爆轟驅動飛片撞擊鐵電體爆電換能的放電特性＊

顧 林，張 合

（南京理工大學智能彈藥技術國防重點實驗室，江蘇 南京 210094）

小型電磁脈沖彈、磁爆加載彈藥等常規武器裝備為了提高毀傷效果，要求彈上的磁通量壓縮發生器（MFCG）獲取盡可能大的初始磁通量。初始磁通量可由高壓脈沖電容或者鐵電體爆電電源瞬時放電電流產生的感生磁場獲得［1－2］。高壓脈沖電容能量密度低、體積大，且需要預充電，往往應用于大型電磁脈沖彈或者航彈上。人工極化鐵電體PbZr0.95Ti0.05O3（PZT95／5）在沖擊波加載下發生去極化相變，束縛的面電荷在負載上釋放出來，在數微秒內形成兆瓦級放電功率［3］。因此高能量密度即時瞬發的鐵電體爆電電源成為常規磁爆加載彈藥和微型電磁脈沖彈首選。

W.Mock Jr等［4］、賀元吉等［5－6］、杜金梅等［7］都曾研究過沖擊波加載下鐵電體的物理現象，其中賀元吉等采用平面爆轟直接沖擊加載鐵電體，杜金梅等則選用空氣炮沖擊加載。這2種沖擊加載方式都只適合于實驗室研究鐵電體去極化放電理論，不適合常規彈藥發射和飛行的惡劣環境。同時鐵電體去極化過程只有數微秒，而MFCG起爆時序精度受電雷管發火作用時間誤差散布影響，精度最高為10μs。鐵電體爆電電源直接對MFCG放電的時序控制難度太大，難以實現。

本文中，在研究爆轟驅動飛片撞擊沖擊波數值算法和PZT95／5的去極化放電模型基礎上，設計出一種利用爆轟波驅動鋁質飛片撞擊加載鐵電體的方案，并采用聚丙烯高壓儲能電容儲存鐵電體釋放的電荷，來延長放電時間，便于起爆時序控制。最后通過實驗研究爆轟驅動飛片撞擊PZT95／5的去極化過程，驗證方案的可行性。

1 爆轟驅動飛片撞擊沖擊波數值算法

運動物體發生碰撞，將在碰撞界面產生2個方向相反的沖擊波并沿著兩物體傳播［8］。將飛片與鐵電體的碰撞簡化為一維平面正碰撞的情況，其物理過程圖如圖1所示。

假設飛片Ⅰ與鐵電體Ⅱ分別以速度u10和u20向右運動，u10＞u20，ρ10、ρ20為初始密度參數，ρ1、ρ2為沖擊波后參數，碰撞界面J上產生的沖擊波S1與S2分別以速度vD1、vD2傳播。

圖1 高速碰撞物理過程Fig.1 High velocity impact physical process

在鐵電體中傳播的沖擊波波速

根據介質的沖擊壓縮關系式p＝A ［（ρ／ ρ0）n－1］，可以得到

式中：A、n為實驗確定的介質材料的特性常數。求解時，需先假定一系列的px值，代入式（4）中解得α1、α2，將解得的值帶回到式（1）中解得px值，迭代至此值與假設基本相等，從而解出其他未知量。

根據被驅動物體在爆轟產物作用下的運動規律以及爆轟產物流動的等熵關系，在以平面透鏡起爆的爆轟系統中，被驅動飛片運動速度uf近似用理想一維驅動條件下的簡化模型計算，加以適當的修正因子k（取值0.95～1.05）［9－10］，得出

對撞擊模型進行數值模擬，裝藥藥柱選擇TNT炸藥，爆速為6 850m／s，藥柱直徑30mm，裝藥密度為1.6g／cm3。鋁制飛片的密度為2.7g／cm3，厚度取2mm。計算出2μs時不同裝藥量下的飛片速度與飛行行程X，并代入到沖擊波壓力和初始波速的算式中去。取k＝1，得出結果如表1所示，表中p為撞擊力。

表1 撞擊模型數值模擬結果Table1 Simulation results of the impact model

表1中結果顯示，飛片速度越大，在沖擊波陣面處產生的撞擊力越大，同時在被撞擊物體內的沖擊波初始波速也在增大。僅5mm的有效裝藥長度就可以達到20GPa的撞擊壓強，在被撞擊的鐵電體中產生的初始波速達到4 744m／s。而鐵電體的相變初始應力約0.5GPa，相變完成壓力約1～3GPa。因此飛片撞擊式的沖擊波加載方案不僅完全能夠滿足引起鐵電體相變的初始條件，并且還可以根據工作空間的要求縮減裝藥量，減小飛片行程，完成小型化設計要求。

2 PZT去極化放電模型

PbZrxTi1－xO3是PbZrO3和PbTiO3的連續固溶體（0≤x≤1），呈鈣鈦礦結構。在室溫時，x＜0.53為四方鐵電相FT，點群4mm，0.53＜x＜0.95為晶胞為菱面體的三角鐵電相FR，點群3m，x＞0.95為正交反鐵電相 Ao。PbZr0.95Ti0.05O3（PZT95／5）處于高鋯區的鐵電（F）－反鐵電相（AF）相界［11］。在外施電場作用下，PZT95／5中的偶極子重新取向，形成單一的鐵電相。在沖擊波的作用下，PZT95／5鐵電陶瓷發生了從F到AF的相變。

