王 窈，王　猛，付秋菠，郭　菲，呂軍軍

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沖擊片雷管中圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片能力的試驗(yàn)研究

王 窈，王猛，付秋菠，郭菲，呂軍軍

（中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽(yáng)，621900）

利用磁控濺射和光刻工藝制備了圓形爆炸箔，采用光子多普勒測(cè)速系統(tǒng)（PDV）對(duì)方形爆炸箔和圓環(huán)形爆炸箔進(jìn)行飛片速度測(cè)試，并開展了圓環(huán)形爆炸箔特征尺寸對(duì)飛片動(dòng)能和速度的影響規(guī)律研究。研究表明：相比方形爆炸箔，圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片獲得的飛片速度高；影響飛片動(dòng)能的主要因素為圓環(huán)形爆炸箔面積和圓環(huán)寬度，飛片動(dòng)能隨著圓環(huán)寬度的減小相應(yīng)增加，當(dāng)圓環(huán)寬度為0.14mm時(shí)，飛片動(dòng)能達(dá)到最大。

圓形爆炸箔；飛片速度；飛片動(dòng)能；特征尺寸

沖擊片雷管具有安全性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、作用時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，能抗靜電、雜散、射頻，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1］。沖擊片雷管利用大電流刺激爆炸箔產(chǎn)生等離子體，等離子體迅速膨脹，驅(qū)動(dòng)飛片高速運(yùn)動(dòng)，飛片通過加速膛剪切，高速撞擊炸藥柱，使其發(fā)生爆炸。整個(gè)作用過程中，爆炸箔是能量轉(zhuǎn)換的元件，將電能轉(zhuǎn)換為飛片動(dòng)能，因此爆炸箔的能量轉(zhuǎn)換能力是炸藥能否起爆的關(guān)鍵影響因素之一。其中爆炸箔的形狀影響能量沉積、能量利用率和飛片速度，是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的研究方向［2］。

美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室［3］最初設(shè)計(jì)的爆炸箔形狀是橋長(zhǎng)為橋?qū)?/2的長(zhǎng)方形，研究表明能量利用率不高，進(jìn)而對(duì)爆炸箔尺寸進(jìn)行調(diào)整，將其形狀確定為正方形形狀。國(guó)內(nèi)至今沿用這一結(jié)果，大多數(shù)爆炸箔采用正方形結(jié)構(gòu)，并且通過改變爆炸箔的尺寸、加速膛的孔徑和厚度進(jìn)行匹配優(yōu)化工作［4-6］。國(guó)外進(jìn)行了其它形狀爆炸箔的研究工作，美國(guó) Tanner實(shí)驗(yàn)室［7］設(shè)計(jì)了方波形的爆炸箔，發(fā)火電壓僅為1 250V，提高了系統(tǒng)的能量利用率，但是沒有提及具體的設(shè)計(jì)參數(shù)和作用機(jī)理。2001年，美國(guó)設(shè)計(jì)了環(huán)形橋區(qū)的爆炸箔［8］，研究表明，相比其他形狀爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片，環(huán)形橋區(qū)爆炸箔驅(qū)動(dòng)的飛片有更高的平整度，撞擊炸藥時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的壓力，因此可以提高沖擊片雷管的發(fā)火可靠性并降低其發(fā)火能量，但是并沒有對(duì)圓環(huán)形爆炸箔的特征尺寸進(jìn)行系統(tǒng)的研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于異形爆炸箔的研究工作開展較晚，錢勇［9］對(duì)3種不同橋翼形狀的爆炸箔進(jìn)行了比較分析，試驗(yàn)表明橋翼形狀為圓形獲得的爆發(fā)電流密度最大，對(duì)應(yīng)的飛片速度最高，但只改變了橋翼形狀，橋區(qū)形狀仍沿用正方形結(jié)構(gòu)。

