王 猛，何 碧，蔣 明，覃文志

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

PVDF薄膜（聚偏氟乙烯薄膜）具有很強的壓電性能，在其表面噴鍍或涂飾微米厚的鋁形成電極，即可構(gòu)成PVDF壓電薄膜傳感器，其具有薄而柔軟、響應(yīng)快、測壓范圍大、無源、靈敏度高等優(yōu)良性能，故在爆炸和沖擊領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

激光驅(qū)動飛片起爆炸藥是利用高能激光輻照鍍在光學(xué)玻璃或光纖末端的金屬薄膜，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體膨脹推動殘余薄片，最終撞擊炸藥實現(xiàn)起爆。該技術(shù)具有時間控制精度高、響應(yīng)迅速、抗電磁干擾的優(yōu)勢，可滿足現(xiàn)代火工品的發(fā)展需求[2]。

激光驅(qū)動飛片能否成功起爆炸藥，主要取決于飛片撞擊炸藥的沖擊應(yīng)力p和持續(xù)脈沖時間τ[3]。對這兩個參數(shù)的獲得，普遍采用測試飛片最大速度和殘余飛片厚度，進而應(yīng)用相關(guān)的經(jīng)驗公式展開計算得到[4-5]。本文利用 PVDF薄膜的壓電效應(yīng)，制作成經(jīng)濟簡單的應(yīng)力計，用于激光驅(qū)動飛片沖擊應(yīng)力的直接測試，并對其相關(guān)特性展開研究。

1 PVDF應(yīng)力計測試技術(shù)

1.1 實驗原理

PVDF應(yīng)力計受到?jīng)_擊載荷p時，其表面會產(chǎn)生電荷Q。現(xiàn)已證明在 0～10GPa的壓力范圍之間，p和Q呈單值函數(shù)關(guān)系[6]：

式（1）中：K為動態(tài)壓電系數(shù)，對于不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計來說，其數(shù)值略有不同，實驗前需對其展開標(biāo)定。A為應(yīng)力計敏感部分面積，本實驗中為飛片的表面積。

PVDF應(yīng)力計的測試電路一般有兩種模式，即電流模式和電荷模式。在電流模式中，PVDF受壓產(chǎn)生的電荷通過與其并聯(lián)的電阻R放電，示波器讀出的為電阻R兩端的電壓值，對輸出的電壓信號展開積分后，即為PVDF應(yīng)力計受沖擊產(chǎn)生的電荷隨時間的變化曲線。而在電荷模式中，PVDF應(yīng)力計通過與并聯(lián)的電容放電，示波器顯示的電壓值與沖擊壓力是成正比的，測量結(jié)果直觀，不用數(shù)值積分。本實驗采用電荷模式測量電路，見圖1。

圖1 電荷模式測量電路Fig.1 Measuring circuit of charge mode

PVDF應(yīng)力計等效為一個電壓源與一個電容Cg的串聯(lián)。Rm為匹配電阻（50?），與特性阻抗為50?的電纜相匹配，以免在長電纜傳輸時引起波形振蕩。

設(shè)示波器輸入電阻RB=1M?，RB＞＞Rm，C＞＞Cg：

1.2 PVDF應(yīng)力計制作和標(biāo)定

采用錦州電子材料廠生產(chǎn)的PVDF壓電薄膜（厚50μm，雙面鍍鋁），自制了PVDF應(yīng)力計。應(yīng)力計采用純銀引線，引線與PVDF薄膜之間通過聚酰亞胺膠帶進行雙面粘結(jié)，聚酰亞胺薄膜也起著保護PVDF敏感部分不受沖擊損壞的作用。制成的應(yīng)力計厚 0.15 mm左右。

該PVDF應(yīng)力計制作工藝簡單，制作成本很低，適合于實驗使用。為了實驗數(shù)值的準(zhǔn)確可信，采用霍普金森壓桿，對該PVDF應(yīng)力計的動態(tài)壓電系數(shù)K展開標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見圖 2。由標(biāo)定曲線可知，自制PVDF應(yīng)力計動態(tài)壓電系數(shù)K為9.92pC/N。

