賀 佳，龐樹財(cái)，羅斌強(qiáng)，譚福利

(1.中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621999；2.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621999)

1 引 言

微型爆炸箔是指采用微電子工藝制作而成、尺寸在微米級(jí)的電爆炸金屬箔，目前主要應(yīng)用在高壓開關(guān)中。Baginski等人[1-2]在2008年的引信年會(huì)和2009 年文章上發(fā)表了PSS、PTS和PDS 3種新型高壓開關(guān)的研究報(bào)告。3種開關(guān)都利用微型爆炸箔的電爆炸控制高壓電極的導(dǎo)通。PSS和PTS開關(guān)的工作原理如圖1所示，PDS開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于PDS開關(guān)在電極表面覆蓋著一層絕緣介質(zhì)，可以對(duì)高壓放電通道進(jìn)行有效隔離，因此該開關(guān)的安全性較好。PDS開關(guān)的工作原理如下：在觸發(fā)極加脈沖信號(hào)，使觸發(fā)極的微型爆炸箔發(fā)生爆炸，將覆蓋于其上的絕緣介質(zhì)炸飛，金屬高壓電極裸露，爆炸產(chǎn)生的等離子體彌漫在高壓電極的間隙處，高壓電極導(dǎo)通。另外，PDS開關(guān)還具有體積小、便于集成、抗沖擊性能好的特點(diǎn)。

圖1 PSS和PTS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the PSS and PTS

微型爆炸箔是平面介質(zhì)開關(guān)的重要組成部分。目前，對(duì)微型爆炸箔的研究工作主要集中于電爆炸的能量注入，電爆炸產(chǎn)物的導(dǎo)電特性，外電路元器件的選擇以及工作電壓的最小化控制等方面。爆炸電流、峰值電流、爆炸時(shí)間等是微型爆炸箔電爆炸的重要特性參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)研究充電電壓、爆炸箔尺寸、絕緣膜覆蓋情況等因素對(duì)這些參數(shù)的影響，可以為微型爆炸箔的工藝設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 PDS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Configuration of PDS switch

2 實(shí)驗(yàn)方法

圖3 實(shí)驗(yàn)電路圖Fig.3 Schematic diagram of experimental circuit

實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示，完成電路連接后，打開直流電源對(duì)電容器充電，當(dāng)電容器兩端電壓穩(wěn)定時(shí)，閉合開關(guān)使觸發(fā)回路導(dǎo)通，電容器放電，觸發(fā)回路中形成脈沖電流，瞬間注入的能量使微型爆炸箔發(fā)生電爆炸，在爆炸箔區(qū)域形成等離子體。由于觸發(fā)回路中電流不是很大，因此可以使用普通金屬接觸式導(dǎo)通開關(guān)，并通過羅氏線圈測(cè)量電流?；芈冯姼袨?30 nH，電容為0.13 μF，電阻為0.3 Ω。微型爆炸箔樣品材料為銅，采用MEMS表面微加工工藝，通過濺射、光刻、腐蝕等工藝制成。根據(jù)絕緣膜的覆蓋情況，實(shí)驗(yàn)所用的微型爆炸箔樣品如圖4所示。

圖4 微型爆炸箔樣品結(jié)構(gòu)Fig.4 Configuration of micro-exploding foil

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 典型的電流波形Fig.5 Typical current-time curve

3.1 回路電流波形

微型爆炸箔電爆炸過程如下：觸發(fā)回路通過脈沖大電流后，爆炸箔經(jīng)歷受熱、熔化、汽化和擊穿等物理過程，最終形成高溫高壓等離子體。電容器放電過程中，爆炸箔電阻隨溫度的升高而不斷增大，當(dāng)輸入爆炸箔的能量達(dá)到爆炸閾值時(shí)，爆炸箔的電阻達(dá)到最大值，隨后爆炸箔被擊穿，電阻逐漸減小。圖5為觸發(fā)回路1/2周期的典型電流波形，電流在1/4周期處達(dá)到最大值。波形發(fā)生明顯畸變(由爆炸箔電阻變化而引起)的時(shí)刻即為爆炸時(shí)刻。