對(duì)于起爆臨界直徑較大、較鈍感的炸藥，相匹配的正方形爆炸箔的尺寸設(shè)計(jì)需較大（寬度～10mm），需要上萬(wàn)安培的脈沖電流方可起爆，起爆能量高［10-11］、起爆系統(tǒng)體積較大，不利于武器的小型化發(fā)展。但圓環(huán)形爆炸箔可以通過特征尺寸（圓環(huán)直徑、爆炸箔面積與圓環(huán)寬度）的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)相匹配的大直徑飛片，同時(shí)，需要的起爆能量可低于傳統(tǒng)爆炸箔。

本文以橋區(qū)形狀為圓環(huán)形的爆炸箔為研究對(duì)象，開展圓環(huán)形爆炸箔特征尺寸對(duì)飛片速度和飛片動(dòng)能的影響規(guī)律研究，獲得影響圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片能力的關(guān)鍵因素。

1　樣品制備及爆炸箔驅(qū)動(dòng)能力測(cè)試

沖擊片雷管主要包含爆炸箔、加速膛、飛片和始發(fā)藥4部分。設(shè)計(jì)思路為：加速膛直徑應(yīng)與爆炸箔寬度相當(dāng)，飛片厚度為橋箔厚度的5～10倍，而加速膛的直徑直接決定飛片的直徑，所以對(duì)于固定尺寸的正方形橋箔只能驅(qū)動(dòng)一種直徑的飛片。對(duì)于圓環(huán)形橋箔，在爆炸箔面積相等的情況下，通過改變圓環(huán)型橋箔內(nèi)外圓環(huán)的直徑，匹配不同直徑的加速膛，利用先進(jìn)的測(cè)速手段，可以獲得不同特征尺寸的圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片的速度和動(dòng)能。

以陶瓷電極塞（99Al2O3）為基底，利用磁控濺射技術(shù)在基底上沉積Cu箔。沉積前基底分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗5min后，放入烘箱中，烘干待用。Cu箔的工作氣壓為 0.6Pa、氬氣流量為30sccm、濺射功率為150W，沉積速率為30nm/min。利用正膠刻蝕工藝獲得Cu圓形爆炸箔，見圖1，其中Cu箔的厚度為4μm，飛片材料為聚酰亞胺，厚度為 50μm。制備不同特征尺寸的圓環(huán)形爆炸箔，并匹配相應(yīng)尺寸的加速膛和飛片，具體參數(shù)見表1。

圖1　圓環(huán)形爆炸箔實(shí)物圖Fig.1　The picture of annular exploding foil

表1　爆炸箔組件參數(shù)匹配Tab.1　Paramter of assembly exploding foil

利用電容儲(chǔ)能焊接工藝對(duì)爆炸箔、飛片、加速膛進(jìn)行焊封，獲得爆炸箔組件。利用光子多普勒測(cè)量系統(tǒng)（PDV），對(duì)裝配完成的爆炸箔組件進(jìn)行飛片速度測(cè)試［12］，PDV測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　PDV測(cè)速系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2　The picture of PDV system for velocity testing

2　結(jié)果與討論

2.1測(cè)試結(jié)果

利用電容放電對(duì)爆炸箔組件進(jìn)行起爆，并用PDV對(duì)飛片速度展開測(cè)試。起爆條件為：充電電壓為2.5kA，電容為0.22μF，峰值電流為3.2kA。在此起爆條件下，進(jìn)行短路電流的測(cè)試。按照R-L-C電路放電理論公式［13］，可計(jì)算出整個(gè)起爆回路的電感為 281 nH，電阻為332m?。

根據(jù)表1中的匹配參數(shù)，裝配了圓環(huán)形爆炸箔組件，并進(jìn)行飛片速度測(cè)試，為了與傳統(tǒng)的方形爆炸箔進(jìn)行比較，同時(shí)裝配了方形爆炸箔（表2中7#），飛片速度測(cè)試結(jié)果見表2。通過改變圓環(huán)形爆炸箔中的橋箔尺寸和加速膛尺寸，即可實(shí)現(xiàn)圓環(huán)形爆炸箔對(duì)不同直徑飛片的驅(qū)動(dòng)。由于在利用PDV對(duì)飛片速度的測(cè)試中，通過載玻片收集到了完整的飛片，因此，飛片的動(dòng)能可以根據(jù)動(dòng)能計(jì)算公式獲得。

