王 窈，王　猛，付秋菠，郭　菲，呂軍軍

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沖擊片雷管中圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片能力的試驗研究

王 窈，王猛，付秋菠，郭菲，呂軍軍

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽，621900）

利用磁控濺射和光刻工藝制備了圓形爆炸箔，采用光子多普勒測速系統(tǒng)（PDV）對方形爆炸箔和圓環(huán)形爆炸箔進行飛片速度測試，并開展了圓環(huán)形爆炸箔特征尺寸對飛片動能和速度的影響規(guī)律研究。研究表明：相比方形爆炸箔，圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片獲得的飛片速度高；影響飛片動能的主要因素為圓環(huán)形爆炸箔面積和圓環(huán)寬度，飛片動能隨著圓環(huán)寬度的減小相應增加，當圓環(huán)寬度為0.14mm時，飛片動能達到最大。

圓形爆炸箔；飛片速度；飛片動能；特征尺寸

沖擊片雷管具有安全性高、環(huán)境適應性強、作用時間短等優(yōu)點，能抗靜電、雜散、射頻，已成為國內外研究的熱點［1］。沖擊片雷管利用大電流刺激爆炸箔產生等離子體，等離子體迅速膨脹，驅動飛片高速運動，飛片通過加速膛剪切，高速撞擊炸藥柱，使其發(fā)生爆炸。整個作用過程中，爆炸箔是能量轉換的元件，將電能轉換為飛片動能，因此爆炸箔的能量轉換能力是炸藥能否起爆的關鍵影響因素之一。其中爆炸箔的形狀影響能量沉積、能量利用率和飛片速度，是國內外關注的研究方向［2］。

美國洛斯阿拉莫斯實驗室［3］最初設計的爆炸箔形狀是橋長為橋寬1/2的長方形，研究表明能量利用率不高，進而對爆炸箔尺寸進行調整，將其形狀確定為正方形形狀。國內至今沿用這一結果，大多數爆炸箔采用正方形結構，并且通過改變爆炸箔的尺寸、加速膛的孔徑和厚度進行匹配優(yōu)化工作［4-6］。國外進行了其它形狀爆炸箔的研究工作，美國 Tanner實驗室［7］設計了方波形的爆炸箔，發(fā)火電壓僅為1 250V，提高了系統(tǒng)的能量利用率，但是沒有提及具體的設計參數和作用機理。2001年，美國設計了環(huán)形橋區(qū)的爆炸箔［8］，研究表明，相比其他形狀爆炸箔驅動飛片，環(huán)形橋區(qū)爆炸箔驅動的飛片有更高的平整度，撞擊炸藥時會產生更大的壓力，因此可以提高沖擊片雷管的發(fā)火可靠性并降低其發(fā)火能量，但是并沒有對圓環(huán)形爆炸箔的特征尺寸進行系統(tǒng)的研究。國內對于異形爆炸箔的研究工作開展較晚，錢勇［9］對3種不同橋翼形狀的爆炸箔進行了比較分析，試驗表明橋翼形狀為圓形獲得的爆發(fā)電流密度最大，對應的飛片速度最高，但只改變了橋翼形狀，橋區(qū)形狀仍沿用正方形結構。

對于起爆臨界直徑較大、較鈍感的炸藥，相匹配的正方形爆炸箔的尺寸設計需較大（寬度～10mm），需要上萬安培的脈沖電流方可起爆，起爆能量高［10-11］、起爆系統(tǒng)體積較大，不利于武器的小型化發(fā)展。但圓環(huán)形爆炸箔可以通過特征尺寸（圓環(huán)直徑、爆炸箔面積與圓環(huán)寬度）的設計，驅動相匹配的大直徑飛片，同時，需要的起爆能量可低于傳統(tǒng)爆炸箔。

本文以橋區(qū)形狀為圓環(huán)形的爆炸箔為研究對象，開展圓環(huán)形爆炸箔特征尺寸對飛片速度和飛片動能的影響規(guī)律研究，獲得影響圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片能力的關鍵因素。

