爆炸平面開關(guān)的設(shè)計(jì)及研究

周 密，孟慶英，韓克華，錢 勇，秦國圣

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安, 710061）

爆炸箔起爆器系統(tǒng)（exploding foil initiators system，EFIs）由爆炸箔起爆器和發(fā)火電路組成，爆炸箔起爆器由于良好的本質(zhì)安全性，已在常規(guī)導(dǎo)彈、水中兵器上得到較多的應(yīng)用，目前朝低能化方向發(fā)展，其發(fā)火電路朝小型化、集成化方向發(fā)展。爆炸箔起爆器發(fā)火電路使用的器件是影響發(fā)火電路性能及其小型化的重要因素。本文主要針對爆炸箔起爆器發(fā)火電路中的關(guān)鍵器件—高壓開關(guān)開展相關(guān)研究。

目前，國內(nèi)EFIs中使用的是火花隙開關(guān)，這種開關(guān)體積較大，不利于與結(jié)構(gòu)緊湊的帶狀傳輸線連接，需采取過渡結(jié)構(gòu)，而且火花隙開關(guān)制作工藝復(fù)雜，電極材料需經(jīng)過仔細(xì)的脫氣處理，安裝要非常精確，制作成本高；此外，又是陶瓷密封元件，存在沖擊過載易損傷及過載后惰性氣體泄漏的問題。有鑒于此，本文設(shè)計(jì)并制備了一種十字狀的爆炸平面開關(guān)，同時(shí)研究了其電爆炸性能。

1 爆炸平面開關(guān)的設(shè)計(jì)與制備

1.1 爆炸平面開關(guān)的設(shè)計(jì)

由于金屬橋箔在陡脈沖大電流作用下會發(fā)生電爆炸，產(chǎn)生大量的高溫高壓等離子體，等離子體具有良好的導(dǎo)電性能。利用金屬橋箔的電爆炸導(dǎo)通特性，在爆炸橋箔橋區(qū)的兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個導(dǎo)電端，形成十字狀的高壓平面開關(guān)，爆炸平面開關(guān)實(shí)物如圖1所示。當(dāng)開關(guān)橋區(qū)發(fā)生電爆炸時(shí)產(chǎn)生的等離子體使兩側(cè)的兩個導(dǎo)電端迅速導(dǎo)通，從而主放電回路導(dǎo)通，使沖擊片雷管起爆。

1.2 爆炸平面開關(guān)的制備

爆炸平面開關(guān)的制備可以通過磁控濺射方法也可以通過離子刻蝕方法。本文所使用的爆炸平面開關(guān)均采用離子刻蝕的方法制備。其制作過程包括鍍膜、涂膠、顯影、定影、蝕刻幾個主要步驟。工藝框圖如圖2所示。

圖1 爆炸平面開關(guān)實(shí)物圖Fig.1 Sketch map of exploding plane switch

圖2 集成平面開關(guān)的爆炸橋箔制作工藝過程Fig.2 Technological process of manufacture of exploding plane switch

2 爆炸平面開關(guān)的參數(shù)優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

爆炸平面開關(guān)參數(shù)優(yōu)化的電路原理見圖3。

圖3 電路原理圖Fig.3 Sketch map of test circuit

圖3中開關(guān)兩端高壓線長度100mm，每條高壓線電阻10m?，電流環(huán)I1測試主放電回路爆炸橋箔的放電電流變化，電流環(huán)I2測試開關(guān)回路開關(guān)橋箔的電流變化，主放電回路與開關(guān)回路的放電電容C1、C2均為0.22μF。主放電回路的電容C1充電電壓固定為1.2kV。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

爆炸平面開關(guān)的橋區(qū)尺寸固定為0.4mm×0.4mm×5μm，橋區(qū)用厚度為35μm飛片貼封，爆炸平面開關(guān)的橋區(qū)導(dǎo)通后，放電形成等離子體，等離子體使兩側(cè)的間隙電極導(dǎo)通。不同間隙的間隙電極放電參數(shù)見表1～5。

表1 爆炸平面開關(guān)（電極間隙0.1mm）放電參數(shù)Tab.1 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap:0.1mm)

表2 爆炸平面開關(guān)（電極間隙0.2mm）放電參數(shù)Tab.2 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.2mm)

表3 爆炸平面開關(guān)（電極間隙0.3mm）放電參數(shù)Tab.3 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.3mm)

