激光驱动飞片冲击应力实验研究

王 猛，何 碧，蒋 明，覃文志

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳，621900）

PVDF薄膜（聚偏氟乙烯薄膜）具有很强的压电性能，在其表面喷镀或涂饰微米厚的铝形成电极，即可构成PVDF压电薄膜传感器，其具有薄而柔软、响应快、测压范围大、无源、灵敏度高等优良性能，故在爆炸和冲击领域得到了广泛的应用[1]。

激光驱动飞片起爆炸药是利用高能激光辐照镀在光学玻璃或光纤末端的金属薄膜，产生高温高压等离子体，等离子体膨胀推动残余薄片，最终撞击炸药实现起爆。该技术具有时间控制精度高、响应迅速、抗电磁干扰的优势，可满足现代火工品的发展需求[2]。

激光驱动飞片能否成功起爆炸药，主要取决于飞片撞击炸药的冲击应力p和持续脉冲时间τ[3]。对这两个参数的获得，普遍采用测试飞片最大速度和残余飞片厚度，进而应用相关的经验公式展开计算得到[4-5]。本文利用 PVDF薄膜的压电效应，制作成经济简单的应力计，用于激光驱动飞片冲击应力的直接测试，并对其相关特性展开研究。

1 PVDF应力计测试技术

1.1 实验原理

PVDF应力计受到冲击载荷p时，其表面会产生电荷Q。现已证明在 0～10GPa的压力范围之间，p和Q呈单值函数关系[6]：

式（1）中：K为动态压电系数，对于不同设计结构的应力计来说，其数值略有不同，实验前需对其展开标定。A为应力计敏感部分面积，本实验中为飞片的表面积。

PVDF应力计的测试电路一般有两种模式，即电流模式和电荷模式。在电流模式中，PVDF受压产生的电荷通过与其并联的电阻R放电，示波器读出的为电阻R两端的电压值，对输出的电压信号展开积分后，即为PVDF应力计受冲击产生的电荷随时间的变化曲线。而在电荷模式中，PVDF应力计通过与并联的电容放电，示波器显示的电压值与冲击压力是成正比的，测量结果直观，不用数值积分。本实验采用电荷模式测量电路，见图1。

图1 电荷模式测量电路Fig.1 Measuring circuit of charge mode

PVDF应力计等效为一个电压源与一个电容Cg的串联。Rm为匹配电阻（50Ω），与特性阻抗为50Ω的电缆相匹配，以免在长电缆传输时引起波形振荡。

设示波器输入电阻RB=1MΩ，RB＞＞Rm，C＞＞Cg：

1.2 PVDF应力计制作和标定

采用锦州电子材料厂生产的PVDF压电薄膜（厚50μm，双面镀铝），自制了PVDF应力计。应力计采用纯银引线，引线与PVDF薄膜之间通过聚酰亚胺胶带进行双面粘结，聚酰亚胺薄膜也起着保护PVDF敏感部分不受冲击损坏的作用。制成的应力计厚 0.15 mm左右。

该PVDF应力计制作工艺简单，制作成本很低，适合于实验使用。为了实验数值的准确可信，采用霍普金森压杆，对该PVDF应力计的动态压电系数K展开标定，标定结果见图 2。由标定曲线可知，自制PVDF应力计动态压电系数K为9.92pC/N。

图2 应力计动态标定曲线Fig.2 Dynamic calibration curve of PVDF stress gage

2 激光驱动飞片冲击应力测试

2.1 实验装置

实验所用激光器为INNOLAS公司生产，激光器输出激光脉宽8ns，波长1 064nm，激光输出能量稳定。加速膛内径Φ1.0mm，长度0.5mm，材料为不锈钢。复合飞片的隔热层氧化铝采用蒸镀方式制备，其它各层均采用高真空磁控溅射方式制备完成。并联电容C为0.1pF。

图3 PVDF测压实验装置Fig.3 PVDF experimental device

2.2 实测冲击应力波形分析

实验中，选用了 0.3μm/0.7μm/2.5μm、0.3μm/0.7μm /4.5μm的复合飞片和5.5μm厚的单层铝飞片。复合飞片为“三明治”结构，隔热层采用氧化铝，应用离子束蒸发方式制备而成，前两层保持参数一致，最后一层厚度有所不同。为了实验结果的可比性，单层飞片和复合飞片总厚度保持一致。

图 4～9为两种参数的复合飞片在不同激光能量密度下的冲击应力波形，可明显看出，复合飞片冲击应力波形均存在3个明显的峰值，其中前两个峰有很大的相似性，它们的峰值高低均只与激光能量密度的高低有关。飞片在激光辐照下，会发生烧蚀、汽化现象，进而产生高温高压等离子体，等离子体向外迅速膨胀压缩周围空气，从而形成激光诱导冲击波，冲击波扫过的气体区域会受到冲击压缩。激光诱导冲击波在空气中会随着距离产生一定的衰减，并且该冲击波应力高低仅与激光能量密度有关[7]。据此可推断复合飞片应力波形中，前两个峰为激光诱导冲击波产生。

