桥区结构对爆炸箔起爆器发火性能的影响

侯新朋，彭志凌，宋进宇，马 景

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

1 引言

爆炸箔起爆器主要由基底、金属桥箔、绝缘飞片、加速膛及猛炸药等组成，起爆器如图1所示。对于爆炸箔起爆器换能元的研究，国内起步比较晚，在基础理论及设计技术方面仍与国外存在一定的差距；国外的主要科研单位有美国微组装技术公司和韩国技术研究院等，在这些研究单位中，美国主要开展火工品的发火性能测试，探究火工品低能发火性能的影响因素。在21世纪初，美国军方公布了多种关于起爆器爆炸箔结构的参数数据、起爆所需要的条件以及与猛炸药的发火性能相互对应关系。

现如今，MEMS微型化技术已经成为当前科学技术发展的重要方向之一，对于爆炸箔也提出了更高的要求，爆炸箔起爆器还存在着集成度较低，响应速度慢，起爆过程中能量损耗较多以及爆炸过程中能量利用率不高等问题，通过改变桥区的结构来降低爆炸回路中的能量损耗，加快响应速度，提高能量利用率，使起爆器系统更加稳定。

图1 起爆器示意图

2 爆炸箔起爆器起爆能量研究

为完善爆炸箔起爆器微结构设计理论，本研究从起爆器的基底材料和桥箔材料、桥区结构等角度出发，结合国内外爆炸箔起爆器作用机理的研究进展进行讨论。如图2所示。

图2 爆炸箔起爆器分析示意图

2.1 基底材料

基底材料承担的作用是作为起爆器最基础的支撑层，是实现起爆综合性能优良的载体，基底同时可以把控能量传递的方向，适合的基底材料能提高能量的转换效率，并且降低发火能量，提高整体的可靠性。同时基底应对桥箔材料所产生的等离子体起到限制作用，将传递到基底表面的冲击能量再反射回去，以增加飞片的动能，加速冲击片的能量，提高起爆响应速度。

基底材料的选用原则是要与火工品的工艺兼容，满足表面整洁，较高的硬度以及一定的韧性，同时也要考虑价格的因素，合适的热导率以及电阻率等。最重要的是，必须是绝缘材料。在一般情况下，具有比较低的热导率和较高的电阻率的基底材料，可以在起爆过程中使热量更容易聚集起来，能够有效地减少能量损耗，从而降低发火能量。目前人们常用的基底材料有硅、7740玻璃、陶瓷、石英等。其主要物理参数见表1所示。

表1 基底材料物理参数

由于陶瓷、石英材料的脆性大，非常难以加工，此时一种性能介于普通玻璃和氧化铝陶瓷之间的材料—7740玻璃出现在人们眼前，故7740玻璃更加适合作为基底材料。

2.2 桥箔材料

现如今，人们经常使用的桥箔材料主要包括Au、Pt、Cu、Al等。爆炸箔起爆器爆炸的过程就是当电路通入冲击大电流时，在非常短的时间内，让爆炸箔完成固体-液体-气体-等离子体一系列物理状态的转变，等离子体做功驱使飞片从加速膛冲出，最后飞片冲击在高密度炸药上实现起爆。国内外主要围绕微纳结构下材料的一系列电阻物理特性，来开展主要的研究工作。常见的桥箔材料物理参数如表2所示。

表2 桥箔材料物理参数

选择爆炸箔材料的时候，通常选择电阻率较大，而升华需要热量较低的材料作为爆炸箔的材料。国内外的很多研究机构和科研单位都对爆炸箔材料做过非常细致的研究，结果表明铜和铝在起爆回路中的发火响应时间快，并且回路能量损耗较小，材料比较容易加工易得，所以适合做桥箔材料。

2.3 桥区结构

以往在对爆炸箔起爆器发火性能的研究方面，大部分都是针对某一种固定桥形结构进行研究展开，并没有针对不同的桥形结构爆炸箔进行发火性能对比，以此来探究爆炸箔发火性能的最优结构。在对桥区结构进行探讨研究时，本研究中设计了6种不同桥形结构的爆炸箔，来开展不同桥形结构爆炸箔发火性能研究测试，根据测试仿真结果来获得爆炸箔较好的桥形结构以及不同桥区结构对爆炸箔发火性能的影响规律。

桥区结构的设计主要包括有方形、倒“V”形、蛇形、蝴蝶形、梯形、六边形、双曲形等，由于桥区的尺寸一般在微米级别，在现实中肉眼根本看不见，故需要把爆炸箔放在电子显微镜下观察具体的结构，把加工好所需结构的爆炸箔放在电子显微镜上，让爆炸箔中心即桥区的位置聚焦，如图3所示；展示的桥区六边形跟双曲形结构在显微镜下样貌如图4和图5所示。