表2　飛片速度與動(dòng)能測(cè)試結(jié)果Tab.2　Velocity and kinetic energy of flyer

表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，影響飛片動(dòng)能的主要因素為圓環(huán)的寬度和爆炸箔的面積，當(dāng)圓環(huán)寬度為0.14mm時(shí)，飛片動(dòng)能達(dá)到最大0.43mJ；而當(dāng)圓環(huán)寬度增大到 0.30mm時(shí)，飛片動(dòng)能會(huì)相應(yīng)減小，為0.184mJ。圓環(huán)形爆炸箔中，圓環(huán)寬度越小，飛片的動(dòng)能越大，分析認(rèn)為，這是由于在輸入爆炸箔電壓一定的條件下，圓環(huán)寬度越小，流過圓環(huán)的電流密度就越大，橋箔爆發(fā)得就越完全，產(chǎn)生的等離子體就越多，最終導(dǎo)致橋箔輸出能力增加，驅(qū)動(dòng)飛片達(dá)到的速度越大，飛片動(dòng)能越高。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)影響飛片速度的主要因素為圓環(huán)形爆炸箔的面積、圓環(huán)寬度和飛片直徑，爆炸箔面積和圓環(huán)寬度影響等離子體驅(qū)動(dòng)飛片的壓力，飛片直徑影響飛片的重量，從而影響飛片的速度。在3.2kA的脈沖電流下，當(dāng)圓環(huán)形爆炸箔的尺寸為0.4mm/0.8mm，飛片尺寸為Φ0.8mm時(shí)，圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片達(dá)到的速度最大，可達(dá)4 163m/s。

2.2圓環(huán)寬度對(duì)飛片速度的影響研究

將表2中序號(hào)為3#和4#、5#和6#的兩組圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片的加速歷程進(jìn)行處理，獲得圓環(huán)形爆炸箔圓環(huán)寬度對(duì)飛片速度的影響規(guī)律，如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn)，在相同的輸入能量和橋箔面積下，飛片速度隨著圓環(huán)寬度的減小而相應(yīng)增加。圖3（a）中橋箔面積均為0.6mm×0.6mm，當(dāng)圓環(huán)寬度為0.14mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)飛片的速度可達(dá)到 3 936m/s，當(dāng)圓環(huán)寬度增加至0.20mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)飛片的速度為2 906m/s，與0.14mm圓環(huán)寬度的爆炸箔相比，其速度減小將近1km/s左右。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，此結(jié)論同樣適用于 0.8mm×0.8mm橋箔面積的圓環(huán)形爆炸箔。如圖3（b）所示，當(dāng)圓環(huán)寬度從0.30mm減小到0.21mm，驅(qū)動(dòng)飛片的速度提高了800m/s左右。綜上所述，在圓環(huán)形爆炸箔中，圓環(huán)寬度越小，驅(qū)動(dòng)飛片的速度越高。分析認(rèn)為，在同樣的起爆輸入條件下，圓環(huán)寬度減小會(huì)使Cu箔在圓環(huán)上的電流密度提高，導(dǎo)致橋箔爆發(fā)更加完全，等離子體輸出能力得到增強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)飛片的壓力得到了提高，最終驅(qū)動(dòng)飛片的速度得到了提高。

圖3　不同圓環(huán)寬度爆炸箔獲得的飛片速度歷程曲線Fig.3　Velocity curve of flyer driven by annular exploding foil with different annular width

