Al/Ni爆炸箔电爆特性及驱动飞片能力研究

王 窈，孙秀娟，郭 菲，付秋菠



Al/Ni爆炸箔电爆特性及驱动飞片能力研究

王 窈，孙秀娟，郭 菲，付秋菠

（中国工程物理研究院 化工材料研究所，四川 绵阳，621900）

MEMs工艺成功制备出Al/Ni复合爆炸箔，在4kV的充电电压下研究其电爆性能。研究表明，相比于传统的铜爆炸箔，复合爆炸箔的能量利用高，可达18%，而且爆发提前，所需能量较小，爆发能量集中。飞片速度研究表明，爆炸箔的厚度和充电电压会影响飞片的最终速度，飞片的速度随爆炸箔的厚度和电压升高而增大。当爆炸箔的厚度为3μm、充电电压为5kV时，飞片的速度可达3 100m/s。

爆炸箔；Al/Ni；电爆性能；飞片速度

1965年，美国LLNL国家实验室报道了冲击片雷管，由于其高安全性成为国内外研究热点[1]。冲击片雷管是一种只对短脉冲敏感的高能火工品，由背板、爆炸箔、飞片、加速膛和炸药组成。爆炸箔在脉冲大电流刺激下，发生固态-液态-气态的转变，最终形成高温高压等离子体。等离子体驱动飞片，飞片在加速膛中加速，速度可达数千米每秒，飞片高速撞击炸药，实现炸药的冲击爆轰。冲击片雷管的整个作用过程，是“电能-热能-等离子体能-飞片动能”的一个转换过程，爆炸箔起着转换“电能-热能-等离子体能”的关键作用，是影响冲击片雷管起爆性能的关键元件。

国内外爆炸箔大多以铜为主[2]，但能量转换率较低，大多数被消耗在电路和内能中，导致冲击片雷管的起爆能量较高，不利于武器系统小型化和低能化的发展。而将纳米含能材料加入爆炸箔中，利用纳米含能材料的快速放热性，来提高等离子体的输出能力，已成为研究的一个方向。2011年，南京理工大学的周翔[3]制备了Cu/Al/CuO复合爆炸箔，测试表明，Al/CuO纳米含能材料的加入并没有提高飞片的速度，可能是由于材料的反应时间与电爆时间的不匹配而导致。2014年，黄娜[4]以Cu/Al/Ni为爆炸箔进行了电爆特性测试，研究表明Al/Ni复合膜的加入提高了等离子体的羽化尺寸，但未研究复合膜的特性尺寸对电爆性能（电压/电流曲线、飞片速度）的影响。美国的C.J.Morris[5-7]研究团队对Cu/Al/Ni进行了相关的研究，Al/Ni由于其导电性，在高脉冲电压下50ns可发生反应，与电爆时间可匹配，通过模拟表明，Al/Ni的化学反应能的确加入了反应中，提高了飞片的速度。该团队主要研究其测试方法和表征方法，未研究复合爆炸箔的电爆特性。本论文以Al/Ni为研究对象，开展Al/Ni复合膜对电爆性能的影响和驱动飞片能力研究，获得其影响规律。

1 电爆特性测试

在陶瓷基底上磁控溅射Al、Ni、Cu膜，利用湿法刻蚀的方法获得爆炸箔，如图1所示，桥区边界清楚，尺寸满足要求。为了进行焊接，在Al/Ni桥箔的表面沉积200nm的Cu膜。利用高压探头和罗果夫斯基线圈对爆炸箔桥区的爆发电压和爆发电流进行测试，所得电压、电流信号用示波器进行记录储存。充电电压为4kV，电容容量为0.22μF，放电周期为1.7μs。采用80mm的短路线进行短路电流测试，测试结果如图2所示。

