冲击片雷管的发展已有40多年的历史, 但是起爆系统较大的体积制约了其在常规武器系统上的应用, 因此, 各国竞相开展了爆炸箔起爆系统(exploding foil initiator system, EFIS)低能化、小型化研究, 以实现低的发火能量和EFIS的高度集成化。提高冲击片雷管的能量利用率是低能化的重要途径, 对EFIS的小型化研究也具有一定指导作用^[1]。爆炸箔作为冲击片雷管的核心部件之一, 在系统中起重要的换能元件的作用, 它的材料、形状、厚度及桥区尺寸对EFIS的能量利用率都有影响。国内在爆炸箔的参数设计方面做了大量的工作^[2-4], 得到了桥区形状、尺寸、厚度等参数在特定起爆装置下的最优匹配值, 但关于爆炸箔材料的选用研究比较少。而箔材料的比热、汽化热、以及密度都会影响爆炸特性, 因此, 对爆炸箔材料的研究很有意义。2004年冯长根^[5]采用Lee提出的FIRESET模型, 对Cu、Au、Al、Au-Pt合金四种爆炸箔电爆炸过程进行数值模拟, 得出了在相同的起爆和爆炸箔几何参数的条件下, Cu、Au桥箔的爆发电流密度较大, 能量利用率高, Al次之, Au-Pt合金最小。近几年来, 由于Al/Ni金属复合含能薄膜能够发生自蔓延反应, 同时又具有优良的导电、导热性能, 形成的金属间化合物具有较高的熔点、较低的密度和抗氧化等特性, 有可能成为一类新型的含能桥膜材料, 受到了国外研究人员的重视。2010年, 美国AMSRD-ARL-SE-RL军方实验室^[6]在Cu箔基础上溅射了不同调制周期、不同厚度的纳米级Al/Ni多层复合膜用于快速起爆反应, 发现其在高压、大电流的作用下100ns内能将电能转化为速度为2~6 km·s^-1飞片动能, 认为Al/Ni的合金化反应对提高动能确有作用。2012年, 南京理工大学的周翔^[7]研究了Al/CuO复合膜应用于冲击片雷管的可行性, 得到了添加复合膜后的Cu爆炸箔, 对其电爆性能和飞片速度进行了测试, 结果其驱动飞片所达到的平均速度较之单纯Cu爆炸箔并无明显提升。鉴于金属Au、纳米级Al/Ni多层复合膜在电爆炸方面的优良性能, 将其用附加到传统的冲击片雷管的Cu爆炸箔上, 望其能提高其能量利用率, 实现爆炸箔的能量倍增。为此本研究结合微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)火工技术制作Cu、Cu/Au、Cu/Al/Ni三种爆炸箔, 并对其电爆性能进行比较, 研究其膜材料不同对冲击片雷管起爆电流的影响, 优选出能量利用率高的爆炸箔。

冲击片雷管的爆炸箔制样采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术和皮秒激光微加工系统共同加工完成。实验选用99Al₂O₃陶瓷基片作为反射片, 其规格为200 mm×100 mm×0.6 mm。镀膜前分别用丙酮和去离子水超声清洗15 min后, 在空气中吹干放入110 ℃烘箱中, 烘烤30 min后放入洁净的基片袋中备用。本实验所使用镀膜沉积设备为英国Teer公司生产的UDP450型闭合场非平衡磁控溅射镀膜机, 它由真空系统、电源系统、控制系统、冷却系统四部分组成。使用Advanced Energy公司的Pinnacle直流电源电离Ar气对尺寸为330 mm×134 mm×12 mm的高纯度99.99%的金属靶材进行溅射, 真空腔内起始真空度为8×10^-3Torr, 镀层沉积前先以-350 V偏压对基片清洗10 min, 而后设定各磁控阴极的靶电流均为1 A, 基片偏压-70 V, 此时工作气压为0.8 Pa。根据前期的试验已得到各个金属的成膜速率(表 1)和设计的爆炸箔的厚度(Cu爆炸箔5 μm, Cu/Au爆炸箔为4 μm Cu-1 μm Au, Cu/Al/Ni爆炸箔为4 μm Cu-0.3 μm Al-0.2 μm Ni)开始沉积。镀膜过程中需保持试样以5 r·min^-1的速度绕中心轴顺时针旋转。