3.2 充電電壓對(duì)電爆特性的影響

設(shè)微型爆炸箔的尺寸為85 μm×85 μm×4 μm，并固定回路參數(shù)，在不同充電電壓條件下，爆炸后的爆炸箔圖片如圖6所示。微型爆炸箔的電爆炸參數(shù)見表1，其中Ui為充電電壓，Imax為最大電流，ta為最大電流時(shí)刻，Iexp為爆炸時(shí)刻的電流，J為爆炸電流密度，tb為爆炸箔的爆炸時(shí)刻。

由圖6可知，電容器充電電壓為100 V時(shí)，爆炸箔未發(fā)生明顯的電爆炸；充電電壓為300 V時(shí)，爆炸箔有較弱的爆炸現(xiàn)象，爆炸箔區(qū)域有大量固態(tài)金屬物質(zhì)殘留；充電電壓為 700 V時(shí)，有劇烈的電爆炸現(xiàn)象發(fā)生，爆炸箔區(qū)域附近有大量爆炸產(chǎn)物噴濺的痕跡。在確定回路條件下，充電電壓越高，能量注入速率越高，爆炸越劇烈。從表1可以看出，對(duì)于尺寸一定的爆炸箔，隨著充電電壓的增加，峰值電流、爆炸電流增大，爆炸時(shí)間縮短。當(dāng)充電電壓為500 V時(shí)，爆炸時(shí)間位于放電周期的1/4處，當(dāng)充電電壓為300 V時(shí)，爆炸時(shí)間位于1/4～1/2周期。

圖6 爆炸箔在不同電壓下爆炸后圖片F(xiàn)ig.6 Exploding foil pictures taken after exploding with different input voltages

表1 充電電壓對(duì)電爆炸參數(shù)的影響Table 1 Influence of the input voltage of exploding foil on the electric-explosion parameters

3.3 爆炸箔橫截面積對(duì)電爆特性的影響

設(shè)充電電壓為900 V，當(dāng)改變爆炸箔橫截面積時(shí)，爆炸箔電爆炸特性參數(shù)如表2所示，其中σ為爆炸箔橫截面積。由表2可知，當(dāng)充電電壓一定時(shí)，回路的峰值電流和峰值電流出現(xiàn)的時(shí)間幾乎恒定。其原因如下：回路電流與充電電壓、回路電阻、電感和電容等參數(shù)有關(guān)，其中，除爆炸箔電阻外，其他均為固定參數(shù)，而且在一般情況下，爆炸箔電阻對(duì)回路電阻的貢獻(xiàn)較小，僅在爆炸時(shí)刻，爆炸箔電阻出現(xiàn)尖銳的峰值，使電流波形發(fā)生畸變。即峰值電流基本由充電電壓和外部電路參數(shù)決定，幾乎與爆炸箔尺寸無關(guān)。

表2 爆炸箔橫截面積對(duì)電爆炸參數(shù)的影響Table 2 Influence of the foil’s cross section on the electric-explosion parameters

另外，根據(jù)Tucker[4]等人提出比作用的概念，比作用可以表示為

(1)

式中：g為材料的比作用。該理論認(rèn)為，爆炸箔發(fā)生電爆炸的條件是比作用達(dá)到特定值。因此，爆炸箔橫截面積越大，電流密度越小，相應(yīng)地爆炸時(shí)間越長(zhǎng)。由表2可知，銅箔的比作用約為12 A2·s/cm4，當(dāng)回路參數(shù)和充電電壓一定時(shí)，爆炸時(shí)間隨著爆炸箔橫截面積的增加而增加，與理論預(yù)期相符。