图1 复合爆炸箔图片

根据--放电曲线[8]，获得回路的电阻86mΩ，电感326nH，其中爆炸箔的形状为正方形，尺寸为0.6mm×0.6mm。

桥箔电爆炸一般发生在电流曲线的1/4周期，即电流上升段。爆炸箔桥区在脉冲大电流密度下产生焦耳热，桥区发生固-液-气的转变，电阻急速上升，桥区电阻达最大，电压达到峰值，爆炸产生。理想状态下，桥箔爆炸时刻应尽可能接近电流峰值，即电压峰值与电流峰值一致，其能量利用率达最大[9]。图3显示了在4kV的充电电压下，Al/Ni复合箔（3μm和4μm）和Cu箔的电压、电流曲线图。4kV的充电电压对于2μm和1μm厚度的Al/Ni复合箔较高，爆发时刻在几十纳秒发生，而且电流峰值严重滞后于电压峰值。图3中显示，当爆炸箔为Al/Ni复合膜时，电压峰值时间稍提前于电流峰值时刻，且电爆后桥区相邻部分发生气化现象，表明储能过剩，充电电压高。当爆炸箔为传统的Cu箔时，爆炸箔爆发稍滞后于电流峰值时间，说明桥箔爆发需要更高的充电电压，能量利用率低。以上研究表明，冲击片雷管中使用Al/Ni复合箔为桥箔，所需能量比传统的Cu箔低。

图3 充电电压4kV下爆炸箔的电压、电流曲线图

桥箔爆发后的性能参数（峰值电压、峰值电流、峰值时间、能量利用率）显示于表1中。桥箔的能量利用率按公式（1）进行计算：

式（1）中，t为爆炸箔爆发时刻，即电压峰值时刻；为电容容量，0.22μF；0为电容器充电电压，4kV。

由表1可见，Cu爆炸箔的爆发时刻明显滞后于Al/Ni复合爆炸箔，说明复合爆炸箔在较短的时间内达到气化所需的能量大。桥区在大电流密度刺激下，产生很高的焦耳热，热量积累达到金属的汽化能后，电爆产生。焦耳热热量的累积与桥箔的电阻和电流有关，虽然Al/Ni复合爆炸箔的电阻是Cu箔的3倍，但是其放电电流相对较低，所以热量积累应差别不大。导致两种爆炸箔爆发时刻不一致可能是Al/Ni反应热所导致，国外研究表明[7]，Al/Ni反应在高压脉冲下50ns反应便可开始，与电爆的时间匹配。Al/Ni反应放出的热量使桥箔更快速达到气化能，电爆提前发生。

能量利用率数据表明，在4kV的充电电压下两种爆炸箔的能量利用率较低。爆发时刻与峰值电流时刻不匹配是主要原因，对于复合爆炸箔，4kV的充电电压相对较高，降低电压到2.35kV，峰值时间匹配，能量利用率提高到18%（表1）。对于Cu桥箔，4kV的充电电压较低，需提高能量，试验中将电压提高到5kV后，爆发时刻提前，能量利用率提高到5.8%，但低于复合爆炸箔的能量利用率。

能量利用率是峰值能量（电压电流与时间的积分）与储能的比值，峰值能量越高，能量利用率相对增加。图3中的电压、电流曲线图可以说明复合爆炸箔与Cu箔峰值能量的差别，传统的铜爆炸箔的放电电流曲线是振荡正弦，而复合爆炸箔的放电电流曲线是1/2正弦波，电流、电压曲线的斜率高，峰值能量大，最大能量出现在500ns左右，能量集中。对于Cu桥箔，最大能量出现在1.2μs附近，能量上升缓慢，大部分消耗在内能中，未被利用。相关研究表明，爆发时刻开始推动飞片，而爆发时刻后的200ns对飞片的速度有贡献[9]。表1表明，Cu爆炸箔的△为复合爆炸箔的3倍，能量曲线上升缓慢，爆发后的200ns能量提高幅度小，对飞片速度贡献不大。复合爆炸箔的△仅为300ns左右，能量曲线上升迅速，200ns后的能量接近于最大储能，对提高飞片速度极有利。

表1 桥箔爆发后的性能参数

Tab.1 Performance parameters of bridge foil after exploding

序号材料电阻/mΩ充电电压/V峰值电压/V峰值电压时间/ns峰值电流/A峰值电流时间/ns峰值能量/mJ最大能量/mJ储能/mJ能量利用率/%△t/ns 1Al/Ni 4μm1054 0002 4161201 4982611706501 7609.7366 2Al/Ni 3μm1604 0002 0401101 440301606801 7603.4301 3Al/Ni 4μm1102 3501 4562041 203201110340 61018.0337 4Cu 4μm26.54 0001 1572752 489235454701 7602.61 180 △t:最大能量时间与峰值能量时间之差。