表 1(Tab. 1)

表 1 金属膜的成膜速率 Tab. 1 Rate of the metal film formation membrane material flow rate ofargon gas/sccm sputteringpressure/MPa sputteringpower/W average rate ofdeposition/nm·min-1 Cu 12 7×10-4 400 36 Au 12 8×10-4 220 30 Al 10 8×10-4 350 30 Ni 10 8×10-4 300 45

表 1 金属膜的成膜速率 Tab.1 Rate of the metal film formation

爆炸箔桥形的刻蚀采用德国Super-Dmirco650超快皮秒激光微加工系统进行金属膜的激光刻蚀, Super-Driling 600F激光微切割钻孔系统进行陶瓷基板的打孔切割, 得到的样品如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 显微镜下爆炸箔的样品图 Fig.1 Sample figures of exploding foils under the microscope

利用德国布鲁克公司生产的D8 ADVANCE型X射线衍射仪, 对所制备的不同种类的爆炸箔进行20°~80°扫描检测, 得到衍射谱图。由XRD谱(图 2)可以看出存在Al₂O₃、Cu、Au等特征峰, 检测中没有明显的CuO或Cu_xO等特征峰, 这说明Cu膜在制备时几乎未被氧化。在Cu/Al/Ni爆炸箔中, 由文献[8]可知Al/Ni合金复合膜中, 预混层厚度只有几个纳米, 当复合膜调制周期很小A1膜单层厚度 < 200 nm时, Al峰不易检测到, 所以本研究将Al/Ni复合膜调制周期调整为1 μm, 又根据薄膜金属反应热表^[9]可以发现Al+Ni→AlNi时放热量相对较高, 结合金属Al、Ni的相对原子序数可以得到Al、Ni调制比应为3:2, 则A1膜单层厚度为300 nm, Ni膜单层厚度为200 nm, 这样可观测到明显的Al、Ni特征峰。又因99氧化铝陶瓷基片在制备过程中添加了其他微量元素, 所以在25°附近出现了一峰, 在各种爆炸箔检测中均有出现, 并非杂质峰。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同种类的爆炸箔的XRD图 Fig.2 XRD figures of different exploding foils

实验装置如图 3所示。主要由三部分组成:高压电源、电容器和真空火发隙开关组成的高压脉冲功率源部分; 爆炸箔样品起爆装置部分; 示波器、电压电流信号采集器及高速摄影仪等组成信号采集观测部分。实验中所用的高压电源由天津市微模电源科技有限公司提供的WMHT45B型高压源, 可提供0~4000 V高压, 为电容器(0.22 μF)充电以及为真空开关提供脉冲高压, 电爆性能测试时采用Lecroy高压探头测试爆炸箔两端的电压变化, 罗果夫斯基线圈测量回路的电流变化, 所得电压、电流信号用Lecroy44Xs示波器记录存储, 并用高速摄影仪REDLAKE HG-100K观察爆炸箔电爆现象。

图 3(Fig. 3)

图 3 电爆装置示意图 Fig.3 Schematic diagram of electro explosive device

在爆炸箔电爆实验中, 由于高压脉冲功率源能量输出较大, 各元器件经常被损坏, 耗费较大。为了保护起爆装置, 节约试验成本, 在高压脉冲功率源输出端与爆炸箔样品起爆装置部分之间增加引出了电缆。然而, 由于高压脉冲功率源的输出特性与起爆回路的等效电感、等效电阻有很大关系^[10], 增加引出电缆将会使起爆回路的总电感和总电阻增加, 降低了脉冲功率源的输出能量。为此, 需要对起爆回路的电感、电阻进行测试。