2.3爆炸箔面積對(duì)飛片速度的影響研究

在圓環(huán)形爆炸箔中，除圓環(huán)寬度外，圓環(huán)形爆炸箔中爆炸箔的面積也影響驅(qū)動(dòng)飛片的速度。假設(shè)輸入的脈沖電流足夠?qū)A環(huán)形爆炸箔全部等離子體化，爆炸箔的面積越大，高溫高壓等離子體驅(qū)動(dòng)能力就會(huì)增加，驅(qū)動(dòng)飛片的壓力會(huì)得到提高，驅(qū)動(dòng)飛片達(dá)到的速度就越高，更加有利于實(shí)現(xiàn)炸藥的沖擊起爆。分析表2中的3#、6#數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓環(huán)形爆炸箔的圓環(huán)寬度一致時(shí)（均為0.20mm），改變爆炸箔的面積，使其從0.6mm×0.6mm增加到0.8mm×0.8mm，飛片的速度提高近200m/s，如圖4所示。分析認(rèn)為，飛片速度變化不明顯的原因?yàn)椋?.8mm×0.8mm的圓環(huán)爆炸箔驅(qū)動(dòng)的飛片直徑為1.2mm，而0.6mm×0.6mm的圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)的飛片直徑為1.0mm，飛片直徑的增加導(dǎo)致了飛片重量的增加，盡管圓環(huán)形爆炸箔的面積有所增加，驅(qū)動(dòng)能力有所增強(qiáng)，但飛片重量的同時(shí)增加，導(dǎo)致了飛片速度提升不明顯。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雖然驅(qū)動(dòng)飛片的速度提升不明顯，但飛片動(dòng)能增加了1.7倍左右，如表2所示。綜上所述，推動(dòng)大直徑的飛片可以通過改變圓環(huán)形爆炸箔尺寸得到實(shí)現(xiàn)，而爆炸箔可驅(qū)動(dòng)的飛片直徑越大，越有利于實(shí)現(xiàn)起爆臨界尺寸較大的鈍感炸藥。

圖4　不同面積的爆炸箔獲得的飛片速度歷程曲線Fig.4　Velocity curve of flyer driven by different area exploding foil

2.4飛片直徑對(duì)飛片速度的影響研究

通過表2中1#和3#的圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片能力的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析1#、3#爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片的加速歷程，如圖5所示。

圖5　爆炸箔驅(qū)動(dòng)不同直徑的飛片獲得的速度歷程曲線Fig.5　Velocity curve of flyer with different diameter

由圖5可見，當(dāng)圓環(huán)形爆炸箔面積和圓環(huán)寬度一致時(shí)，改變加速膛的直徑，可以獲得同一圓環(huán)形爆炸箔與不同直徑飛片的匹配規(guī)律。當(dāng)飛片直徑減小0.2mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)飛片的速度可提高1km/s左右。分析認(rèn)為，依據(jù)能量守恒定律，在爆炸箔特征尺寸和輸入起爆條件一致時(shí)，等離子體驅(qū)動(dòng)飛片的壓力可保持一致。飛片直徑越小，飛片重量就越小，等離子體驅(qū)動(dòng)壓力一致時(shí)，驅(qū)動(dòng)重量小的飛片達(dá)到的飛片速度會(huì)相應(yīng)增加。

2.5爆炸箔形狀對(duì)飛片速度的影響研究

圓環(huán)形爆炸箔相比于傳統(tǒng)的正方形爆炸箔，更有利于驅(qū)動(dòng)大直徑飛片。表2表明，采用傳統(tǒng)的正方形橋箔，當(dāng)橋箔尺寸為0.6mm×0.6mm×0.004mm時(shí)，在3.2kA的輸入起爆條件下，驅(qū)動(dòng)φ0.8mm×0.05mm的聚酰亞胺飛片，飛片可達(dá)到的速度為3 027m/s。但在同樣的輸入起爆條件下，采用圓環(huán)形爆炸箔，驅(qū)動(dòng)直徑仍為φ0.8mm×0.05mm的聚酰亞胺飛片，飛片可達(dá)到的速度為4 163m/s，與正方形爆炸箔相比，驅(qū)動(dòng)飛片的速度提高了近1km/s。分析認(rèn)為，正方形爆炸箔電爆時(shí)，整個(gè)橋區(qū)全部等離子化，當(dāng)作用在圓形飛片上時(shí)，方形爆區(qū)的4個(gè)角會(huì)有能量耗散的情況出現(xiàn)，等離子體能量并未得到充分利用。正方形爆炸箔若需推動(dòng)大直徑飛片，必須匹配大尺寸的正方形爆炸箔，如推動(dòng)直徑為1mm的飛片，爆炸箔橋區(qū)的尺寸至少達(dá) 1mm×1mm。前期研究發(fā)現(xiàn)，0.6mm×0.6mm ×0.004mm尺寸的Cu橋箔若電爆完全，輸出脈沖電流應(yīng)不低于3.0kA，如將1mm×1mm×0.004mm的橋箔等離子化，則所需爆發(fā)電流將遠(yuǎn)高于3.0kA。而采用圓環(huán)形爆炸箔，則可以根據(jù)擬驅(qū)動(dòng)的飛片直徑，對(duì)圓環(huán)形爆炸箔的外環(huán)直徑展開匹配性設(shè)計(jì)，并根據(jù)輸入起爆的條件對(duì)圓環(huán)的寬度和爆炸箔面積展開設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大直徑飛片的驅(qū)動(dòng)。

