爆炸橋箔加速貯存前后的電爆特性

都振華, 孫新申, 張 蕊, 李 芳, 付東曉, 麻宏亮

(1. 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; 2. 火箭軍裝備研究院, 北京 100085)

1 引 言

爆炸箔起爆器的本質(zhì)安全性高，是國內(nèi)外火工品技術(shù)的研究熱點(diǎn)。國外爆炸箔起爆器(Exploding Foil Initiator，EFI)經(jīng)歷了高能[1](EFI)、低能化小型化[2](Low Energy EFI, LEEFI)、集成化[3](Microchip EFI, McEFI)等階段，并且EFI和LEEFI已經(jīng)大量裝備應(yīng)用。爆炸橋箔作為爆炸箔火工品的核心換能部件之一，國內(nèi)對其材料、形狀、厚度及橋區(qū)尺寸對爆炸箔火工品性能的影響開展大量研究[4-6]。近年來，國內(nèi)對爆炸箔起爆器的集成技術(shù)開展了相關(guān)研究[7-9]，并且已經(jīng)逐步得到應(yīng)用。

隨著國內(nèi)爆炸箔起爆器的大量使用和裝備，必然涉及到其貯存壽命的問題，而爆炸箔起爆器貯存后的性能是否滿足裝備要求國內(nèi)外并沒有相關(guān)文獻(xiàn)報道，作為爆炸箔起爆器的核心器件——爆炸橋箔，其貯存后的性能也鮮有研究。文獻(xiàn)[10]對爆炸橋箔開展了71 ℃加速老化試驗(yàn)，但是僅研究了橋箔電阻和外觀，并沒有研究爆炸橋箔的電爆特性和驅(qū)動飛片的能力。爆炸橋箔作為爆炸箔起爆器的核心換能器件，其貯存后的電爆特性應(yīng)受到關(guān)注，因此對爆炸橋箔開展貯存后的電爆特性分析，對爆炸箔起爆器的設(shè)計、工藝改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

基于此，本研究針對某型爆炸橋箔設(shè)計了其在溫度單因素(90 ℃)和溫濕度雙因素(80 ℃,RH 95%)下的加速壽命試驗(yàn)，利用不同貯存時間下橋箔的形貌分析、電爆特性和飛片速度研究，獲得了不同貯存時間下，橋箔電阻、爆發(fā)電流/電壓和飛片速度的變化情況，為爆炸箔火工品的貯存失效分析、設(shè)計改進(jìn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

以Ni為粘附層電鍍于聚酰亞胺薄膜的Cu箔，采用濕法刻蝕形成X型爆炸橋箔。設(shè)計參數(shù)為：聚酰亞胺基層厚為50m，Ni粘附層厚度為100 nm，Cu箔厚度4.5 μm，橋區(qū)尺寸0.5 mm×0.5 mm。

2.2 貯存試驗(yàn)

根據(jù)GJB736.8-1990 71 ℃試驗(yàn)法開展爆炸橋箔單因素條件下的加速壽命試驗(yàn)，其中試驗(yàn)程序和方法與標(biāo)準(zhǔn)要求一致，但是為了保證失效機(jī)理不變并且縮短試驗(yàn)時間，試驗(yàn)溫度選擇為90 ℃，從第2個月開始每月取樣，共計6個月。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/AH0180-1993 火工品加速壽命試驗(yàn)高溫高濕試驗(yàn)法，開展溫濕度雙因素加速壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為80 ℃和95%的相對濕度，從第2個月開始每月取樣，共計4個月。

2.3 形貌分析

利用佳能EOS 700D相機(jī)、ZVEGA TS5136XM型掃描電鏡(SEM)和INKA-300型能譜分析儀(EDS)，分析貯存前后橋箔的形貌。

2.4 電爆性能試驗(yàn)

分析加速貯存前后橋箔在1500 V的充電電壓和0.22 μF電容下的爆發(fā)電流、爆發(fā)電壓和爆發(fā)時間的變化情況。通過測試電阻、電爆電流、電壓特性，分析貯存前后橋箔電爆性能參數(shù)，試驗(yàn)裝置原理如圖1所示。采用羅果夫斯基線圈記錄電流波形，橋箔兩端并聯(lián)分壓器記錄電壓波形。通過示波器記錄二者的波形，并且讀出橋箔的爆發(fā)時間。

圖1橋箔發(fā)火試驗(yàn)裝置示意圖

Fig.1Sketch of foil ignition device

2.5 飛片測速試驗(yàn)

利用南京理工大學(xué)研制的光子多普勒測速系統(tǒng)(PDV)測試貯存前后爆炸橋箔的飛片速度。試驗(yàn)原理、裝置、測試方法和數(shù)據(jù)處理方法見文獻(xiàn)[11]。