3.4 爆炸箔長(zhǎng)度對(duì)電爆特性的影響

當(dāng)其他參數(shù)恒定時(shí)，爆炸箔長(zhǎng)度l對(duì)其電爆炸特性參數(shù)的影響如表3所示。可以看出，隨著爆炸箔長(zhǎng)度的增加，回路峰值電流逐漸減小，而爆炸電流和爆炸時(shí)間則基本保持不變。爆炸箔長(zhǎng)度對(duì)電爆炸的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，在瞬時(shí)大電流能量注入下，爆炸箔熔化波將沿著電流的加載方向以聲速傳播，由于熔化波的傳播速度與不穩(wěn)定擾動(dòng)增長(zhǎng)的速度相比較小，因此不穩(wěn)定增長(zhǎng)將主導(dǎo)爆炸箔的電爆炸過程，即在電流曲線上，不同長(zhǎng)度的金屬箔爆炸時(shí)間基本一致，但電爆炸后的電流有較大區(qū)別；另一方面，電爆炸發(fā)生后，引起金屬蒸汽電離的主要因素是金屬原子間的熱碰撞和電子與金屬原子的碰撞，對(duì)于爆炸箔長(zhǎng)度不同的電爆炸過程，爆炸時(shí)刻的橋區(qū)電壓大致相同，但電場(chǎng)大小卻相差很大，直接導(dǎo)致自由電子可獲得的能量相差較大，影響碰撞電離的發(fā)生。綜上所述，在一定范圍內(nèi)，爆炸箔長(zhǎng)度對(duì)爆炸箔的電爆炸過程影響很小，但當(dāng)爆炸箔長(zhǎng)度過大時(shí)，爆炸箔將無法起爆。

表3 爆炸箔長(zhǎng)度對(duì)電爆炸參數(shù)的影響Table 3 Influence of the foil length on the electric-explosion parameters

3.5 絕緣膜覆蓋情況對(duì)電爆特性的影響

覆蓋有聚酰亞胺絕緣膜(約4 μm厚)的微型銅箔和無絕緣膜的微型銅箔爆炸后典型的實(shí)驗(yàn)圖片如圖7所示，當(dāng)存在有絕緣膜時(shí)，金屬箔爆炸后，高溫高壓的等離子體迅速膨脹，推動(dòng)覆蓋在上面的聚酰亞胺膜，使覆蓋在爆炸箔上的聚酰亞胺膜與周圍物質(zhì)發(fā)生剪切斷裂。從圖7可以看出，覆蓋有絕緣膜的爆炸箔爆炸后，聚酰亞胺膜有清晰的斷裂邊界，爆炸橋區(qū)周圍沒有明顯的噴濺物；而無絕緣膜的爆炸箔爆炸后，橋區(qū)附近有大量爆炸產(chǎn)物的噴濺的痕跡。

開展了多發(fā)覆蓋有絕緣膜和無絕緣膜爆炸箔的電爆炸對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，覆蓋有絕緣膜的銅箔電爆炸峰值電流比無絕緣膜的情況偏小，典型的電爆炸電流曲線如圖8所示。在電爆炸前，橋區(qū)金屬物質(zhì)密度相對(duì)變化不大，有膜和無膜的電流曲線大致重合；在電爆炸后，由于膜的約束減弱了金屬蒸汽的膨脹，使得在相同溫度條件下金屬原子蒸汽和熱電子的平均自由程減小，熱碰撞導(dǎo)致的電離被抑制，電爆炸產(chǎn)物的電阻相比于無膜約束時(shí)偏大，反映在電流波形上，即爆炸之后的電流幅值偏小。因此，厚度在一定范圍內(nèi)的絕緣介質(zhì)薄膜對(duì)爆炸箔的起爆階段基本無影響，對(duì)爆炸電流、爆炸時(shí)間的影響很小。

圖7 爆炸箔爆炸后的圖片F(xiàn)ig.7 Exploding foil pictures taken after exploding with different covering conditions

