橋區(qū)結(jié)構(gòu)對爆炸箔起爆器發(fā)火性能的影響

侯新朋，彭志凌，宋進(jìn)宇，馬 景

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

1 引言

爆炸箔起爆器主要由基底、金屬橋箔、絕緣飛片、加速膛及猛炸藥等組成，起爆器如圖1所示。對于爆炸箔起爆器換能元的研究，國內(nèi)起步比較晚，在基礎(chǔ)理論及設(shè)計技術(shù)方面仍與國外存在一定的差距；國外的主要科研單位有美國微組裝技術(shù)公司和韓國技術(shù)研究院等，在這些研究單位中，美國主要開展火工品的發(fā)火性能測試，探究火工品低能發(fā)火性能的影響因素。在21世紀(jì)初，美國軍方公布了多種關(guān)于起爆器爆炸箔結(jié)構(gòu)的參數(shù)數(shù)據(jù)、起爆所需要的條件以及與猛炸藥的發(fā)火性能相互對應(yīng)關(guān)系。

現(xiàn)如今，MEMS微型化技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，對于爆炸箔也提出了更高的要求，爆炸箔起爆器還存在著集成度較低，響應(yīng)速度慢，起爆過程中能量損耗較多以及爆炸過程中能量利用率不高等問題，通過改變橋區(qū)的結(jié)構(gòu)來降低爆炸回路中的能量損耗，加快響應(yīng)速度，提高能量利用率，使起爆器系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖1 起爆器示意圖

2 爆炸箔起爆器起爆能量研究

為完善爆炸箔起爆器微結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，本研究從起爆器的基底材料和橋箔材料、橋區(qū)結(jié)構(gòu)等角度出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外爆炸箔起爆器作用機(jī)理的研究進(jìn)展進(jìn)行討論。如圖2所示。

圖2 爆炸箔起爆器分析示意圖

2.1 基底材料

基底材料承擔(dān)的作用是作為起爆器最基礎(chǔ)的支撐層，是實現(xiàn)起爆綜合性能優(yōu)良的載體，基底同時可以把控能量傳遞的方向，適合的基底材料能提高能量的轉(zhuǎn)換效率，并且降低發(fā)火能量，提高整體的可靠性。同時基底應(yīng)對橋箔材料所產(chǎn)生的等離子體起到限制作用，將傳遞到基底表面的沖擊能量再反射回去，以增加飛片的動能，加速沖擊片的能量，提高起爆響應(yīng)速度。

基底材料的選用原則是要與火工品的工藝兼容，滿足表面整潔，較高的硬度以及一定的韌性，同時也要考慮價格的因素，合適的熱導(dǎo)率以及電阻率等。最重要的是，必須是絕緣材料。在一般情況下，具有比較低的熱導(dǎo)率和較高的電阻率的基底材料，可以在起爆過程中使熱量更容易聚集起來，能夠有效地減少能量損耗，從而降低發(fā)火能量。目前人們常用的基底材料有硅、7740玻璃、陶瓷、石英等。其主要物理參數(shù)見表1所示。

表1 基底材料物理參數(shù)

由于陶瓷、石英材料的脆性大，非常難以加工，此時一種性能介于普通玻璃和氧化鋁陶瓷之間的材料—7740玻璃出現(xiàn)在人們眼前，故7740玻璃更加適合作為基底材料。

2.2 橋箔材料

現(xiàn)如今，人們經(jīng)常使用的橋箔材料主要包括Au、Pt、Cu、Al等。爆炸箔起爆器爆炸的過程就是當(dāng)電路通入沖擊大電流時，在非常短的時間內(nèi)，讓爆炸箔完成固體-液體-氣體-等離子體一系列物理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，等離子體做功驅(qū)使飛片從加速膛沖出，最后飛片沖擊在高密度炸藥上實現(xiàn)起爆。國內(nèi)外主要圍繞微納結(jié)構(gòu)下材料的一系列電阻物理特性，來開展主要的研究工作。常見的橋箔材料物理參數(shù)如表2所示。

表2 橋箔材料物理參數(shù)

選擇爆炸箔材料的時候，通常選擇電阻率較大，而升華需要熱量較低的材料作為爆炸箔的材料。國內(nèi)外的很多研究機(jī)構(gòu)和科研單位都對爆炸箔材料做過非常細(xì)致的研究，結(jié)果表明銅和鋁在起爆回路中的發(fā)火響應(yīng)時間快，并且回路能量損耗較小，材料比較容易加工易得，所以適合做橋箔材料。

2.3 橋區(qū)結(jié)構(gòu)

