周 密，孟慶英，韓克華，錢(qián) 勇，秦國(guó)圣

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安, 710061）

爆炸箔起爆器系統(tǒng)（exploding foil initiators system，EFIs）由爆炸箔起爆器和發(fā)火電路組成，爆炸箔起爆器由于良好的本質(zhì)安全性，已在常規(guī)導(dǎo)彈、水中兵器上得到較多的應(yīng)用，目前朝低能化方向發(fā)展，其發(fā)火電路朝小型化、集成化方向發(fā)展。爆炸箔起爆器發(fā)火電路使用的器件是影響發(fā)火電路性能及其小型化的重要因素。本文主要針對(duì)爆炸箔起爆器發(fā)火電路中的關(guān)鍵器件—高壓開(kāi)關(guān)開(kāi)展相關(guān)研究。

目前，國(guó)內(nèi)EFIs中使用的是火花隙開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)體積較大，不利于與結(jié)構(gòu)緊湊的帶狀傳輸線連接，需采取過(guò)渡結(jié)構(gòu)，而且火花隙開(kāi)關(guān)制作工藝復(fù)雜，電極材料需經(jīng)過(guò)仔細(xì)的脫氣處理，安裝要非常精確，制作成本高；此外，又是陶瓷密封元件，存在沖擊過(guò)載易損傷及過(guò)載后惰性氣體泄漏的問(wèn)題。有鑒于此，本文設(shè)計(jì)并制備了一種十字狀的爆炸平面開(kāi)關(guān)，同時(shí)研究了其電爆炸性能。

1 爆炸平面開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與制備

1.1 爆炸平面開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

由于金屬橋箔在陡脈沖大電流作用下會(huì)發(fā)生電爆炸，產(chǎn)生大量的高溫高壓等離子體，等離子體具有良好的導(dǎo)電性能。利用金屬橋箔的電爆炸導(dǎo)通特性，在爆炸橋箔橋區(qū)的兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)導(dǎo)電端，形成十字狀的高壓平面開(kāi)關(guān)，爆炸平面開(kāi)關(guān)實(shí)物如圖1所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)橋區(qū)發(fā)生電爆炸時(shí)產(chǎn)生的等離子體使兩側(cè)的兩個(gè)導(dǎo)電端迅速導(dǎo)通，從而主放電回路導(dǎo)通，使沖擊片雷管起爆。

1.2 爆炸平面開(kāi)關(guān)的制備

爆炸平面開(kāi)關(guān)的制備可以通過(guò)磁控濺射方法也可以通過(guò)離子刻蝕方法。本文所使用的爆炸平面開(kāi)關(guān)均采用離子刻蝕的方法制備。其制作過(guò)程包括鍍膜、涂膠、顯影、定影、蝕刻幾個(gè)主要步驟。工藝框圖如圖2所示。

圖1 爆炸平面開(kāi)關(guān)實(shí)物圖Fig.1 Sketch map of exploding plane switch

圖2 集成平面開(kāi)關(guān)的爆炸橋箔制作工藝過(guò)程Fig.2 Technological process of manufacture of exploding plane switch

2 爆炸平面開(kāi)關(guān)的參數(shù)優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

爆炸平面開(kāi)關(guān)參數(shù)優(yōu)化的電路原理見(jiàn)圖3。

圖3 電路原理圖Fig.3 Sketch map of test circuit

圖3中開(kāi)關(guān)兩端高壓線長(zhǎng)度100mm，每條高壓線電阻10m?，電流環(huán)I1測(cè)試主放電回路爆炸橋箔的放電電流變化，電流環(huán)I2測(cè)試開(kāi)關(guān)回路開(kāi)關(guān)橋箔的電流變化，主放電回路與開(kāi)關(guān)回路的放電電容C1、C2均為0.22μF。主放電回路的電容C1充電電壓固定為1.2kV。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

爆炸平面開(kāi)關(guān)的橋區(qū)尺寸固定為0.4mm×0.4mm×5μm，橋區(qū)用厚度為35μm飛片貼封，爆炸平面開(kāi)關(guān)的橋區(qū)導(dǎo)通后，放電形成等離子體，等離子體使兩側(cè)的間隙電極導(dǎo)通。不同間隙的間隙電極放電參數(shù)見(jiàn)表1～5。