根据美军标MIL-DTL-23659D, 脉冲功率源在短路放电时, 电流应至少包含5个等间隔减幅振荡波形。在测试中, 用一个低阻短接线路代替爆炸箔, 按正常方法操作, 同时监测电流, 得到充电电压在3000 V时, 起爆回路电流曲线图 4。

图 4(Fig. 4)

图 4 充电电压3000 V时起爆回路短路电流曲线 Fig.4 Detonating circuit short-circuit current curve at charging voltage of 3000 V

由串联R-L-C电路放电理论推导出来计算公式^[11]:

式中, T是电流曲线的振荡周期, μs; I₁、I₂是最开始两个正向电流峰值, A; L, 电感, nH; C, 电容, μF。

由图 4可读出I₁=2778.27 A, I₂=1654.44 A, T=1.33 μs分别带入公式(1)、(2), 得到起爆回路的总电感为203 nH, 电阻为158 mΩ。其中, 需要说明的是起爆回路的电阻电感值比较大, 究其原因可能是因为试验中引出了较长的电缆的缘故, 但是完全满足EFI起爆的需要。

定义电压曲线峰值的对应点即爆炸箔爆发时刻为t_b, 则爆炸箔的峰值功率值P_b, 爆炸箔在电爆炸过程中沉积的能量W, 能量利用效率η, 按下面公式计算:

式中, u_b为爆炸箔爆发时刻的电压, V; i_b为爆发时刻电流, A; t₁为电压开始时刻, μs; C为储能电容, μF; U₀为充电电压, V。

对Cu爆炸箔, 常态电阻约为100 mΩ, 分别在不同充电电压3000, 2500, 2000, 1500 V下进行起爆, 得到伏安特性曲线图 5。由图 5可见:爆炸箔的爆发时刻(即电压峰值时刻)都选在电流曲线的前1/4周期附近。究其原因可能为爆炸箔的电阻随着脉冲大电流通过时温度的升高而不断增大, 造成箔两端的电压不断上升。当爆炸箔被加热到汽化阶段时, 其电阻达到最大值, 此时通过爆炸箔的电流继续上升, 已经达到汽化状态的金属气就会发生击穿, 变成电阻率极低的等离子体, 桥端电压便会急剧下降。

图 5(Fig. 5)

图 5 爆炸箔Cu在不同充电电压下伏安特性曲线 Fig.5 Volt-ampere characteristic curves of Cu exploding foils at different charging voltages

由图 5、公式(3)~(5)得到Cu爆炸箔在不同充电电压下的电爆参数, 见表 2。由表 2可知:(1) Cu爆炸箔的爆发电流密度很大、达到了10⁷ A·cm^-2的数量级, 根据导体电爆炸的判据依据^[12]可知导体发生电爆炸, 而且随着充电电压的增大, 爆炸箔的峰值电流、爆发电流增大, 爆炸时间缩短, 但电流的峰值时刻变化不大。(2)充电电压在3000 V下其爆发时刻超前于电流峰值时刻, 约为脉冲电流峰值时刻的1/5~1/4。所以爆炸箔爆炸后, 电容后续放电的能量都被浪费在回路中而得不到利用, 导致能量利用率较低。可降低充电电压, 在2500, 2000 V时电压峰值较接近于电流峰值时刻, 电爆后桥区气化完全, 这说明起爆电压与爆炸箔匹配度较高, 爆炸箔爆炸后电流的迅速下降损失的能量较少, 能量利用率也较高。继续降低电压在1500 V爆炸箔就会在电流峰值稍后处发生电爆炸, 电爆后桥区气化不完全, 部分爆炸箔还有电阻, 不利于飞片形成及加速。可见爆发时刻与电流峰值时刻越接近, 能量利用率越高, 选择在充电电压2000, 2500 V下对三种爆炸箔进行电爆实验, 所得结果会更有意义。测试不同爆炸箔的电爆参数, 结果见表 3。

