周 全，陳 航，代 波，任 勇

(西南科技大學(xué)，環(huán)境友好能源材料國家重點實驗室， 四川 綿陽 621010)

1 引言

沖擊片雷管是直列式起爆點火系統(tǒng)中的核心部件，因其結(jié)構(gòu)相對簡單，安全可靠被廣泛應(yīng)用。主要由反射片、爆炸箔、飛片、加速膛和鈍感藥柱組成。其中爆炸箔是沖擊片雷管中的核心元件之一，在起爆裝置中起著能量轉(zhuǎn)換的重要作用。影響爆炸箔起爆器起爆性能的參數(shù)主要有形狀、幾何尺寸和材料。大量研究人員對此展開詳細(xì)研究。對于爆炸箔形狀和尺寸的研究，有研究者認(rèn)為圓形橋箔爆發(fā)電流密度高于“X”行橋箔。在材料方面，研究表明，單質(zhì)金屬材料中銅和金橋箔爆發(fā)特性較好，能量利用率較高；Al/Ni多層膜所需能量比傳統(tǒng)的銅箔低。在薄膜制備方法中，磁控濺射技術(shù)所制備的薄膜具有較好的電爆炸性能。

上述研究表明橋箔形狀、尺寸、材料和制造工藝都會影響橋箔的電爆炸性能，為爆炸箔的設(shè)計研究提供了大量的技術(shù)支持。而在實際工程應(yīng)用階段，上述參數(shù)已經(jīng)固定，影響一致性的主要因素是質(zhì)量控制過程中的人員、設(shè)備、工藝、環(huán)境和原材料等，其中前四者為內(nèi)部因素，可控性更高，原材料為外部輸入性影響因素，對一致性的影響程度需要重點關(guān)注。鑒于此本文以原材料中的關(guān)鍵材料——濺射靶材為切入點，用不同純度靶材來模擬靶材批次性差異或者其他因素影響，并評估最終對爆炸箔性能的影響。本研究用最常見的銅為例，人為選擇同一國產(chǎn)廠家生產(chǎn)的不同純度銅濺射靶材，以相同濺射工藝制備了形狀和尺寸相同的爆炸箔。對比研究了相結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、電阻率和電爆炸參數(shù)的變化。從而考察在實際生產(chǎn)中靶材原材料可能的差異對爆炸箔性能參數(shù)一致性的影響，為提升爆炸箔批產(chǎn)可靠性提供一定的參考。

2 試驗

2.1 薄膜制備

通過丙酮、去離子水、酒精粗清洗AlO陶瓷反射片；再經(jīng)過離子刻蝕設(shè)備精清洗反射片，目的是增強(qiáng)薄膜與反射片的結(jié)合力；利用JGP450A磁控濺射設(shè)備濺射銅薄膜。濺射參數(shù)的差異，會直接影響薄膜質(zhì)量。且有學(xué)者認(rèn)為制備的薄膜(111)取向衍射峰的差異，會影響薄膜電阻率。因此制備了多組濺射參數(shù)的薄膜，從XRD圖譜(圖1)中可以看出，當(dāng)真空度優(yōu)于3×10Pa，濺射工藝為120 W，0.8 Pa制備的銅薄膜(111)衍射峰較強(qiáng)。濺射參數(shù)確定為真空度優(yōu)于3×10Pa、功率120 W，氬氣壓強(qiáng)0.8 Pa，基底加熱溫度為80 ℃。在這一工藝下制備2.9 μm厚度的銅薄膜。

圖1 不同濺射參數(shù)下Cu薄膜的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the Cu thin films under different sputtering parameters

2.2 橋箔制備

橋箔的制備，主要通過光刻微加工技術(shù)制備，利用光刻機(jī)，通過勻膠、光刻掩膜、顯影、刻蝕等步驟，制備出銅爆炸橋箔。尺寸設(shè)計為0.3 mm()×0.3 mm()×2.9 μm()。

2.3 樣品表征

采用X射線衍射儀，PANalytical，X’pert Pro，(管電壓40 kV，管電流40 mA，靶材為Cu，波長1.540 598?，測試角度20°～80°)表征薄膜的相組成并分析擇優(yōu)取向；采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡，ULTRA55，研究薄膜表面形貌；采用臺階儀，BRUKER，Dektak-XT，(探針壓力為3 mg,掃描0～500 μm，掃描速度50 μm/s)測試薄膜厚度；用霍爾測試系統(tǒng)，ECOPiA，(測試溫度300 K，測試電流20 mA，測試延時0.100 s，樣品厚度2.9 μm，測量磁場0.548T，測量次數(shù)1 000次)，測定薄膜的電阻率；用TH2512B+型直流低電阻測量儀(測試電流10 mA，分辨率1 μΩ，精度0.05%，測試1 μΩ～2 kΩ)，測量橋箔電阻。