图3 爆炸箔放置图

图4 双曲形结构图

本研究设计以倒V形跟六边形这2种典型桥区结构，来探究不同桥形结构对爆炸箔起爆器发火性能的影响。设计的桥形结构以7740玻璃作为基底的材料，选用Cu作为爆炸箔的材料，以方形桥A(边长0.3 mm)作为基础桥形，进而在基础桥形进行不同结构的变换，对于倒“V”桥形结构，基础桥A桥区两侧保持不变，分别将桥区中心距离缩短至0.1、0.15、0.2 mm，得到3种不同的倒“V”桥形结构，把它们命名为V-100、V-150和V-200；而六边形结构正好相反，使桥区的中心宽度距离保持不变，将桥区的两边距离缩短至0.1、0.15、0.2 mm，又得到3种不同的六边形桥区结构，把它们命名为L-100、L-150和L-200；在CAD画出其几何结构如图6所示。

图5 六边形结构图

图6 桥区几何结构图

2.4 仿真结果

仿真研究使用ANSYS Workbench平台，在此平台上采取自带DM模块建立爆炸箔的几何模型，通过ANSYS Meshing对创建的几何模型进行网格的划分，设置网格参数，建立爆炸箔的有限元模型，之后进行材料的编辑，在数据库中找到热导材料，导入铜材料到构建的模型当中。完成以上操作后，进行在通电情况下的焦耳热仿真，设定初始温度为300 K，压力为常压，在以铜为材料的爆炸箔一端通入1 000 V的电压，通过结果可以了解到不同桥形结构爆炸箔总的热通量显示，对比分析不同桥形爆炸箔通电后的仿真升温速率图，能够直观有效地判断出不同桥区结构爆炸箔起爆时的响应速度快慢，之后可以根据发火性能的要求，进一步改善爆炸箔起爆器的设计结构。仿真结果如图7和图8所示。

图7 倒V形仿真结果图

图8 六边形仿真结果图

对比分析这6种桥区结构爆炸箔的仿真升温速率，如图9所示。

图9 升温速率曲线

根据以上仿真结果跟升温速率图可得，倒V形在中心端点处热量先发生聚集，而六边形是在两侧端点处先发生；3种倒V形结构的温度速率都比六边形的温度速率高，故倒V形结构整体比六边形结构要好。其中，以倒V桥形为例，V-100桥区中心距离最短，所以在通电过程中的电流密度最大，产生的热量最多且相对集中，响应时间短；从升温速率图中也可以看出，V-100桥区结构的温度上升速度是最快的，故V-100比V-150、V-200的发火性能好。

3 爆炸箔起爆器发火原理

爆炸箔起爆器爆炸过程包含了桥区由固态经过液态、液态经过气态、最后气态向等离子态转化的复杂物理形态变化。爆炸箔的桥区状态刚开始为固态，之后随着回路中通入大电流，使桥区的温度不断上升，当桥区的温度上升并且超过桥区材料熔点的时候，桥区由固态开始熔化转变成液态，液体状态继续吸热，促使爆炸箔桥区升温至气化，气化之后伴随着继续吸热进而产生等离子体，等离子体做功驱使飞片从加速膛冲出，最后飞片冲击在高密度炸药上，即发生起爆。流程如图10所示。

图10 爆炸流程框图

爆炸箔起爆器简化后的放电回路包括电容、开关、桥箔、电压表和回路五部分。在multisim中画出电路图如图11所示。实物连接图如图12。

图11 放电回路图

图12 实物连接图

爆炸箔起爆器通过电容放电的形式提供大电流，首先闭合开关1，对电容进行充电，之后断开开关1闭合开关2，电容释放的大电流会在很短的时间内作用于桥箔，桥箔桥区进行由固态变成液态，液态到气态，气态到等离子态的转变过程，之后等离子体促使飞片做功冲出加速膛，撞击炸药引发爆炸。六边形桥区爆炸箔起爆后如图13所示。

可以从图13看出，经过爆炸后，爆炸箔从一个完整的连接形态在桥区处发生了断裂，桥区已经完全不见，说明在通电后，桥区位置确实发生了固体到液体再到气体最后伴随气体吸热转变成等离子体这一系列物理形态的转变，验证理论仿真部分。再通过计算得出不同桥形结构的电压伴随时间变化的曲线图形，进行积分，根据焦耳定律的转换公式(1)可以获得不同桥区结构的输入能量，之后通过电路中电压表的读数用公式(2)可以计算出电路整体的输入电压，即电容所释放的能量，最后通过公式(3)可以计算出不同桥区结构爆炸箔起爆回路中的能量利用率

==

(1)

(2)

(3)

通过以上公式计算得出不同桥形结构爆炸箔的能量利用率，进而可以对比分析出桥形比较好的设计结构。经过试验来获得爆炸箔不同桥区结构起爆器的发火参数，如见表3所示。可以从表3得出结论：在这六种不同结构的爆炸箔之中，倒V形中V-100桥区形状的起爆性能最好，其能量利用率最高，达到43.7%，与仿真结果一致；在六边形桥区结构中，L-100能量利用率最高，达到40.3%，但比V-100要低一些。

图13 爆炸箔起爆后示意图

表3 发火性能参数

4 结论

通过ANANSY仿真可知，倒V形结构在中心端点处热量最先聚集，即在中心端点处的电流密度最大，中心端点的距离越小电流密度越大，而六边形结构是在两侧端点处先发生热量聚集，并且倒V形结构的温度上升速率比六边形的温度上升速率高，所以倒V桥形结构比六边形结构的发火性能好，由于V-100中心端点的距离最小，故V-100发火性能最好。