表 2(Tab. 2)

表 2 爆炸箔Cu在不同充电电压下电爆参数 Tab. 2 Electro explosive parameters of Cu exploding foils at different charging voltages U0/V I/A T/μs Tb/μs Ub/V Ib/A jb/A·cm-2 Pb/MW W/J Energy utilization efficiency 3000 1472 0.472 0.384 2421 1302 8.7×107 3.2 0.13 13% 2500 1280 0.471 0.395 2036 1205 8.0×107 2.5 0.11 18% 2000 1073 0.476 0.423 1645 1017 6.8×107 1.7 0.06 15% 1500 907 0.473 0.397 1201 845 5.7×107 1.0 0.03 12% Note:U0 is charging voltage; I is peak current; T is peak moment; Tb is burst moment; Ub is burst voltage; Ib is burst current; jb is current ampere density; Pb is peak power; W is depositional energy.

表 2 爆炸箔Cu在不同充电电压下电爆参数 Tab.2 Electro explosive parameters of Cu exploding foils at different charging voltages

表 3(Tab. 3)

表 3 充电电压为2000 V和2500 V下三种爆炸箔的电爆参数 Tab. 3 Electro explosive parameters of three kinds of exploding foils at charging voltage of 2000, 2500 V sample U/V I/A T/μs Tb/μs Ub/V Ib/A Pb/MW Cu 2000 1076 0.476 0.423 1645 1017 1.67 2500 1280 0.471 0.395 2036 1205 2.45 Cu/Au 2000 1086 0.457 0.411 1658 1048 1.74 2500 1288 0.439 0.401 2045 1259 2.57 Cu/Al/Ni 2000 1297 0.420 0.388 1698 1167 1.98 2500 1709 0.424 0.386 2093 1632 3.42 Note:U is charging voltage; I is peak current; T is peak moment; Tb is burst moment; Ub is burst voltage; Ib is burst current; Pb is peak power.

表 3 充电电压为2000 V和2500 V下三种爆炸箔的电爆参数 Tab.3 Electro explosive parameters of three kinds of exploding foils at charging voltage of 2000, 2500 V

由表 3可见, 在相同的充电电压下, Cu/Al/Ni爆炸箔的爆发电流、爆发时刻的功率大于Cu/Au、Cu爆炸箔, 充电电压在2500 V下Cu/Al/Ni爆发电流比Cu爆炸箔增长了36%, 2000 V下Cu/Al/Ni爆发电流比Cu爆炸箔增长了15%。分析原因可能为Cu/Al/Ni爆炸箔间纳米级多层Al/Ni复合膜在外界瞬时大电流的刺激下产生了自持放热反应, 该反应的放热性在一定程度上增加其电爆性能, 导致爆炸箔爆发电流的提高, 从而提高了能量利用率。在相同的充电电压下, Cu/Au爆炸箔的爆发电流略大于Cu爆炸箔, 2500 V充电电压下Cu/Au爆发电流比Cu增长了4%, 2000 V下Cu/Au爆发电流比Cu增长了3%。分析原因可能为Cu/Au爆炸箔因表面溅射了一层金属Au, Au属于导电性好、沸腾温度值低且升华能值低的金属导体, 实际应用中若用比电阻和升华能量的乘积作为评价标准, Au比Cu更适合做电爆炸导体。韩成智^[13]利用对爆炸箔起爆的物理过程深入分析的基础上, 建立了模拟电爆炸箔起爆过程的二维模型对Au、Cu材料的爆炸箔进行模拟计算, 得到在相同起爆条件下, Au材料的爆炸箔的爆发电流略大于Cu, 与实验结论吻合。综上结果, 可见Cu/Al/Ni、Cu/Au、Cu爆炸箔的爆发电流在相同的充电电压下Cu/Al/Ni＞Cu/Au＞Cu, 且充电电压在2500 V时比2000 V Cu/Al/Ni爆炸箔的爆发电流相对于Cu爆炸箔增长得更多。所以选择在该电压2500 V下对三种爆炸箔起爆时产生的等离子体进行进一步研究。