2.4 基本電爆參數(shù)測試

本文采用用高壓探頭測試橋箔兩端的電壓變化，羅果夫斯基線圈電流探頭檢測回路的電流變化，所得電壓、電流信號由泰克MDO4104C數(shù)字示波器記錄，橋箔電爆炸測試平臺示意圖如圖2。采用電爆炸測試系統(tǒng)獲得橋箔的電爆炸曲線，并得到橋箔的爆發(fā)時刻、爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流及峰值功率等電爆性能參數(shù)。

圖2 電爆炸測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement of electrical explosion

利用電爆性能測試平臺在充電電壓為2 kV、2.6 kV時，采用短路的方式進(jìn)行短路電流測試，其中充電電容為0.2 μF，測試結(jié)果如圖3所示。根據(jù)美軍軍標(biāo) MIL-DTL-23659D，脈沖電源在短路放電時，至少應(yīng)該包含 5 個等間距震蕩波形。起爆回路可以簡化為R-L-C電路，根據(jù)放電曲線結(jié)合R-L-C回路放電理論推導(dǎo)出計算式：

圖3 起爆回路短路電流曲線Fig.3 Detonatiing circuit short-circuit current curve

(1)

(2)

式中：為減幅震蕩周期，ns；、起始前2個電流峰值，A；為電感，nH；為電容，μF。根據(jù)以上公式計算得到回路中的電感為270 nH，回路電阻為135 mΩ。

3 結(jié)果與討論

3.1 3種純度銅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能

利用荷蘭帕納科公司的X射線衍射儀，對所制備的不同純度的銅薄膜進(jìn)行測試，得到衍射圖譜。

XRD圖譜(圖4)可知，3種純度銅薄膜均在(111)、(200)晶面存在最強(qiáng)峰和次強(qiáng)峰，且隨著雜質(zhì)含量的增多，衍射峰有逐漸向小角度方向偏移?？赏ㄟ^銅薄膜在(111)與(200)晶面衍射峰強(qiáng)的比值/大小來表征薄膜的擇優(yōu)取向，3種樣品(111)與(200)面衍射峰強(qiáng)的比值見表1所示。

圖4 不同純度Cu薄膜的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of the Cu films of different purity

表1 不同純度銅薄膜物相參數(shù)Table 1 Phase parameters of copper films with different purity

可以看出3種純度銅薄膜的/比值均大于國際標(biāo)準(zhǔn)銅/的比值2.17，這表明3種銅薄膜均在(111)面存在明顯的擇優(yōu)取向。

結(jié)合謝樂公式(3)對銅(111)晶面進(jìn)行晶粒尺寸計算：

(3)

式中:為謝樂常數(shù)，取089；為銅靶的衍射波長，取1.540 598?；為實測樣品衍射峰半寬高，為衍射角；為銅(111)晶面的晶粒尺寸，單位nm。

依據(jù)布拉格方程(4)可得Cu在(111)晶面間距

(4)

式中:為衍射級數(shù)，本文取1，與與式(1)含義相同。

銅為立方晶系，通過式(5)可計算不同純度下銅薄膜的晶格常數(shù)

(5)

式中:、、為Cu在(111)曲面的晶面指數(shù)，均為1。

由式(3)，計算結(jié)果見表1所示，可見99.9%和99.99%純度銅箔的晶粒尺寸均比99.999%純度銅箔小,這可能與靶材中含有雜質(zhì)關(guān)，說明雜質(zhì)的存在抑制了晶粒的長大。而99.9%純度銅箔晶粒尺寸比99.99%純度銅箔偏大，這可能是由于其含有較多的Fe、Ag等雜質(zhì)元素，均為面心立方結(jié)構(gòu)，進(jìn)入到銅的基體中，引起了點陣畸變，導(dǎo)致點陣常數(shù)增大，進(jìn)而影響晶粒尺寸細(xì)化。

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡，對所制備的3種純度的銅薄膜進(jìn)行掃描，如圖5所示，微量的雜質(zhì)在掃描電鏡表征中并不明顯且難以發(fā)現(xiàn)，但99.999%純度金屬薄膜顆粒度明顯大于于其他兩類，與謝樂公式的計算結(jié)果相符。

