低成本爆炸箔起爆器系統技術研究?

劉 鵬 汪 柯 朱 朋② 徐 聰 趙雙飛 簡昊天 沈瑞琪②南京理工大學化工學院(江蘇南京，210094)

②微納含能器件工業和信息化部重點實驗室(江蘇南京，210094)

引言

民用爆破領域(如石油射孔、開山劈路、水利工程和地質探礦等)大多采用普通電雷管作為起爆元件。 雷管中含有比較敏感的起爆藥或點火藥，在儲存、運輸和使用等過程中，容易受到射頻、靜電等雜散電流的影響意外發火，造成人員傷害及財產損失[1]。 爆炸箔起爆器(exploding foil initiator， EFI)，也稱為沖擊片雷管(slapper detonator)，是將電能轉換為飛片動能，進而直接沖擊起爆六硝基茋(HNS)鈍感炸藥的一種高安全、高可靠性火工品[2-3]。 爆炸箔起爆器系統主要包括高壓電容、高壓開關和爆炸箔起爆器3 個核心組件。 其中，高壓電容是已經比較成熟的低成本商用器件；高壓開關主要用的是冷陰極觸發管，價格在幾千元到上萬元不等；爆炸箔起爆器由爆炸橋箔、聚合物飛片、加速膛和HNS 藥柱等分立器件經手工裝配而成，價格在幾千元不等。因此，傳統的爆炸箔起爆器系統價格高昂，只適用于高價值武器。

針對此問題，開展了適用于民用爆破的低成本爆炸箔起爆器系統的技術研究。 低成本爆炸箔起爆器系統包括高壓電容、高壓開關、集成爆炸箔芯片和HNS炸藥等。高壓電容是已經比較成熟的低成本商用器件。 本文中，主要針對高壓開關、集成爆炸箔芯片和HNS 炸藥3 個關鍵組件開展研究。 以高壓開關為切入點，設計、制作基于串聯陶瓷氣體放電管的低成本高壓開關，研究其電氣特性。 在此基礎上，結合前期已完成的低成本集成爆炸箔芯片和微流控重結晶HNS 炸藥技術，開展爆炸箔電爆特性、電爆炸等離子體驅動飛片、飛片沖擊起爆HNS 炸藥驗證等研究。

1 低成本爆炸箔起爆器系統關鍵組件

低成本爆炸箔起爆器系統的結構如圖1 所示。主要由高壓電容、高壓開關、爆炸箔芯片和HNS 炸藥組成。 其作用過程為：高壓開關接到起爆指令后迅速閉合，高壓電容放電，在放電回路中產生脈沖大電流；當脈沖大電流經過爆炸箔芯片時，使金屬橋箔發生電爆炸，產生高溫高壓等離子體；等離子體在加速膛的約束下剪切并驅動飛片達到數千米每秒的速度；高速飛片沖擊起爆HNS 炸藥，使HNS 炸藥發生爆炸并引發下一級裝藥。

1.1 基于串聯陶瓷氣體放電管的高壓開關

高壓開關是爆炸箔起爆器系統的關鍵組件，直接決定著起爆回路的輸出特性，影響起爆器的發火性能。 目前，國內外主要使用的是立體式火花隙三電極結構的氣體開關、真空開關和晶閘管(MCT)半導體開關[4]。 3 種類型的開關均能滿足爆炸箔起爆器的要求，只是價格偏高。 近年來，隨著微加工技術的發展，國內外學者開展了平面高壓開關技術研究，以降低高壓開關成本、提高爆炸箔起爆器系統的集成度，但平面高壓開關及其相關技術還處在研究階段[5-6]。

陶瓷氣體放電管(gas discharge tube，GDT)是基于氣體間隙放電的商用高功率電子器件，具有響應速度快、耐大電流沖擊、性能穩定、重復性好和壽命長等特點。 放電管內部充有氖氣等惰性氣體，有兩個帶間隙的金屬電極，主要用于高功率電子、電工設備的過電壓保護，技術成熟、價格低廉[7]。 本文中，以商用GDT 為對象，研究其電氣性能，驗證將其在低成本爆炸箔起爆器系統中應用的可行性。 考慮到爆炸箔起爆系統一般的放電電壓在1 ～2 kV，使用的GDT 選擇600 V 和1 800 V 擊穿電壓，理論上此開關的放電電壓可調范圍為600 ～1 800 V。 GDT 主要性能參數見表1。