圖8 電流曲線Fig.8 Current-time curve

4 微型爆炸箔的起爆閾值

圖9 爆炸箔閾值曲線Fig.8 Threshold curves of exploding foil

在回路參數(shù)確定的條件下，微型爆炸箔的電爆炸特性主要由充電電壓和爆炸箔的橫截面積決定。充電電壓越高或者爆炸箔橫截面積越小，爆炸時(shí)間越短。在爆炸箔橫截面積一定的情況下，當(dāng)充電電壓低于某個(gè)值時(shí)，微型爆炸箔將無法發(fā)生電爆炸，該電壓稱為爆炸箔材料的起爆閾值。為了使爆炸箔材料充分起爆，通常要求爆炸箔的爆炸時(shí)間在電流曲線1/4周期以內(nèi)。因此，起爆閾值和爆炸時(shí)間在1/4周期處的電壓值是爆炸箔設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。圖9給出了銅箔材料在不同橫截面積下的起爆閾值和爆炸時(shí)間在1/4周期處的臨界電壓值。由圖9可知，當(dāng)微型銅箔的橫截面積為340 μm2時(shí)，爆炸箔的起爆閾值為220 V，爆炸時(shí)間在電流曲線1/4周期處的臨界電壓值為500 V。此外，除實(shí)驗(yàn)方法外，還可以通過一維流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬程序[5-6]確定爆炸箔材料的起爆閾值和臨界電壓值。

5 結(jié) 論

(1) 在回路參數(shù)確定的條件下，充電電壓和爆炸箔橫截面積是微型爆炸箔電爆炸特性的兩個(gè)重要影響因素。即金屬爆炸箔電爆炸主要與單位面積內(nèi)的能量密度注入率有關(guān)，充電電壓越大或者爆炸箔橫截面積越小，爆炸時(shí)間越短。(2) 在一定范圍內(nèi)，爆炸箔長(zhǎng)度對(duì)電爆炸過程基本無影響，但當(dāng)爆炸箔長(zhǎng)度過大時(shí)，爆炸箔將無法起爆。(3) 爆炸箔表面絕緣膜的覆蓋情況對(duì)爆炸電流和爆炸時(shí)間基本無影響，但會(huì)降低爆炸后的電流幅值。

[1] BAGINSKI T,THOMAS K.A robust one-shot switch for high power pulse applications [J].IEEE T Power Electr,2009,24(1):253-259.

[2] BAGINSKI T.A robust planar triggered spark gap switch for high power pulse applications[C]//53rd Annual Fuze Conference.Arlington:NDIA,2009:1-30.

[3] 清華大學(xué)電力系高電壓技術(shù)專業(yè)組.沖擊大電流技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1978:136-143.

[4] TUCKER T J.Behavior of exploding gold wires [J].J Appl Phys,1961,32(10):1894-1900.

[5] 羅斌強(qiáng).金屬箔電爆炸及其在沖擊動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用 [D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

LUO B Q.Electrical explosion of metallic foils and its application in dynamical mechanics [D].Hefei:University of Science and Technology of China,2012.

[6] 賀 佳,趙劍衡,譚福利,等.電爆炸箔驅(qū)動(dòng)絕緣飛片的一維數(shù)值模擬 [J].高壓物理學(xué)報(bào),2009,23(6):476-480.

HE J,ZHAO J H,TAN F L,et al.One-dimensional numerical simulation for a flyer accelerated by electrically exploded metal foil [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2009,23(6):476-480.

[7] 曾慶軒,李守殿,袁士偉,等.爆炸箔起爆器用高壓開關(guān)研究進(jìn)展 [J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,11(1):202-205.

ZENG Q X,LI S D,YUAN S W,et al.Research progress of high voltage switches in exploding foil initiators [J].Journal of Safety and Environment,2011,11(1):202-205.

[8] 王殿湘,王科偉,王 端,等.爆炸箔尺寸對(duì)沖擊片電爆參數(shù)的影響 [J].火工品,2010(6):17-19.

WANG D X,WANG K W,WANG R,et al.Influence of brige foil size on electric initiation parameters of slapper [J].Initiators & Pyrotechics,2010(6):17-19.