1　樣品制備及爆炸箔驅動能力測試

沖擊片雷管主要包含爆炸箔、加速膛、飛片和始發(fā)藥4部分。設計思路為：加速膛直徑應與爆炸箔寬度相當，飛片厚度為橋箔厚度的5～10倍，而加速膛的直徑直接決定飛片的直徑，所以對于固定尺寸的正方形橋箔只能驅動一種直徑的飛片。對于圓環(huán)形橋箔，在爆炸箔面積相等的情況下，通過改變圓環(huán)型橋箔內外圓環(huán)的直徑，匹配不同直徑的加速膛，利用先進的測速手段，可以獲得不同特征尺寸的圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片的速度和動能。

以陶瓷電極塞（99Al2O3）為基底，利用磁控濺射技術在基底上沉積Cu箔。沉積前基底分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗5min后，放入烘箱中，烘干待用。Cu箔的工作氣壓為 0.6Pa、氬氣流量為30sccm、濺射功率為150W，沉積速率為30nm/min。利用正膠刻蝕工藝獲得Cu圓形爆炸箔，見圖1，其中Cu箔的厚度為4μm，飛片材料為聚酰亞胺，厚度為 50μm。制備不同特征尺寸的圓環(huán)形爆炸箔，并匹配相應尺寸的加速膛和飛片，具體參數見表1。

圖1　圓環(huán)形爆炸箔實物圖Fig.1　The picture of annular exploding foil

表1　爆炸箔組件參數匹配Tab.1　Paramter of assembly exploding foil

利用電容儲能焊接工藝對爆炸箔、飛片、加速膛進行焊封，獲得爆炸箔組件。利用光子多普勒測量系統(tǒng)（PDV），對裝配完成的爆炸箔組件進行飛片速度測試［12］，PDV測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　PDV測速系統(tǒng)實物圖Fig.2　The picture of PDV system for velocity testing

2　結果與討論

2.1測試結果

利用電容放電對爆炸箔組件進行起爆，并用PDV對飛片速度展開測試。起爆條件為：充電電壓為2.5kA，電容為0.22μF，峰值電流為3.2kA。在此起爆條件下，進行短路電流的測試。按照R-L-C電路放電理論公式［13］，可計算出整個起爆回路的電感為 281 nH，電阻為332m?。

根據表1中的匹配參數，裝配了圓環(huán)形爆炸箔組件，并進行飛片速度測試，為了與傳統(tǒng)的方形爆炸箔進行比較，同時裝配了方形爆炸箔（表2中7#），飛片速度測試結果見表2。通過改變圓環(huán)形爆炸箔中的橋箔尺寸和加速膛尺寸，即可實現圓環(huán)形爆炸箔對不同直徑飛片的驅動。由于在利用PDV對飛片速度的測試中，通過載玻片收集到了完整的飛片，因此，飛片的動能可以根據動能計算公式獲得。

表2　飛片速度與動能測試結果Tab.2　Velocity and kinetic energy of flyer

表2中的試驗數據表明，影響飛片動能的主要因素為圓環(huán)的寬度和爆炸箔的面積，當圓環(huán)寬度為0.14mm時，飛片動能達到最大0.43mJ；而當圓環(huán)寬度增大到 0.30mm時，飛片動能會相應減小，為0.184mJ。圓環(huán)形爆炸箔中，圓環(huán)寬度越小，飛片的動能越大，分析認為，這是由于在輸入爆炸箔電壓一定的條件下，圓環(huán)寬度越小，流過圓環(huán)的電流密度就越大，橋箔爆發(fā)得就越完全，產生的等離子體就越多，最終導致橋箔輸出能力增加，驅動飛片達到的速度越大，飛片動能越高。進一步分析，發(fā)現影響飛片速度的主要因素為圓環(huán)形爆炸箔的面積、圓環(huán)寬度和飛片直徑，爆炸箔面積和圓環(huán)寬度影響等離子體驅動飛片的壓力，飛片直徑影響飛片的重量，從而影響飛片的速度。在3.2kA的脈沖電流下，當圓環(huán)形爆炸箔的尺寸為0.4mm/0.8mm，飛片尺寸為Φ0.8mm時，圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片達到的速度最大，可達4 163m/s。