圖2 應(yīng)力計動態(tài)標(biāo)定曲線Fig.2 Dynamic calibration curve of PVDF stress gage

2 激光驅(qū)動飛片沖擊應(yīng)力測試

2.1 實驗裝置

實驗所用激光器為INNOLAS公司生產(chǎn)，激光器輸出激光脈寬8ns，波長1 064nm，激光輸出能量穩(wěn)定。加速膛內(nèi)徑Φ1.0mm，長度0.5mm，材料為不銹鋼。復(fù)合飛片的隔熱層氧化鋁采用蒸鍍方式制備，其它各層均采用高真空磁控濺射方式制備完成。并聯(lián)電容C為0.1pF。

圖3 PVDF測壓實驗裝置Fig.3 PVDF experimental device

2.2 實測沖擊應(yīng)力波形分析

實驗中，選用了 0.3μm/0.7μm/2.5μm、0.3μm/0.7μm /4.5μm的復(fù)合飛片和5.5μm厚的單層鋁飛片。復(fù)合飛片為“三明治”結(jié)構(gòu)，隔熱層采用氧化鋁，應(yīng)用離子束蒸發(fā)方式制備而成，前兩層保持參數(shù)一致，最后一層厚度有所不同。為了實驗結(jié)果的可比性，單層飛片和復(fù)合飛片總厚度保持一致。

圖 4～9為兩種參數(shù)的復(fù)合飛片在不同激光能量密度下的沖擊應(yīng)力波形，可明顯看出，復(fù)合飛片沖擊應(yīng)力波形均存在3個明顯的峰值，其中前兩個峰有很大的相似性，它們的峰值高低均只與激光能量密度的高低有關(guān)。飛片在激光輻照下，會發(fā)生燒蝕、汽化現(xiàn)象，進而產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體向外迅速膨脹壓縮周圍空氣，從而形成激光誘導(dǎo)沖擊波，沖擊波掃過的氣體區(qū)域會受到?jīng)_擊壓縮。激光誘導(dǎo)沖擊波在空氣中會隨著距離產(chǎn)生一定的衰減，并且該沖擊波應(yīng)力高低僅與激光能量密度有關(guān)[7]。據(jù)此可推斷復(fù)合飛片應(yīng)力波形中，前兩個峰為激光誘導(dǎo)沖擊波產(chǎn)生。

圖4 0.3μm /0.7μm/2.5μm飛片在10.33J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.4 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 10.33J/cm2

圖5 0.3μm /0.7μm/4.5μm飛片在10.33J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.5 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 10.33J/cm2

圖6 0.3μm /0.7μm/2.5μm飛片在21.31J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.6 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 21.31J/cm2

圖7 0.3μm/0.7μm /4.5μm飛片在21.31J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.7 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 21.31J/cm2

圖8 0.3μm/0.7μm /2.5μm飛片在42.25J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.8 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /2.5μm flyer at 42.25J/cm2

圖9 0.3μm/0.7μm /4.5μm飛片在42.25J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.9 The stress curve of 0.3μm /0.7μm /4.5μm flyer at 42.25J/cm2

圖10、圖11為單層鋁飛片沖擊應(yīng)力波形圖。

圖10 5.5μm單層飛片在10.33J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.10 The stress curve of 5.5μm single flyer at 10.33J/cm2

圖11 5.5μm單層飛片在21.31J/cm2時輸出應(yīng)力波形Fig.11 The stress curve of 5.5μm single flyer at 21.31J/cm2

圖10～11可見，相較于復(fù)合飛片，單層飛片明顯少了1個高峰。而第1個高峰的峰值、出峰時間與復(fù)合飛片中第2個高峰的相關(guān)數(shù)值一致。由于單層飛片中沒有氧化鋁隔熱層的存在，因此沒有等離子體膨脹壓縮產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)沖擊波在氧化鋁中的傳播。單層飛片沖擊應(yīng)力波形中的第2個峰為激光驅(qū)動飛片撞擊PVDF應(yīng)力計產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力。