表1 GDT 性能參數Tab.1 Performance parameters of GDT

氣體放電管的工作原理為：當放電管兩極之間施加一定電壓時，便在極間產生不均勻電場，在此電場作用下，管內氣體開始游離，當外加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩極之間的間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態[8]。 將兩個GDT 串聯起來，擊穿電壓較低的一段作為陽極，另一端作為陰極，中間為觸發極，則構成了一個低成本的三電極高壓開關。 開關未導通時，主電極之間加有高壓；當需要開關導通時，則在觸發極上施加觸發電壓，觸發極與陰極之間形成高的擊穿場強，使之擊穿導通，進而使得整個開關導通。

1.2 爆炸箔芯片

爆炸箔芯片(micro chip exploding foil initiator，McEFI)主要包括基片、橋箔、飛片和加速膛。 作為爆炸箔起爆器的換能器件，McEFI 決定了其電能轉換為飛片動能的效率，直接影響著飛片沖擊點火與起爆的性能。

早期爆炸箔起爆器的橋箔、飛片及加速膛等均為分立元件，采用人工安裝對準，所以加工精度低、生產效率低且生產成本高。 隨著微機電系統(micro electromechanical system，MEMS)及低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramics，LTCC)工藝應用于爆炸箔起爆器，實現了爆炸箔的芯片化；這提高了加工精度、生產效率，降低了制造成本，具有顯著的規模效益。

1.2.1 基于MEMS 工藝的McEFI

MEMS 技術是集微機械與微電子于一體的微型機電器件或系統，主要由微傳感器、微執行器、微電路和電源組成。 通常采用與集成電路兼容的工藝制造，具有體積小、質量輕和可批量化生產等特征[9]。

基于MEMS 工藝制作的爆炸箔芯片工藝流程如下：采用陶瓷做爆炸箔基底，利用磁控濺射法制作Cu 橋箔、化學氣相沉積法制作PC(parylene C，聚對二甲苯)/ Cu 復合飛片，最后光刻SU-8 膠或SUEX干膜制作加速膛。 爆炸箔芯片結構見圖2。

1.2.2 基于LTCC 工藝的McEFI

LTCC 技術是集互聯、無源元件和封裝于一體的多層電路印制板技術。 其技術特征和基本原理是將多層陶瓷元件技術與多層電路圖形技術相結合，以玻璃、陶瓷等材料作為電路的介電層，應用Au、Ag、Cu 等高導電率金屬當做內、外層電極材料，以平行印刷方式印制電路，在低于金屬熔點約1 000 ℃的燒結爐中燒結成陶瓷元件或基板。 以LTCC 技術設計、制作的爆炸箔芯片的結構與實物如圖3 所示[10-11]。

2 GDT 高壓開關電氣性能研究

2.1 放電回路設計

如圖4 所示，設計制作了基于GDT 高壓開關的電容放電回路(capacitor discharge unit，CDU)，進行短路放電試驗，研究GDT 高壓開關的電氣性能。 針對爆炸箔起爆器使用電壓一般在1 ～2 kV 之間，選取直流擊穿放電電壓為600 V 和1 800 V 的氣體放電管串聯組成三電極高壓開關。 爆炸箔用高壓電容根據電介質的種類可以分為薄膜電容、陶瓷電容以及紙介電容。 考慮到體積、電容以及放電性能等因素，采用高壓陶瓷電容作為放電電容。

2.2 CDU 固有電感和電阻

GDT高壓開關用于CDU時，需要驗證的關鍵電氣性能參數主要包括開關的延遲時間tD、電流上升時間tR、電流上升率di/dt、峰值電流Ip。電氣性能試驗原理如圖5 所示。 其中，C為高壓儲能電容；L為主回路等效電感，主要包括傳輸線電感和引線分布電感；R為主回路等效電阻，主要包括傳輸線電阻以及GDT 導通電阻。

放電過程符合基爾霍夫回路方程[12]：

式中：C為放電電容；I為回路電流；L為線路等效電感；R0為起爆回路初始電阻；R(t)為電爆炸過程中動態電阻；U0為初始充電電壓。

回路中的初始電阻和等效電感可以根據經驗式(2)和式(3)計算[13]：

式(2)和式(3)中：T1為起爆回路短路放電周期；I1max為最大峰值電流；I2max為第二大峰值電流。

為了對比電容和放電電壓對CDU 放電特性的影響，分別對0.10、0.15、0.22、0.30 μF 和0.40 μF 5 種電容與GDT 三電極開關集成的CDU 回路進行了短路放電測試，利用羅果夫斯基電流環采集回路中的電流信號。 0.30 μF 電容在不同放電電壓下短路，放電曲線如圖6 所示。 可知在同一電容下，隨著放電電壓增加，回路峰值電流也增加，但回路峰值電流上升時間基本重合。

