杂物态变化过程，也是电
的电阻率模型，用于计算金属桥箔电爆炸过程中的爆
能转化为等离子体内能的能量转化过程。准确计算金
发电流和温度分布。其电阻率 r 可表示为：
属桥箔上沉积的能量是研究电爆炸驱动飞片过程的前
r = r [1 + α(T - T )] （2）
0
0
提条件。
式中，α 为温度系数；r 为初始电阻率，Ω·m；T 为温度，
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桥箔电爆炸放电回路包括电容、开关、金属桥箔和
K；T 为初始温度，K。
0
回路四部分组成，放电回路等效简化模型如图 1c 所
金属处于固态或液态时，其体积膨胀很不明显，此
示。由于电容放电过程是高频振荡，回路中会存在一
时金属物理状态的变化可以只用一个热力学变量（温
定 的 分 布 电 感 ，因 此 放 电 回 路 可 简 化 成 由 初 始 电 阻
度或焓）来描述。所以，Logan 的电阻率模型可以准确
R 、桥箔电阻 R（t）、回路电感 L 、电容 C 和开关 S 等组 计算桥箔爆发前的电流变化，而爆发后的计算结果误
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0
0
［7］
差较大。Logan 采用 Fortran 语言编制了相应的二维
［9］
计算程序。Baginsk 和 Majalee 基于 Logan 的电阻
［8］
率模型，采用有限元方法计算了金属桥箔电爆炸过程，
可以获得电功率、温度和体积变化的三维分布。这些
计算最重要的贡献是发现了桥箔加热的不均匀性，金
属桥箔在电爆炸时，桥箔的四角先于其他区域达到熔
a. EFI configuration 化温度、最早爆发。
针对 Logan 的电阻率模型无法准确描述桥箔爆发
后的电阻特性问题，Zentler ［10］ 建立了一种新的电阻率
模型。以爆发点为界，爆发前的电阻率模型与 Logan
建立的模型（公式（2））一致，爆发后采用新的电阻率
模型：
T T
b. foil bridge shape c. discharging circuit r = r (1 + β ) + β ( b ) 3/2 （3）
b
图 1 爆炸箔起爆器、桥箔和等效放电电路示意图 T b T
Fig. 1 Simplified schematic diagram of EFI， foil bridge 式 中 ，β 为 电 离 度 ；r 为 爆 发 温 度（T ）时 的 电 阻 率 ，
b
b
shape，the equivalent discharging circuit Ω·m；T 为温度，K；T 为爆发温度，K。此模型考虑到了
b
Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.1, 2019（79-88） 含能材料 www.energetic-materials.org.cn