試驗(yàn)樣品是將加速貯存后的爆炸橋箔橋區(qū)上熱壓厚度為12.5 μm的聚酰亞胺飛片層，粘附于陶瓷電極塞上，橋區(qū)上粘附內(nèi)孔徑為Φ0.5 mm×0.5 mm的不銹鋼加速膛，橋區(qū)正對加速膛內(nèi)孔，圖2為試驗(yàn)樣品設(shè)計圖和實(shí)物圖。

圖2試驗(yàn)樣品設(shè)計圖及實(shí)物照片

1—腳線， 2—電極塞殼體， 3—玻璃， 4—陶瓷背板， 5—橋箔， 6—焊點(diǎn)， 7—加速膛

Fig.2Design sketch and physical photo for test sample

1—pin, 2—shell of electrode plug, 3—glass, 4—ceramic wafer, 5—exploding foil, 6—welding sopt, 7—barrel

3 結(jié)果與討論

3.1 橋箔的形貌分析

圖3為高溫(90 ℃)和高溫高濕(80 ℃,RH 95%)條件下加速貯存前后的橋箔照片。從圖3可以看出，橋箔經(jīng)高溫貯存后的橋箔表面并沒有發(fā)現(xiàn)顯著變化，但高溫高濕條件下的橋箔表面顯著變色，濕度加速了橋箔的氧化。

a. before agingb. aging at 90 ℃c. aging at 80 ℃,RH 95%

圖3橋箔加速貯存前后的照片

Fig.3Foil pictures before and after aging

圖4為橋箔的SEM和能譜分析結(jié)果。由圖4可知，加速貯存前，橋箔表面光潔，能譜譜圖中銅元素在特征能量處出現(xiàn)特征峰(圖4a)，沒有其他雜質(zhì)元素。高溫貯存后，橋箔的能譜分析發(fā)現(xiàn)氧元素(圖4b)，表明橋箔表面發(fā)生了氧化。高溫高濕貯存后，SEM下橋箔表面出現(xiàn)多處暗點(diǎn)，能譜分析發(fā)現(xiàn)暗點(diǎn)中存在除氧元素外，還存在大量的氯元素，少量的S、K等元素(圖4c)，橋箔上其他暗點(diǎn)均含有氯元素，而且，氯元素含量較高的暗點(diǎn)中氧元素的含量也高。由于氯元素的存在，加劇了橋箔的氧化。分析認(rèn)為，氯元素對橋箔造成的污染存在幾方面的可能原因，一是橋箔利用FeCl3濕法刻蝕時，沾染了雜質(zhì)； 二是橋箔制備過程中操作不當(dāng)被汗液污染，因此在橋箔的制備和測試中，應(yīng)避免工藝和人為因素對橋箔質(zhì)量一致性的影響。

a. before aging

b. aging at 90 ℃

c. aging at 80 ℃,RH 95%

圖4加速貯存前后橋箔的SEM和能譜分析

Fig.4SEM pictures and energy spectrum analysis for foil before and after aging

圖5為加速貯存后橋箔斷面的SEM圖和能譜圖。從圖5可以看出，橋箔表面氧元素的含量較內(nèi)部的高，進(jìn)一步證明了橋箔表面發(fā)生了氧化。

3.2 電爆特性研究

橋箔的爆發(fā)特性主要包括爆發(fā)電流、爆發(fā)時間、峰值電流和爆發(fā)電壓，通常能量利用率較高的橋箔發(fā)火電路中，爆發(fā)電流和峰值電流是重合的，這些特征量影響著爆炸箔起爆器的性能。

圖6為5發(fā)橋箔電爆參數(shù)均值隨加速貯存時間的關(guān)系。由圖6a可知，橋箔在高溫(90 ℃)和高溫高濕(80 ℃,RH 95%)條件下，橋電阻隨貯存時間的增大電阻呈增大趨勢，而且高溫高濕貯存后增大更多，電阻均值由貯存前的30.3 mΩ上升至66.8 mΩ，這是因?yàn)闈穸拳h(huán)境加速了橋箔的氧化，導(dǎo)致電阻增大。圖6b為爆發(fā)電流峰值，其中爆發(fā)電流分布于1590～1700 A，未發(fā)生明顯的變化，高溫高濕條件下，橋箔的爆發(fā)電流稍低于高溫條件下。圖6c為爆發(fā)電壓峰值，爆發(fā)電壓利用分壓器測得，除了本身的測量誤差外，爆發(fā)電壓的變化范圍較寬，高溫高濕貯存后橋箔的爆發(fā)電壓顯著低于高溫貯存的結(jié)果。圖6d為爆發(fā)時間，分布于180～220 ns，加速老化試驗(yàn)前后未發(fā)生顯著變化。這主要是因?yàn)樵谕话l(fā)火裝置中，電感基本相同，周期不變，因此爆發(fā)時間基本相同。從高溫和高溫高濕貯存后的爆發(fā)數(shù)據(jù)來看，除了電阻顯著增大，爆發(fā)電壓顯著降低外，其他參數(shù)并未發(fā)生顯著變化。