將數據帶入式(2)和式(3)，計算每個電壓下同一個CDU 的電感和電阻，再計算得到不同電容回路的電感和電阻的平均值、標準偏差與標準偏差系數，結果如表2 所示。 從表2 可知，除了電容為0. 10 μF 的回路，其余回路平均電感均為三十幾納亨，平均電阻也在一百毫歐附近。 其中，0.30 μF 和0.40 μF 電容回路的電感標準偏差與標準偏差系數均大大低于其他電容。

2.3 開關電流上升時間

定義回路電流從0 到第一峰值之間的延遲時間為電流上升時間tR，第一峰值電流的10%到90%時間段內對應的電流變化量為電流上升率，放電周期T近似為相鄰電流峰值之間的時間差。 各參數與時間的關系如圖7 所示。

在1.7 kV 工作電壓下，測試對比不同電容條件下開關的電流上升時間、上升率及周期變化情況，得到數據如表3 所示。 從表3 可知，在放電電壓相同的情況下，峰值電流、電流上升時間、電容放電時間均隨著電容增大而增大。

2.4 開關延遲時間

開關延遲時間是關乎開關穩定性的重要指標。圖8 給出了在測試中測量的兩個延遲時間定義：觸發極、陽極電流延遲(the trigger anode-current delay)tAD，是從給出觸發脈沖信號到陽極電流開始的時間；而tAD2，是從觸發極斷開到陽極電流開始的延遲時間。其中，觸發極斷開表示觸發極與相鄰電極之間電擊穿引起的觸發電壓的突然下降。 但有時候觸發電壓不會突然下降，導致tAD2的定義不明確。 因為從系統角度來看，tAD才是測量延時精度的參數[14]。

表2 不同電容下計算所得CDU 的電感與電阻Tab.2 Calculation of inductance and resistance of CDU circuit with different capacitance

表3 不同電容下測試所得CDU 回路的放電特征參數Tab.3 Testing results of discharge characteristic parameters of CDU circuit with different capacitance

選取0.30 μF 電容，測試CDU 在不同放電電壓下的開關觸發延遲時間tAD。 如圖9 所示，放電電壓以0.1 kV 的步長從1.3 kV 升至1.8 kV，每個步長測試6 次，得到tAD的平均值為261.55 ns，標準偏差為22.42 ns。

從圖9 可知，在1.3 ～1.6 kV 之間，開關的觸發延遲時間整體上不隨放電電壓的改變而改變，基本上維持在260 ns 左右；在放電電壓升至1.7 kV 和1.8 kV 時，延遲時間出現了較大的波動。

3 基于GDT 高壓開關的McEFI 電爆炸特性

將基于MEMS 工藝制造的McEFI 連接到CDU中，研究其電爆炸特性[15]。

由表2 可知，0.30 μF 電容與GDT 高壓開關組成的CDU 電感和電阻較小，故選用0.30 μF 電容；同時，選用0.22 μF 電容作為參比。 微型爆炸箔芯片橋箔尺寸為0.4 mm(L) ×0.4 mm(W) ×3.6 μm(H)，材料為Cu。 采用高壓探頭采集爆炸箔兩端電壓，采用羅果夫斯基電流環采集電流，測試1.3、1.5 kV 和1.7 kV 放電電壓下爆炸箔的電爆炸性能參數，如表4 所示。 其中，1.7 kV 放電電壓下回路電流、橋箔兩端電壓、橋箔爆發功率曲線如圖10 所示。

爆炸箔的能量利用率按照式(4)計算：

式中：tb為爆發點時刻[16]，即橋箔峰值電壓時刻；C為電容；U0為發火電壓。

結合圖10 和表4 可知，隨著發火電壓的升高，橋箔電爆炸峰值電流、峰值電壓均得到增大。 電爆炸能量利用率均在20%左右，且隨著發火電壓的升高而減小。 理想狀態下，峰值電流時刻應盡量接近峰值電壓時刻，以保證橋箔電爆炸時功率最大。 從圖10 可知，峰值電流均略微滯后于峰值電壓，間隔時間在50 ns 左右，說明橋箔爆炸時間均處于電流下降階段，導致橋箔的能量利用率偏低。