從飛片沖擊應(yīng)力持續(xù)時間上分析，在相同能量下，飛片層為4.5μm的復(fù)合飛片撞擊應(yīng)力持續(xù)時間是飛片層為2.5μm的約1.5倍，而飛片層厚度前者約為后者的1.571倍，說明飛片撞擊應(yīng)力持續(xù)時間與飛片厚度是成正比的。總體來說，飛片沖擊應(yīng)力持續(xù)時間在復(fù)合飛片中會隨著激光能量的增加而略有增加（圖4～9），在單層飛片中則逐步降低（圖10～11），這是由于單層飛片沒有隔熱層作保護，激光能量越大，燒蝕越多，飛片越薄，沖擊應(yīng)力持續(xù)時間便會相應(yīng)地縮短。圖12為復(fù)合飛片與單層飛片的沖擊應(yīng)力對比。

圖12 復(fù)合飛片與單層飛片最大沖擊應(yīng)力對比Fig.12 Comparison of maximal stress between multi-flyer and single-flyer

從圖12中可看出，在復(fù)合飛片中，由于隔熱層的存在，保證了飛片的完整程度，并一定程度上提升了飛片的速度，使得復(fù)合飛片沖擊應(yīng)力比單層飛片有大幅度的提升。在復(fù)合飛片中，飛片層厚度越厚，飛片沖擊應(yīng)力越高，應(yīng)力持續(xù)時間越長。因此，在激光驅(qū)動飛片起爆系統(tǒng)的設(shè)計中，飛片部分應(yīng)選用較厚的復(fù)合飛片，這樣可有效提升飛片的沖擊應(yīng)力，并能保證該應(yīng)力的持續(xù)時間，這對于激光驅(qū)動飛片成功起爆炸藥是非常有利的。

2.3 測試中的注意事項

（1）測試中采用了長約10m的50?低噪聲電纜，相對于本實驗測試信號的上升前沿屬于長電纜，因而測量電路必須考慮匹配。

（2）電荷模式相較于電流模式，具有測量結(jié)果直觀、不用數(shù)字積分、測試低電荷量精準(zhǔn)、可對較小信號進行測量的優(yōu)點。對于飛片沖擊應(yīng)力的測試，測試電路應(yīng)選用電荷模式。

（3）壓電薄膜在剪裁中，應(yīng)避免薄膜邊緣產(chǎn)生不平或毛刺，并采用同種材質(zhì)的金屬作為引線，以免實驗時產(chǎn)生較強的干擾信號，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

自制 PVDF應(yīng)力計在激光驅(qū)動飛片沖擊應(yīng)力的測量上是可行的，在應(yīng)力波形的測量上，PVDF應(yīng)力計響應(yīng)快、分辨率高。分析飛片沖擊應(yīng)力波形，可知飛片沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力是在激光誘導(dǎo)沖擊波之后產(chǎn)生。復(fù)合飛片的沖擊應(yīng)力比單層飛片高，并能保證一定的脈沖持續(xù)時間。飛片越厚，沖擊應(yīng)力越大，持續(xù)時間越長。在激光驅(qū)動飛片起爆系統(tǒng)的設(shè)計中，飛片部分應(yīng)采用較厚的復(fù)合飛片，這對于系統(tǒng)的工程化、小型化是有利的。

[1]李焰,王凱民,譚紅梅. PVDF應(yīng)力計在起爆試驗研究中的應(yīng)用[J].火工品,2003(3): 6-10.

[2]Kennedy, James E. Motivation for laser detonator and firing system developments[C]//Proc.of SPIE.San Diego: CA,2006.

[3]Walker F E, Wasley R J. Critical energy for shock initiation of heterogeneous explosives[J].Explosive Stoffe, 1969, 17(1):9.

[4]孫承偉,莊仕明,王春彥. 激光驅(qū)動飛片沖擊引爆炸藥的計算[J].強激光與粒子束,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]陳朗,魯建英,伍俊英.激光支持爆轟波[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2011.