a. SEM picture of foil section

b. energy spectrum of Ni/Cu/O elements

圖5橋箔斷面的SEM圖和能譜圖

Fig.5SEM picture and energy spectrum analysis of foil section

圖7為發(fā)火試驗(yàn)中的典型爆發(fā)電流/電壓波形和溫濕度貯存后橋箔爆發(fā)的異常電流/電壓波形。對比圖7a和圖7b可知，圖7b爆發(fā)電流曲線上無法分辨峰值電流和爆發(fā)電流，爆發(fā)電壓曲線未出現(xiàn)爆發(fā)時的尖峰。說明高溫高濕貯存后，橋箔的爆發(fā)受到了顯著影響。由于橋箔在高溫高濕條件下的加速貯存，導(dǎo)致橋箔表面發(fā)生了不同程度的氧化，氧化層深淺不一，導(dǎo)致橋箔電爆曲線異常，電流曲線未出現(xiàn)爆發(fā)時的小拐點(diǎn)，并且未測得爆發(fā)電壓。圖8為加速貯存前后橋箔爆發(fā)后橋區(qū)的SEM圖片。從圖8a中可以看出，未經(jīng)貯存的橋箔爆發(fā)后，橋氣化區(qū)的兩端形成了較小的外翻，聚酰亞胺的基底層因橋箔爆發(fā)形成了孔洞。高溫貯存后，氣化區(qū)兩端外翻增大，說明橋箔的附著力稍有降低，但是仍不影響橋箔的正常爆發(fā)，基底被打穿。高溫高濕貯存后，橋區(qū)爆發(fā)后的一端橋箔嚴(yán)重外翻且顯著翹起，橋箔在聚酰亞胺層上的附著力降低，在基底層上未形成孔洞，進(jìn)一步證明了橋箔的爆發(fā)能力顯著降低。

a. resistance

c. burst vlotage

b. burst current

d. burst time

圖6不同加速條件下橋箔電爆參數(shù)隨加速貯存時間的關(guān)系

Fig.6Burst performance vs aging time under different aging condition

a. normal wave

b. abnormal wave

圖7橋箔爆發(fā)電流和電壓波形

Fig.7Current and voltage wave of Cu foil performance

a. before agingb. after aging at 90 ℃c. after aging at 80 ℃,RH 95%

圖8橋箔加速貯存前后的照片

Fig.8Foil pictures before and after aging

3.3 飛片速度研究

利用PDV飛片測速系統(tǒng)對貯存后的橋箔進(jìn)行了飛片測速研究。圖9給出了典型的測速波形，圖10是不同貯存時間和貯存條件下3發(fā)樣品的飛片測速均值結(jié)果的對比圖。從圖10可以看出，無論高溫貯存或高溫高濕貯存后，飛片速度均出現(xiàn)了下降的趨勢，飛片速度由加速貯存前的3600 m·s-1降至2100 m·s-1(90 ℃)和1200 m·s-1(80 ℃,RH 95%)。這可能是因?yàn)橘A存對橋箔的氧化和Cu在基底層附著能力的降低影響了橋箔驅(qū)動飛片的能力，另外，由于橋箔的氧化，爆發(fā)時用于產(chǎn)生等離子體的Cu元素減少，可能導(dǎo)致等離子體濃度降低，這也是飛片速度降低的可能原因之一。高溫高濕貯存后的橋箔飛片速度下降更為顯著，說明溫濕度環(huán)境對飛片速度的影響更大。

圖9典型飛片速度波形

Fig.9Typical wave of foil velocity

圖10不同貯存條件和貯存時間下飛片速度均值對比圖

Fig.10Comparison chart of foil velocity of different time and aging condition

4 結(jié) 論

(1) 橋箔貯存后，因表面氧化，橋區(qū)電阻顯著增大，雜質(zhì)元素例如氯元素的引入會加速橋箔的氧化。

(2) 貯存前后橋箔的爆發(fā)特性研究表明溫度對橋箔的爆發(fā)參數(shù)影響不大，但溫、濕度導(dǎo)致橋箔的爆發(fā)電壓顯著降低。

(3) 爆發(fā)后橋箔的形貌分析表明，貯存后，橋箔在聚酰亞胺基底的附著力降低，溫濕度對其附著力影響顯著。

(4) 飛片測速結(jié)果表明，經(jīng)加速貯存后的橋箔飛片速度均顯著降低，溫濕度貯存條件對飛片速度降低的影響更為顯著。

致謝： 感謝南京理工大學(xué)化工學(xué)院的朱朋博士等對飛片測速提供的幫助。

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