4 電爆炸等離子體驅動飛片速度特性

飛片的速度和完整性是沖擊起爆的關鍵指標。使用課題組自主研發的光子多普勒測速(photonic Doppler velometer， PDV)系統研究了橋箔電爆炸等離子體驅動飛片特性。

表4 爆炸箔電爆性能參數Tab.4 Electric explosion performance parameters of EFI

爆炸箔橋區尺寸0.4 mm(L) ×0.4 mm(W) ×3.6 μm(H)，飛片由25 μm PC、2 μm Cu 和100 nm Au 組成，加速膛為圓形，?＝0.6 mm，H ＝0.4 mm。使用PDV 速度測試系統測試電容0.22 μF 和0.30 μF 的CDU 在不同發火電壓下飛片的實時速度。 通過描點、積分處理后，可得到如圖11 所示的飛片速度-時間曲線與位移-時間曲線。

由圖11 可知，飛片的加速度和最終速度均隨著發火電壓的升高而增大。 在加速過程的前100 ns內，飛片速度急速增加；在100 ns 之后，飛片加速出現拐點，加速度明顯減??；之后緩慢加速，達到速度最大值。

分析認為，在拐點之前，電爆炸產生的沖擊波和電爆炸產物共同在加速飛片，所以加速度比較大；拐點之后，由于飛片背面稀疏波的影響，沖擊波明顯減弱，主要是電爆炸產物在加速，加速度比較小，飛片速度趨于平緩。

放電電壓、電容對應的飛片速度特征參數如表5 所示。 由表5 可知，電容為0.22 μF、放電電壓為1.3 kV 和1.5 kV 時，飛片達到最大速度的位移均小于加速膛的高度H ＝0.4 mm，說明飛片可以以最大速度撞擊炸藥；而當放電電壓為1.7 kV、以及電容為0.30 μF 時，飛片在出加速膛口時尚未達到最大速度，仍處于加速階段。

表5 飛片速度特征參數Tab.5 Velocity characteristic parameters of flyer

5 微流控重結晶HNS 炸藥

HNS 炸藥是一種直列式許用傳爆藥。 細化后的HNS 對短脈沖沖擊敏感，可用于爆炸箔直列式點火與起爆。 微流控技術具有混合效率和傳質傳熱速率高、反應液消耗低、反應條件可以精確控制等優勢，可以用于制備窄粒徑分布的微納米HNS 炸藥[17]。

筆者前期組建了一種基于振蕩渦流混合芯片的桌面式微流控重結晶HNS 系統，體積小、價格低、易于操作。

微流控裝置的基本組成如圖12 所示。

將HNS 原料溶解于二甲基亞砜溶劑內，置于注射器中，由注射泵驅動，流速設置為1. 8 mL/min。表面活性劑溶解于去離子水中，形成非溶劑溶液，質量分數為0.5%；將非溶劑溶液置于儲液罐中，調節氮氣瓶產生的壓力，控制流速。 壓力驅動非溶劑流向振蕩發生器，并從振蕩發生器流向渦流混合芯片。同時開啟注射泵開關，驅動注射器中溶劑沿連接組件向渦流混合芯片輸送。 溶劑和非溶劑在渦流混合芯片中接觸并快速混合，形成乳白色HNS懸浮液。將HNS懸浮液洗滌、抽濾、干燥，可獲得圖13所示的D50＝265 nm 的HNS 炸藥。

將微流控重結晶的HNS 炸藥壓裝成尺寸為?4 mm×4 mm、裝藥密度為1.60 g/cm3的藥柱，進行無約束的沖擊起爆試驗。 在0.30 μF、1.5 kV 發火條件下，系統可以成功起爆HNS 炸藥，對應的飛片速度為3 476 m/s。

6 結論

本文中，研究了一種適用于民用爆破的低成本爆炸箔起爆器系統。 分別掌握了GDT 三電極高壓開關的電氣性能、爆炸箔芯片的集成設計與批量制造方法、納米HNS 炸藥的微流控重結晶方法。 在此基礎上，研究了爆炸箔起爆器系統的發火性能。 結果表明，該系統可以在0.30 μF、1.5 kV 條件下成功起爆D50＝265 nm 的HNS 炸藥。

GDT 主要用于高功率電子、電工設備的過電壓保護，技術成熟、價格低廉；爆炸箔芯片由于采用MEMS 工藝，可以實現低成本批量制造；桌面式微流控重結晶HNS 系統的體積小、價格低、易于操作，可以實現納米HNS 炸藥的低成本制造。

驗證了低成本爆炸箔起爆器系統技術的可行性，為其在民用爆破領域的應用提供了有力的技術支撐。