2 飞片速度测试

利用光子多普勒速度测试系统（PDV）对Al/Ni复合爆炸箔驱动飞片的速度进行测试，飞片材料为聚酯薄膜，加速膛的尺寸为φ0.8mm×0.4mm，测试结果见表2。

表2 以Al/Ni为爆炸箔获得的飞片速度

Tab.2 Flyer velocity of Al/Ni exploding foil

序号材料电阻/mΩ充电电压/kV飞片速度/（m·s-1） 1Al/Ni 2μm26541 400 2Al/Ni 3μm16341 700 3Al/Ni 4μm10042 300 4Al/Ni 2μm2504.51 713 5Al/Ni 3μm1754.52 300 6Al/Ni 3μm16653 100

影响飞片速度的主要因素为爆炸箔的厚度和充电电压。在相同的充电电压下（前提是该电压下都能发生爆发），厚度越厚飞片速度越高。厚度增加，电爆产生的等离子能量增加，飞片的速度随之提高。在4kV的充电电压下，Al/Ni厚度为4μm时，速度达到2 300m/s，而厚度减小为2μm后，速度只有1 400m/s，速度相差1km/s。爆炸箔电爆后，如图4显示，桥区爆发完全，推动飞片区域呈现黑色，飞片呈现规则的圆，表明飞片被均匀地推出，飞片的平整度和均匀度高。

（a） 爆炸箔 （b） 飞片

相同厚度的Al/Ni爆炸箔在不同的充电电压下，表现出不同的飞片速度。充电电压为5kV，爆炸箔厚度为3μm时，获得的飞片速度为3 100m/s，而降低充电电压到4kV后，飞片速度为1 700m/s，速度相差1 400m/s。充电电压低，虽然可以发生电爆，但是电爆不完全，等离子体的温度和电子密度不高，导致推动飞片的动力低，飞片速度小。但是飞片的速度是否和充电电压的高低呈现线性关系，充电电压太高是否会导致爆炸箔产生其它现象，飞片发生烧蚀或者飞片形态发生改变，将是课题组下一步即将开展的工作。

3 结论

通过湿法刻蚀工艺成功获得Al/Ni复合爆炸箔，开展复合爆炸箔的电爆性能和驱动飞片的能力研究，结论如下：相比于传统的Cu桥箔，复合爆炸箔的爆发时间提前了100ns；在2.35kV的充电电压下，复合爆炸箔的峰值电压与峰值电流时间一致，能量利用率达18%；相比于传统的Cu桥箔，复合爆炸箔所需的电压减低，所需的能量减少；爆炸箔的能量曲线表明，Al/Ni复合爆炸箔最大能量的时间与桥箔爆发时间相差较短，可用于推动飞片，而Cu桥箔的时间差值在1μs左右，对飞片的推动贡献极小；复合桥箔推动飞片表明，爆炸箔的厚度和充电电压影响飞片的速度，当爆炸箔的厚度为3μm、充电电压为5kV时，飞片的速度最大，可达3 100m/s。

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Study on Electrical Characteristic and Flyer Driven Ability of Al/Ni Exploding Foil

WANG Yao，SUN Xiu-juan，GUO Fei，FU Qiu-bo

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang, 621900)

The Al/Ni exploding foil was successfully fabricated by traditional MEMs technology. The electrical performance of Al/Ni exploding foil was investigated under 4kV voltage. It is found that the maximum energy transformation efficiency comes to 18%, which is higher than that of Cu exploding foil. The phenomenon of short exploding time, low electrical energy, and concentrating output energy was showed for Al/Ni multilayer foil. Meanwhile, the flyer velocity is increased by improving input voltage and foil thickness, and the flyer velocity comes to 3 100m/s under 5kV voltage and 3μm thickness of Al/Ni.

Exploding foil；Al/Ni；Electrical performance；Flyer velocity

TJ450.3

A

[10]2015-11-16

王窈（1986 -），女，助理研究员，主要从事新型火工品研究。