3　結(jié)論

采用PDV測(cè)速系統(tǒng)，對(duì)正方形爆炸箔和圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片的速度展開測(cè)試，結(jié)果表明：（1）圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片達(dá)到的飛片速度和動(dòng)能更高。（2）通過改變圓環(huán)形爆炸箔的特征尺寸，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)不同直徑的飛片。相比于傳統(tǒng)的方形爆炸箔，圓環(huán)形爆炸箔更有利于驅(qū)動(dòng)大直徑飛片，利用圓環(huán)形爆炸箔有望降低現(xiàn)有沖擊片雷管的起爆能量，提高起爆可靠性，并實(shí)現(xiàn)更鈍感炸藥的起爆。（3）獲得了圓環(huán)形爆炸箔的特征尺寸對(duì)飛片速度和動(dòng)能的影響規(guī)律：飛片動(dòng)能的主要影響因素為圓環(huán)寬度和爆炸箔面積，飛片動(dòng)能隨著圓環(huán)寬度的減小而提高，當(dāng)圓環(huán)寬度為0.14mm時(shí)，飛片動(dòng)能最高可達(dá)0.43mJ；影響飛片速度的因素為飛片的直徑、爆炸箔面積和圓環(huán)寬度，爆炸箔面積大、圓環(huán)寬度小，驅(qū)動(dòng)飛片的速度可得到提高。（4）在輸入脈沖電流為3.2kA的條件下，0.40mm /0.80mm的圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)Φ0.8mm飛片可達(dá)到的速度最高，為4 163m/s。

通過對(duì)圓環(huán)形爆炸箔的初步設(shè)計(jì)與試驗(yàn)測(cè)試，獲得了影響圓環(huán)形爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片能力的關(guān)鍵尺寸，后續(xù)將通過數(shù)值模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證、新試驗(yàn)手段測(cè)試等方式，對(duì)圓環(huán)形爆炸箔的電爆性能、飛片速度與爆炸箔特征參數(shù)的匹配關(guān)系展開更系統(tǒng)深入的研究，以期獲得爆炸箔特征尺寸與驅(qū)動(dòng)能力的匹配關(guān)系。

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Study on Driving Ability of Annular Exploding Foil in Slapper Detonator

WANG Yao， WANG Meng， FU Qiu-bo， GUO Fei， Lü Jun-jun
（Institute of Chemical Materials， CAEP， Mianyang， 621900）

The annular exploding foil is fabricated by magnetron sputtering and lithography technology. The velocity of flyer for annular exploding foil and traditional square exploding foil was tested by photonic dopplar velocimetry （PDV） system，and the influence of characteristic parameters of annular exploding foil on the velocity and kinetic energy has been implemented. In comparison to traditional square exploding foil， the velocity of flyer driven by annular exploding foil is higher. It is found that the main parameters are exploding foil area and annular width， which affect the kinetic energy of flyer. The kinetic energy of flyer increases with the decrease of the width of annular. The maximum kinetic energy of flyer is achieved with the width annular of 0.14mm.

Annular exploding foil；Velocity of flyer；Kinetic energy of flyer；Characteristic parameters

TJ450.3

A

1003-1480（2015）06-0005-05

2015-05-13

王窈（1986 -），女，助理研究員，主要從事火工品研究。