2.2圓環(huán)寬度對飛片速度的影響研究

將表2中序號為3#和4#、5#和6#的兩組圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片的加速歷程進行處理，獲得圓環(huán)形爆炸箔圓環(huán)寬度對飛片速度的影響規(guī)律，如圖3所示。分析發(fā)現，在相同的輸入能量和橋箔面積下，飛片速度隨著圓環(huán)寬度的減小而相應增加。圖3（a）中橋箔面積均為0.6mm×0.6mm，當圓環(huán)寬度為0.14mm時，驅動飛片的速度可達到 3 936m/s，當圓環(huán)寬度增加至0.20mm時，驅動飛片的速度為2 906m/s，與0.14mm圓環(huán)寬度的爆炸箔相比，其速度減小將近1km/s左右。進一步研究發(fā)現，此結論同樣適用于 0.8mm×0.8mm橋箔面積的圓環(huán)形爆炸箔。如圖3（b）所示，當圓環(huán)寬度從0.30mm減小到0.21mm，驅動飛片的速度提高了800m/s左右。綜上所述，在圓環(huán)形爆炸箔中，圓環(huán)寬度越小，驅動飛片的速度越高。分析認為，在同樣的起爆輸入條件下，圓環(huán)寬度減小會使Cu箔在圓環(huán)上的電流密度提高，導致橋箔爆發(fā)更加完全，等離子體輸出能力得到增強，驅動飛片的壓力得到了提高，最終驅動飛片的速度得到了提高。

圖3　不同圓環(huán)寬度爆炸箔獲得的飛片速度歷程曲線Fig.3　Velocity curve of flyer driven by annular exploding foil with different annular width

2.3爆炸箔面積對飛片速度的影響研究

在圓環(huán)形爆炸箔中，除圓環(huán)寬度外，圓環(huán)形爆炸箔中爆炸箔的面積也影響驅動飛片的速度。假設輸入的脈沖電流足夠將圓環(huán)形爆炸箔全部等離子體化，爆炸箔的面積越大，高溫高壓等離子體驅動能力就會增加，驅動飛片的壓力會得到提高，驅動飛片達到的速度就越高，更加有利于實現炸藥的沖擊起爆。分析表2中的3#、6#數據，可以發(fā)現，當圓環(huán)形爆炸箔的圓環(huán)寬度一致時（均為0.20mm），改變爆炸箔的面積，使其從0.6mm×0.6mm增加到0.8mm×0.8mm，飛片的速度提高近200m/s，如圖4所示。分析認為，飛片速度變化不明顯的原因為：0.8mm×0.8mm的圓環(huán)爆炸箔驅動的飛片直徑為1.2mm，而0.6mm×0.6mm的圓環(huán)形爆炸箔驅動的飛片直徑為1.0mm，飛片直徑的增加導致了飛片重量的增加，盡管圓環(huán)形爆炸箔的面積有所增加，驅動能力有所增強，但飛片重量的同時增加，導致了飛片速度提升不明顯。進一步分析發(fā)現，雖然驅動飛片的速度提升不明顯，但飛片動能增加了1.7倍左右，如表2所示。綜上所述，推動大直徑的飛片可以通過改變圓環(huán)形爆炸箔尺寸得到實現，而爆炸箔可驅動的飛片直徑越大，越有利于實現起爆臨界尺寸較大的鈍感炸藥。

圖4　不同面積的爆炸箔獲得的飛片速度歷程曲線Fig.4　Velocity curve of flyer driven by different area exploding foil

2.4飛片直徑對飛片速度的影響研究

通過表2中1#和3#的圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片能力的試驗結果，對比分析1#、3#爆炸箔驅動飛片的加速歷程，如圖5所示。

圖5　爆炸箔驅動不同直徑的飛片獲得的速度歷程曲線Fig.5　Velocity curve of flyer with different diameter

由圖5可見，當圓環(huán)形爆炸箔面積和圓環(huán)寬度一致時，改變加速膛的直徑，可以獲得同一圓環(huán)形爆炸箔與不同直徑飛片的匹配規(guī)律。當飛片直徑減小0.2mm時，驅動飛片的速度可提高1km/s左右。分析認為，依據能量守恒定律，在爆炸箔特征尺寸和輸入起爆條件一致時，等離子體驅動飛片的壓力可保持一致。飛片直徑越小，飛片重量就越小，等離子體驅動壓力一致時，驅動重量小的飛片達到的飛片速度會相應增加。