表1 爆炸平面開(kāi)關(guān)（電極間隙0.1mm）放電參數(shù)Tab.1 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap:0.1mm)

表2 爆炸平面開(kāi)關(guān)（電極間隙0.2mm）放電參數(shù)Tab.2 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.2mm)

表3 爆炸平面開(kāi)關(guān)（電極間隙0.3mm）放電參數(shù)Tab.3 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.3mm)

表4 爆炸平面開(kāi)關(guān)（電極間隙0.4mm）放電參數(shù)Tab.4 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.4mm)

表5 爆炸平面開(kāi)關(guān)（電極間隙0.5mm）放電參數(shù)Tab.5 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.5mm)

從表 1～5可以看出，隨著開(kāi)關(guān)回路的充電電壓的升高，開(kāi)關(guān)回路的峰值電流呈上升趨勢(shì)，開(kāi)關(guān)作用時(shí)間呈下降趨勢(shì)，主放電回路的峰值電流變化不大。

開(kāi)關(guān)回路不同充電電壓與開(kāi)關(guān)回路峰值電流的關(guān)系如圖4所示，從圖4中可以看出，對(duì)于同一間隙的爆炸平面開(kāi)關(guān)，隨著開(kāi)關(guān)回路充電電壓的增加，開(kāi)關(guān)回路峰值電流增加；在相同開(kāi)關(guān)充電電壓條件下，隨著間隙的增加，開(kāi)關(guān)回路的峰值電流下降，間隙電極為 0.1mm爆炸平面開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)回路的峰值電流最大，間隙電極為0.5mm爆炸平面開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)回路的峰值電流最小。

圖4 開(kāi)關(guān)回路不同充電電壓與開(kāi)關(guān)回路峰值電流的關(guān)系Fig.4 Relationship between charge voltage in switching circuit and peak current in switching circuit

圖5為開(kāi)關(guān)回路不同充電電壓與主放電回路峰值電流的關(guān)系，可以看出，對(duì)于同一間隙的爆炸平面開(kāi)關(guān)，隨著開(kāi)關(guān)回路充電電壓的增加，主放電回路峰值電流相近；在相同開(kāi)關(guān)充電電壓條件下，隨著間隙的增加，主放電回路的峰值電流下降，間隙電極為0.1mm爆炸平面開(kāi)關(guān)的主放電回路的峰值電流最大，間隙電極為0.5mm爆炸平面開(kāi)關(guān)的主放電回路的峰值電流最小。

圖5 開(kāi)關(guān)回路不同充電電壓與主放電回路峰值電流的關(guān)系Fig.5 Relationship between charge voltage in switching circuit and peak current in the main discharging circuit

圖 6為開(kāi)關(guān)回路不同充電電壓與開(kāi)關(guān)作用時(shí)間的關(guān)系，可以看出，對(duì)于同一間隙的爆炸平面開(kāi)關(guān)，隨著開(kāi)關(guān)回路充電電壓的增加，開(kāi)關(guān)作用時(shí)間縮短；在相同開(kāi)關(guān)充電電壓條件下，隨著間隙的增加，開(kāi)關(guān)作用時(shí)間增加。由于間隙越小，等離子體相對(duì)集中且濃度較大，故能增加爆炸平面開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通能力和導(dǎo)通速度。

圖6 開(kāi)關(guān)回路不同充電電壓與開(kāi)關(guān)作用時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between charge voltage in switching circuit and switching time

3 結(jié)論

利用金屬橋箔的電爆炸導(dǎo)通特性，在爆炸橋箔橋區(qū)的兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)導(dǎo)電端，形成十字狀的高壓平面開(kāi)關(guān)，不僅減小了高壓開(kāi)關(guān)的體積和簡(jiǎn)化制造工藝，并且大大地降低了生產(chǎn)成本，僅為火花隙開(kāi)關(guān)的幾百分之一。通過(guò)上述爆炸平面開(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究，獲得爆炸箔沖擊片雷管用平面開(kāi)關(guān)的電爆規(guī)律：

（1）對(duì)于具有間隙電極的爆炸平面開(kāi)關(guān)，隨著間隙電極的間隙距離減小，開(kāi)關(guān)的作用時(shí)間縮短；

（2）對(duì)于同一起爆電壓的爆炸平面開(kāi)關(guān)，隨著放電電極間隙的增大，其沖擊片雷管的爆發(fā)電流呈下降趨勢(shì)。

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