以往在對爆炸箔起爆器發(fā)火性能的研究方面，大部分都是針對某一種固定橋形結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究展開，并沒有針對不同的橋形結(jié)構(gòu)爆炸箔進(jìn)行發(fā)火性能對比，以此來探究爆炸箔發(fā)火性能的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。在對橋區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討研究時，本研究中設(shè)計了6種不同橋形結(jié)構(gòu)的爆炸箔，來開展不同橋形結(jié)構(gòu)爆炸箔發(fā)火性能研究測試，根據(jù)測試仿真結(jié)果來獲得爆炸箔較好的橋形結(jié)構(gòu)以及不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)對爆炸箔發(fā)火性能的影響規(guī)律。

橋區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括有方形、倒“V”形、蛇形、蝴蝶形、梯形、六邊形、雙曲形等，由于橋區(qū)的尺寸一般在微米級別，在現(xiàn)實中肉眼根本看不見，故需要把爆炸箔放在電子顯微鏡下觀察具體的結(jié)構(gòu)，把加工好所需結(jié)構(gòu)的爆炸箔放在電子顯微鏡上，讓爆炸箔中心即橋區(qū)的位置聚焦，如圖3所示；展示的橋區(qū)六邊形跟雙曲形結(jié)構(gòu)在顯微鏡下樣貌如圖4和圖5所示。

圖3 爆炸箔放置圖

圖4 雙曲形結(jié)構(gòu)圖

本研究設(shè)計以倒V形跟六邊形這2種典型橋區(qū)結(jié)構(gòu)，來探究不同橋形結(jié)構(gòu)對爆炸箔起爆器發(fā)火性能的影響。設(shè)計的橋形結(jié)構(gòu)以7740玻璃作為基底的材料，選用Cu作為爆炸箔的材料，以方形橋A(邊長0.3 mm)作為基礎(chǔ)橋形，進(jìn)而在基礎(chǔ)橋形進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的變換，對于倒“V”橋形結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)橋A橋區(qū)兩側(cè)保持不變，分別將橋區(qū)中心距離縮短至0.1、0.15、0.2 mm，得到3種不同的倒“V”橋形結(jié)構(gòu)，把它們命名為V-100、V-150和V-200；而六邊形結(jié)構(gòu)正好相反，使橋區(qū)的中心寬度距離保持不變，將橋區(qū)的兩邊距離縮短至0.1、0.15、0.2 mm，又得到3種不同的六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)，把它們命名為L-100、L-150和L-200；在CAD畫出其幾何結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 六邊形結(jié)構(gòu)圖

圖6 橋區(qū)幾何結(jié)構(gòu)圖

2.4 仿真結(jié)果

仿真研究使用ANSYS Workbench平臺，在此平臺上采取自帶DM模塊建立爆炸箔的幾何模型，通過ANSYS Meshing對創(chuàng)建的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，建立爆炸箔的有限元模型，之后進(jìn)行材料的編輯，在數(shù)據(jù)庫中找到熱導(dǎo)材料，導(dǎo)入銅材料到構(gòu)建的模型當(dāng)中。完成以上操作后，進(jìn)行在通電情況下的焦耳熱仿真，設(shè)定初始溫度為300 K，壓力為常壓，在以銅為材料的爆炸箔一端通入1 000 V的電壓，通過結(jié)果可以了解到不同橋形結(jié)構(gòu)爆炸箔總的熱通量顯示，對比分析不同橋形爆炸箔通電后的仿真升溫速率圖，能夠直觀有效地判斷出不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆炸箔起爆時的響應(yīng)速度快慢，之后可以根據(jù)發(fā)火性能的要求，進(jìn)一步改善爆炸箔起爆器的設(shè)計結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 倒V形仿真結(jié)果圖

圖8 六邊形仿真結(jié)果圖

對比分析這6種橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆炸箔的仿真升溫速率，如圖9所示。

圖9 升溫速率曲線

根據(jù)以上仿真結(jié)果跟升溫速率圖可得，倒V形在中心端點(diǎn)處熱量先發(fā)生聚集，而六邊形是在兩側(cè)端點(diǎn)處先發(fā)生；3種倒V形結(jié)構(gòu)的溫度速率都比六邊形的溫度速率高，故倒V形結(jié)構(gòu)整體比六邊形結(jié)構(gòu)要好。其中，以倒V橋形為例，V-100橋區(qū)中心距離最短，所以在通電過程中的電流密度最大，產(chǎn)生的熱量最多且相對集中，響應(yīng)時間短；從升溫速率圖中也可以看出，V-100橋區(qū)結(jié)構(gòu)的溫度上升速度是最快的，故V-100比V-150、V-200的發(fā)火性能好。