圖2 鐵電體爆電換能等效電路Fig.2 Equivalent circuit of ferroelectric transducer

為了獲取大電流，PZT95／5采用垂直加載模式，沖擊波加載方向與鐵電體極化方向Pr垂直。賀元吉、杜金梅等［5－7］研究過負載為短路、感性和阻性的鐵電體放電特性。本文中研究中間加高壓儲能電容做放電緩沖，負載為μF級容量電容的放電特性。圖2是其等效電路圖。鐵電體等效為定值的電流源與定值電容并聯的形式。在沖擊波傳播過程中，由于波前界面與波后界面鐵電陶瓷的面積發生變化，等效的電容與電導也將發生變化。

等效電路模型將鐵電體等效為隨時間t變化的電流源I（t）與電容C（t）、電導G（t）并聯。MFCG等效為電感和電阻串聯［2］。鐵電體完全去極化后電荷Q0經過D1儲存在電容CL上，R0為電容等效電阻ESR和線路雜阻之和。電容CL理論電壓值為

爆炸開關K1閉合后，形成脈沖電流形成回路。忽略電容C（t）、電導G（t）以及R0對放電回路的影響，儲能電容CL對MFCG負載放電電流為

3 實驗設計

3.1 實驗裝置設計

實驗裝置包括底端蓋、控制電路板、電雷管、雷管支撐座、高爆藥、鋁質飛片、環氧樹脂、鐵電體支撐座、鐵電體等部分組成。環氧樹脂將鐵電體灌封在鐵電體支撐座里面。

遠程控制電路板點火電雷管，引爆高爆藥后產生爆轟波。爆轟波剪切并驅動鋁質飛片加速運動，使其高速撞擊由環氧樹脂包裹鐵電體。鐵電體在沖擊載荷下發生去極化相變釋放電荷，電荷通過電極導線儲存到聚丙烯高壓儲能電容CL（6kV，50.4μF）上。實驗裝置結構示意圖和外觀圖如圖3所示。

圖3 實驗裝置結構示意圖和外觀圖Fig.3 Structure and appearance of the experimental device

然后通過萬用表和高壓衰減探頭測量電容兩端的儲能電壓。接著閉合爆炸開關K1，形成脈沖電容對負載的放電回路。通過羅格夫斯基線圈（135A／V）和管式分流器（93.8A／V）2種脈沖大電流測試方法記錄放電電流脈沖波形。

3.2 鐵電體制備

PZT95／5鐵電體制備采用分析純的金屬氧化物作原料，外加質量分數為3%的PbO原料，球磨24h；烘干；700～800℃預燒；二次球磨；外加質量分數為5%的PVA水溶液，造粒，在140MPa的壓力下成型；在600℃下排塑；在1 250～1 300℃下燒結出PZT95／5陶瓷。陶瓷減薄后，燒銀和極化。本文的鐵電體薄片由南京理工大學材料科學與工程學院燒制提供，PZT95／5剩余極化強度Pr＝33.2μC／cm2，尺寸為2mm×30mm×10mm。

4 實驗結果與分析

設置裝藥長度分別為3、5、10mm，鐵電體并聯數目n為30、60、90、120，實驗測量儲能電容實際儲能電壓U′0，損耗率為θ，同時記錄放電波形和放電電流峰值。實驗采用螺旋線圈模擬MFCG負載，電參數為0.2Ω、18μH。放電過程電容CL的兩端電壓近似線性規律增長。其中6次成功實現爆電換能的實驗數據如表2所示。

表2 爆轟驅動飛片撞擊鐵電體去極化放電實驗結果Table2 Experimental results of depolarization discharge of PZT95／5impacted by explosive－driven flyer

圖4 實驗6的放電波形Fig.4 Discharge waveform of experiment 6

當裝藥長度大于5mm時，藥柱長度的增加幾乎不改變儲能電壓值，所以實際飛片沖擊壓強應該大于2GPa，基本上能夠使鐵電體完全去極化。鐵電爆電換能的能量損耗率大約為15%，主要損耗原因為電路的雜感雜阻、側向稀疏波導致的去極化不完全、鐵電體自身的等效電容與電阻等。在滿足電流值要求的情況下，儲能電容的存在能明顯拉寬放電脈寬。實驗6的放電電流大于40A的持續時間約20μs，峰值大于50A，如圖4所示。電容儲存的能量隨著并聯鐵電體數目的增大而增大，但是并聯數目的提升增加了陶瓷片連接工藝的難度，損耗率也隨之增加。由于鐵電體爆電換能過程會產生高壓，儲能電容損傷較嚴重，容易擊穿，因此適合單次使用。

5 結 束 語

設計加工了鐵電體爆電換能器沖擊波加載實驗裝置，進行爆轟驅動飛片撞擊下的鐵電體去極化放電實驗，負載為高壓儲能電容。得出如下結論：5mm的裝藥柱長度能夠滿足鐵電體相變的壓強條件；負載為0.2Ω、18μH時，儲能電容能夠將放電脈寬拉伸至20μs；鐵電體PZT95／5去極化放電在儲能電容上的充電電壓近似線性增長，能量隨著陶瓷片數目的增加而增加，放電損耗率大約為15%。本實驗可為常規彈載小型化高功率脈沖電源提供一種可行的技術途徑。

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