采用高速摄影仪REDLAKE HG-100K, 拍摄速率为20000frames·s^-1, 直观观测爆炸箔的电爆过程。表 4为Cu/Al/Ni、Cu/Au、Cu三种爆炸箔在充电电压为2500 V下的电爆过程, 关于电爆过程的起始时刻, 这里认为是在第一张, 其中图中相邻照片时间间隔50 μs。

表 4(Tab. 4)

表 4 2500 V充电电压下三种爆炸箔的电爆现象 Tab. 4 Electro explosive phenomenon of three kinds of exploding foils at charging voltage of 2500 V time/μs Cu Cu/Al/Ni Cu/Au 0 50 100 150 200 250 300 350 400

表 4 2500 V充电电压下三种爆炸箔的电爆现象 Tab.4 Electro explosive phenomenon of three kinds of exploding foils at charging voltage of 2500 V

由表 4可见, 在2500 V充电电压下起爆时三种爆炸箔的桥区周围的空间里都形成了一个边界模糊的等离子体羽, 中间部分呈明亮的白炽色, 在50 μs时等离子体体羽强度最大, 且Cu/Al/Ni产生的等离子体羽大于Cu/Au、Cu。在100 μs时, Cu/Al/Ni爆炸箔相对于其他爆炸箔出现了明显黄色的火花光斑, 伴随着产物粒子的飞溅, 且持续时间比Cu/Au、Cu多出100 μs, (由于图片过多, 未全部列出)。分析原因可能为与单纯的金属薄膜材料相比, Al/Ni纳米级多层复合膜在电能的作用下不仅发生了与单纯金属薄膜材料相同的物理行为而且发生两金属相之间的反应, 转化电能能量的同时释放出材料本身的能量, 使得在2500 V起爆时, Cu/Al/Ni的电爆性能明显优于Cu/Au、Cu爆炸箔。

(1) 采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术和皮秒激光微加工系统, 制备出具有优良电爆性能的Cu爆炸箔(厚度为5 μm), Cu/Au爆炸箔(厚度为4 μm Cu/1 μm Au), Cu/Al/Ni爆炸箔(厚度为4 μm Cu/0.3 μm Al/0.2 μm Ni)三种爆炸箔, 利用XRD检测手段对其化学成分进行了分析, 得到爆炸箔的纯度很高, 发现Cu、Au、Al、Ni等特征峰, 未检测到明显的CuO或Cu_xO等特征峰。

(2) 利用自制起爆回路对爆炸箔的电爆性能进行了研究, 得到爆发电流密度达到了10⁷ A·cm^-2数量级, 充电电压在2000, 2500 V时, 爆发时刻与电流峰值时刻较接近, 能量利用率也较高。并此充电电压下进行了三种爆炸箔的性能对比测试, 得到在相同的充电电压下Cu/Al/Ni、Cu/Au、Cu爆炸箔的爆发电流Cu/Al/Ni＞Cu/Au＞Cu, 在充电电压2500 V时Cu/Al/Ni爆发电流比Cu增长了36%, 2000V下比Cu增长了15%, 可见充电电压在2500 V时比2000 V Cu/Al/Ni爆炸箔的爆发电流相对于Cu爆炸箔增长得更多。所以选择在该电压2500 V下通过高速摄影法对三种爆炸箔的等离子体进行进一步的研究, 得到50 μs时Cu/Al/Ni产生的等离子体羽的尺寸大于Cu/Au、Cu爆炸箔。可见Al/Ni多层复合膜在纳米级范围内具有优良的电爆性能, 添加到传统的冲击片雷管的爆炸箔Cu膜中, 能提高其能量利用率, 从而实现起爆系统的低能化。