3 爆炸箔起爆器發(fā)火原理

爆炸箔起爆器爆炸過程包含了橋區(qū)由固態(tài)經(jīng)過液態(tài)、液態(tài)經(jīng)過氣態(tài)、最后氣態(tài)向等離子態(tài)轉(zhuǎn)化的復(fù)雜物理形態(tài)變化。爆炸箔的橋區(qū)狀態(tài)剛開始為固態(tài)，之后隨著回路中通入大電流，使橋區(qū)的溫度不斷上升，當(dāng)橋區(qū)的溫度上升并且超過橋區(qū)材料熔點(diǎn)的時候，橋區(qū)由固態(tài)開始熔化轉(zhuǎn)變成液態(tài)，液體狀態(tài)繼續(xù)吸熱，促使爆炸箔橋區(qū)升溫至氣化，氣化之后伴隨著繼續(xù)吸熱進(jìn)而產(chǎn)生等離子體，等離子體做功驅(qū)使飛片從加速膛沖出，最后飛片沖擊在高密度炸藥上，即發(fā)生起爆。流程如圖10所示。

圖10 爆炸流程框圖

爆炸箔起爆器簡化后的放電回路包括電容、開關(guān)、橋箔、電壓表和回路五部分。在multisim中畫出電路圖如圖11所示。實物連接圖如圖12。

圖11 放電回路圖

圖12 實物連接圖

爆炸箔起爆器通過電容放電的形式提供大電流，首先閉合開關(guān)1，對電容進(jìn)行充電，之后斷開開關(guān)1閉合開關(guān)2，電容釋放的大電流會在很短的時間內(nèi)作用于橋箔，橋箔橋區(qū)進(jìn)行由固態(tài)變成液態(tài)，液態(tài)到氣態(tài)，氣態(tài)到等離子態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，之后等離子體促使飛片做功沖出加速膛，撞擊炸藥引發(fā)爆炸。六邊形橋區(qū)爆炸箔起爆后如圖13所示。

可以從圖13看出，經(jīng)過爆炸后，爆炸箔從一個完整的連接形態(tài)在橋區(qū)處發(fā)生了斷裂，橋區(qū)已經(jīng)完全不見，說明在通電后，橋區(qū)位置確實發(fā)生了固體到液體再到氣體最后伴隨氣體吸熱轉(zhuǎn)變成等離子體這一系列物理形態(tài)的轉(zhuǎn)變，驗證理論仿真部分。再通過計算得出不同橋形結(jié)構(gòu)的電壓伴隨時間變化的曲線圖形，進(jìn)行積分，根據(jù)焦耳定律的轉(zhuǎn)換公式(1)可以獲得不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)的輸入能量，之后通過電路中電壓表的讀數(shù)用公式(2)可以計算出電路整體的輸入電壓，即電容所釋放的能量，最后通過公式(3)可以計算出不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆炸箔起爆回路中的能量利用率

==

(1)

(2)

(3)

通過以上公式計算得出不同橋形結(jié)構(gòu)爆炸箔的能量利用率，進(jìn)而可以對比分析出橋形比較好的設(shè)計結(jié)構(gòu)。經(jīng)過試驗來獲得爆炸箔不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)起爆器的發(fā)火參數(shù)，如見表3所示。可以從表3得出結(jié)論：在這六種不同結(jié)構(gòu)的爆炸箔之中，倒V形中V-100橋區(qū)形狀的起爆性能最好，其能量利用率最高，達(dá)到43.7%，與仿真結(jié)果一致；在六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)中，L-100能量利用率最高，達(dá)到40.3%，但比V-100要低一些。

圖13 爆炸箔起爆后示意圖

表3 發(fā)火性能參數(shù)

4 結(jié)論

通過ANANSY仿真可知，倒V形結(jié)構(gòu)在中心端點(diǎn)處熱量最先聚集，即在中心端點(diǎn)處的電流密度最大，中心端點(diǎn)的距離越小電流密度越大，而六邊形結(jié)構(gòu)是在兩側(cè)端點(diǎn)處先發(fā)生熱量聚集，并且倒V形結(jié)構(gòu)的溫度上升速率比六邊形的溫度上升速率高，所以倒V橋形結(jié)構(gòu)比六邊形結(jié)構(gòu)的發(fā)火性能好，由于V-100中心端點(diǎn)的距離最小，故V-100發(fā)火性能最好。