图4 0.3μm /0.7μm/2.5μm飞片在10.33J/cm2时输出应力波形Fig.4 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 10.33J/cm2

图5 0.3μm /0.7μm/4.5μm飞片在10.33J/cm2时输出应力波形Fig.5 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 10.33J/cm2

图6 0.3μm /0.7μm/2.5μm飞片在21.31J/cm2时输出应力波形Fig.6 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 21.31J/cm2

图7 0.3μm/0.7μm /4.5μm飞片在21.31J/cm2时输出应力波形Fig.7 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 21.31J/cm2

图8 0.3μm/0.7μm /2.5μm飞片在42.25J/cm2时输出应力波形Fig.8 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 42.25J/cm2

图9 0.3μm/0.7μm /4.5μm飞片在42.25J/cm2时输出应力波形Fig.9 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 42.25J/cm2

图10、图11为单层铝飞片冲击应力波形图。

图10 5.5μm单层飞片在10.33J/cm2时输出应力波形Fig.10 The stress curve of 5.5μm single flyer at 10.33J/cm2

图11 5.5μm单层飞片在21.31J/cm2时输出应力波形Fig.11 The stress curve of 5.5μm single flyer at 21.31J/cm2

图10～11可见，相较于复合飞片，单层飞片明显少了1个高峰。而第1个高峰的峰值、出峰时间与复合飞片中第2个高峰的相关数值一致。由于单层飞片中没有氧化铝隔热层的存在，因此没有等离子体膨胀压缩产生的激光诱导冲击波在氧化铝中的传播。单层飞片冲击应力波形中的第2个峰为激光驱动飞片撞击PVDF应力计产生的冲击应力。

从飞片冲击应力持续时间上分析，在相同能量下，飞片层为4.5μm的复合飞片撞击应力持续时间是飞片层为2.5μm的约1.5倍，而飞片层厚度前者约为后者的1.571倍，说明飞片撞击应力持续时间与飞片厚度是成正比的。总体来说，飞片冲击应力持续时间在复合飞片中会随着激光能量的增加而略有增加（图4～9），在单层飞片中则逐步降低（图10～11），这是由于单层飞片没有隔热层作保护，激光能量越大，烧蚀越多，飞片越薄，冲击应力持续时间便会相应地缩短。图12为复合飞片与单层飞片的冲击应力对比。

图12 复合飞片与单层飞片最大冲击应力对比Fig.12 Comparison of maximal stress between multi-flyer and single-flyer

从图12中可看出，在复合飞片中，由于隔热层的存在，保证了飞片的完整程度，并一定程度上提升了飞片的速度，使得复合飞片冲击应力比单层飞片有大幅度的提升。在复合飞片中，飞片层厚度越厚，飞片冲击应力越高，应力持续时间越长。因此，在激光驱动飞片起爆系统的设计中，飞片部分应选用较厚的复合飞片，这样可有效提升飞片的冲击应力，并能保证该应力的持续时间，这对于激光驱动飞片成功起爆炸药是非常有利的。

2.3 测试中的注意事项

（1）测试中采用了长约10m的50Ω低噪声电缆，相对于本实验测试信号的上升前沿属于长电缆，因而测量电路必须考虑匹配。

（2）电荷模式相较于电流模式，具有测量结果直观、不用数字积分、测试低电荷量精准、可对较小信号进行测量的优点。对于飞片冲击应力的测试，测试电路应选用电荷模式。

（3）压电薄膜在剪裁中，应避免薄膜边缘产生不平或毛刺，并采用同种材质的金属作为引线，以免实验时产生较强的干扰信号，影响实验结果的准确。

3 结论

自制 PVDF应力计在激光驱动飞片冲击应力的测量上是可行的，在应力波形的测量上，PVDF应力计响应快、分辨率高。分析飞片冲击应力波形，可知飞片冲击产生的应力是在激光诱导冲击波之后产生。复合飞片的冲击应力比单层飞片高，并能保证一定的脉冲持续时间。飞片越厚，冲击应力越大，持续时间越长。在激光驱动飞片起爆系统的设计中，飞片部分应采用较厚的复合飞片，这对于系统的工程化、小型化是有利的。

[1]李焰,王凯民,谭红梅. PVDF应力计在起爆试验研究中的应用[J].火工品,2003(3): 6-10.

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[4]孙承伟,庄仕明,王春彦. 激光驱动飞片冲击引爆炸药的计算[J].强激光与粒子束,1997,9(3):471-476.

[5]Bowden M D, Drake R C. The initiation of high surface area PETN using fiber-coupled laser-driven flyer plates[C]//Proceedings of SPIE.San Diego: CA, 2007.

[6]Bauer F, Graham R A, Andersong M U, et al. Piezoelectric polarization of the ferroelectric polymer PVDF from 10MPa to 10GPa[C]// Shock Waves in Condensed Matter-1991.Virginia: American Physical Society,1992 : 883-886.

[7]陈朗,鲁建英,伍俊英.激光支持爆轰波[M].北京：国防工业出版社, 2011.