表4 爆炸平面開關(guān)（電極間隙0.4mm）放電參數(shù)Tab.4 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.4mm)

表5 爆炸平面開關(guān)（電極間隙0.5mm）放電參數(shù)Tab.5 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.5mm)

從表 1～5可以看出，隨著開關(guān)回路的充電電壓的升高，開關(guān)回路的峰值電流呈上升趨勢，開關(guān)作用時(shí)間呈下降趨勢，主放電回路的峰值電流變化不大。

開關(guān)回路不同充電電壓與開關(guān)回路峰值電流的關(guān)系如圖4所示，從圖4中可以看出，對于同一間隙的爆炸平面開關(guān)，隨著開關(guān)回路充電電壓的增加，開關(guān)回路峰值電流增加；在相同開關(guān)充電電壓條件下，隨著間隙的增加，開關(guān)回路的峰值電流下降，間隙電極為 0.1mm爆炸平面開關(guān)的開關(guān)回路的峰值電流最大，間隙電極為0.5mm爆炸平面開關(guān)的開關(guān)回路的峰值電流最小。

圖4 開關(guān)回路不同充電電壓與開關(guān)回路峰值電流的關(guān)系Fig.4 Relationship between charge voltage in switching circuit and peak current in switching circuit

圖5為開關(guān)回路不同充電電壓與主放電回路峰值電流的關(guān)系，可以看出，對于同一間隙的爆炸平面開關(guān)，隨著開關(guān)回路充電電壓的增加，主放電回路峰值電流相近；在相同開關(guān)充電電壓條件下，隨著間隙的增加，主放電回路的峰值電流下降，間隙電極為0.1mm爆炸平面開關(guān)的主放電回路的峰值電流最大，間隙電極為0.5mm爆炸平面開關(guān)的主放電回路的峰值電流最小。

圖5 開關(guān)回路不同充電電壓與主放電回路峰值電流的關(guān)系Fig.5 Relationship between charge voltage in switching circuit and peak current in the main discharging circuit

圖 6為開關(guān)回路不同充電電壓與開關(guān)作用時(shí)間的關(guān)系，可以看出，對于同一間隙的爆炸平面開關(guān)，隨著開關(guān)回路充電電壓的增加，開關(guān)作用時(shí)間縮短；在相同開關(guān)充電電壓條件下，隨著間隙的增加，開關(guān)作用時(shí)間增加。由于間隙越小，等離子體相對集中且濃度較大，故能增加爆炸平面開關(guān)的導(dǎo)通能力和導(dǎo)通速度。

圖6 開關(guān)回路不同充電電壓與開關(guān)作用時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between charge voltage in switching circuit and switching time

3 結(jié)論

利用金屬橋箔的電爆炸導(dǎo)通特性，在爆炸橋箔橋區(qū)的兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個導(dǎo)電端，形成十字狀的高壓平面開關(guān)，不僅減小了高壓開關(guān)的體積和簡化制造工藝，并且大大地降低了生產(chǎn)成本，僅為火花隙開關(guān)的幾百分之一。通過上述爆炸平面開關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究，獲得爆炸箔沖擊片雷管用平面開關(guān)的電爆規(guī)律：

（1）對于具有間隙電極的爆炸平面開關(guān)，隨著間隙電極的間隙距離減小，開關(guān)的作用時(shí)間縮短；

（2）對于同一起爆電壓的爆炸平面開關(guān)，隨著放電電極間隙的增大，其沖擊片雷管的爆發(fā)電流呈下降趨勢。

[1]MIL-DTL-23659E 電起爆器通用設(shè)計(jì)規(guī)范[S],2007.

[2]王建華,高敏,曹營軍.高壓開關(guān)及其對沖擊片雷管起爆電流的影響[J].現(xiàn)代引信,1997(2):31-35.

[3]錢勇,褚恩義,任西,等.小體積脈沖功率源及LEEFI發(fā)展研究[J].火工品,2006(6):42-46.

[4]錢勇.爆炸箔沖擊片加載試驗(yàn)裝置及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].西安:中國兵器第二一三研究所,2007.

[5]褚恩義,任西,錢勇,等.爆炸箔沖擊片起爆設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].火工品,2008(3):26-28.

[6]Nickolin T.Highly integrated firing module[C]//43rd Annual Fuze Conference and Munitions Technology Symposium VI.Florida:Hyatt Regency Tampa,1999.