2.5爆炸箔形狀對飛片速度的影響研究

圓環(huán)形爆炸箔相比于傳統(tǒng)的正方形爆炸箔，更有利于驅動大直徑飛片。表2表明，采用傳統(tǒng)的正方形橋箔，當橋箔尺寸為0.6mm×0.6mm×0.004mm時，在3.2kA的輸入起爆條件下，驅動φ0.8mm×0.05mm的聚酰亞胺飛片，飛片可達到的速度為3 027m/s。但在同樣的輸入起爆條件下，采用圓環(huán)形爆炸箔，驅動直徑仍為φ0.8mm×0.05mm的聚酰亞胺飛片，飛片可達到的速度為4 163m/s，與正方形爆炸箔相比，驅動飛片的速度提高了近1km/s。分析認為，正方形爆炸箔電爆時，整個橋區(qū)全部等離子化，當作用在圓形飛片上時，方形爆區(qū)的4個角會有能量耗散的情況出現，等離子體能量并未得到充分利用。正方形爆炸箔若需推動大直徑飛片，必須匹配大尺寸的正方形爆炸箔，如推動直徑為1mm的飛片，爆炸箔橋區(qū)的尺寸至少達 1mm×1mm。前期研究發(fā)現，0.6mm×0.6mm ×0.004mm尺寸的Cu橋箔若電爆完全，輸出脈沖電流應不低于3.0kA，如將1mm×1mm×0.004mm的橋箔等離子化，則所需爆發(fā)電流將遠高于3.0kA。而采用圓環(huán)形爆炸箔，則可以根據擬驅動的飛片直徑，對圓環(huán)形爆炸箔的外環(huán)直徑展開匹配性設計，并根據輸入起爆的條件對圓環(huán)的寬度和爆炸箔面積展開設計，從而實現對大直徑飛片的驅動。

3　結論

采用PDV測速系統(tǒng)，對正方形爆炸箔和圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片的速度展開測試，結果表明：（1）圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片達到的飛片速度和動能更高。（2）通過改變圓環(huán)形爆炸箔的特征尺寸，可實現驅動不同直徑的飛片。相比于傳統(tǒng)的方形爆炸箔，圓環(huán)形爆炸箔更有利于驅動大直徑飛片，利用圓環(huán)形爆炸箔有望降低現有沖擊片雷管的起爆能量，提高起爆可靠性，并實現更鈍感炸藥的起爆。（3）獲得了圓環(huán)形爆炸箔的特征尺寸對飛片速度和動能的影響規(guī)律：飛片動能的主要影響因素為圓環(huán)寬度和爆炸箔面積，飛片動能隨著圓環(huán)寬度的減小而提高，當圓環(huán)寬度為0.14mm時，飛片動能最高可達0.43mJ；影響飛片速度的因素為飛片的直徑、爆炸箔面積和圓環(huán)寬度，爆炸箔面積大、圓環(huán)寬度小，驅動飛片的速度可得到提高。（4）在輸入脈沖電流為3.2kA的條件下，0.40mm /0.80mm的圓環(huán)形爆炸箔驅動Φ0.8mm飛片可達到的速度最高，為4 163m/s。

通過對圓環(huán)形爆炸箔的初步設計與試驗測試，獲得了影響圓環(huán)形爆炸箔驅動飛片能力的關鍵尺寸，后續(xù)將通過數值模擬、試驗驗證、新試驗手段測試等方式，對圓環(huán)形爆炸箔的電爆性能、飛片速度與爆炸箔特征參數的匹配關系展開更系統(tǒng)深入的研究，以期獲得爆炸箔特征尺寸與驅動能力的匹配關系。

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Study on Driving Ability of Annular Exploding Foil in Slapper Detonator

WANG Yao， WANG Meng， FU Qiu-bo， GUO Fei， Lü Jun-jun
（Institute of Chemical Materials， CAEP， Mianyang， 621900）

The annular exploding foil is fabricated by magnetron sputtering and lithography technology. The velocity of flyer for annular exploding foil and traditional square exploding foil was tested by photonic dopplar velocimetry （PDV） system，and the influence of characteristic parameters of annular exploding foil on the velocity and kinetic energy has been implemented. In comparison to traditional square exploding foil， the velocity of flyer driven by annular exploding foil is higher. It is found that the main parameters are exploding foil area and annular width， which affect the kinetic energy of flyer. The kinetic energy of flyer increases with the decrease of the width of annular. The maximum kinetic energy of flyer is achieved with the width annular of 0.14mm.

Annular exploding foil；Velocity of flyer；Kinetic energy of flyer；Characteristic parameters

TJ450.3

A

1003-1480（2015）06-0005-05

2015-05-13

王窈（1986 -），女，助理研究員，主要從事火工品研究。