圖5 不同純度的銅薄膜SEM圖Fig.5 SEM images of copper films of different purity

利用霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)對厚度相同的3種純度銅薄膜進(jìn)行電阻率測試。不同純度的銅薄膜電阻率及橋箔電阻測量結(jié)果如表2所示。

表2 不同純度銅薄膜電阻率及橋箔電阻Table 2 Different purity copper film resistivity and bridge foil resistance

由表2可知，不同純度的薄膜電阻率略有差異，表現(xiàn)為隨著純度的降低電阻率增大，99.9%Cu比99.999%Cu電阻率高了7.9%。這主要是雜質(zhì)元素的存在會導(dǎo)致晶粒變形，晶界扭曲程增加，晶界對電子造成的散射就會越顯著，薄膜電阻率相應(yīng)增大，因此導(dǎo)致99.9%和99.99%純度的銅箔的電阻率略高于99.999%純度銅箔。通過臺階儀和顯微鏡測試，見表2，制備的橋箔尺寸符合設(shè)計要求，一致性較高。橋區(qū)電阻通過低電阻測量儀測試，3種純度的橋箔實測值均為31 mΩ左右。

3.2 3種純度銅橋箔電爆炸參數(shù)變化

在進(jìn)行對比電爆測試前，需選擇在不同發(fā)火電壓下進(jìn)行測試，從而得到這一尺寸橋箔電壓電流變化趨勢。從圖6可知，在相同材質(zhì)及橋箔尺寸條件下，隨著發(fā)火電壓的升高，峰值電壓和峰值電流均呈現(xiàn)升高的趨勢。但是爆發(fā)時刻和電流峰值時刻呈現(xiàn)先逐漸靠近后逐疏遠(yuǎn)的趨勢，說明儲能有呈現(xiàn)過剩的趨勢。當(dāng)充電電壓在1.1～1.5 kV這個范圍時，爆發(fā)時刻和電流峰值時刻最為接近。因此認(rèn)為這一尺寸橋箔匹配起爆電壓為1.3 kV時可獲得最佳的能量利用率。

圖6 不同充電電壓伏安特性曲線Fig.6 Voltage and current curves of bridge foil under the different firing voltage

為使研究滿足低電壓和高電壓起爆要求并結(jié)合設(shè)備實際情況。在相同的起爆回路和相同的橋區(qū)尺寸條件下，對3種純度的銅爆炸箔在1.3 kV、1.7 kV、2.1 kV三組起爆電壓條件下進(jìn)行測試，每組條件各5發(fā)樣品。電流、電壓曲線如圖7所示。所測樣品均在短脈沖大電流的激勵下，發(fā)生電爆炸，且橋箔的電爆炸均發(fā)生在電流上升的前1/4周期的某個時刻，橋箔區(qū)域產(chǎn)生焦耳熱，從而發(fā)生固-液-氣-等離子體的復(fù)雜物相轉(zhuǎn)變。當(dāng)電阻達(dá)到最大時，相應(yīng)的電壓達(dá)到峰值，電爆炸發(fā)生。在各種起爆電壓條件下，3種純度的銅橋箔的電爆炸曲線略有差異。

圖7 不同純度銅爆炸箔在不同充電電壓下伏安特性曲線Fig.7 Volt-ampere characteristic curves of different purity Cu explosive foils under different charging voltage

根據(jù)測試的電爆炸曲線并結(jié)合以下公式

=×

(6)

(7)

(8)

式中：為爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流、爆發(fā)功率、為爆發(fā)時刻，即電壓峰值時刻、充電電壓、為電容容量?？筛鶕?jù)以上公式計算得到不同橋箔的爆發(fā)時刻、爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流、峰值功率和能量利用率，結(jié)果見表3所示。

表3所的數(shù)據(jù)，由每組5發(fā)樣品取平均數(shù)得出。由表可知，銅靶材的變化，會使得電爆性能參數(shù)一致性發(fā)生波動。電爆性能參數(shù)的變化隨起爆電壓的改變呈現(xiàn)的趨勢略有差異。

表3 銅爆炸箔電爆性能參數(shù)Table 3 The electric explosion performances of exploding foil

在低壓起爆時，變化趨勢并不明顯，如1.3 kV時，各類橋箔電爆參數(shù)變化量較小，這可能與輸入的能量未使橋箔充分起爆有關(guān)。但在高壓起爆時，如2.1 kV時，相比于99.999%Cu，當(dāng)純度為99.9%銅橋箔，其爆發(fā)時間會延長，延遲了12.45%，峰值電壓會降低，降低了12.22%；99.99%銅橋箔，峰值電壓也降低了18.06%；在2.1 kV時，純度的變化，使得爆發(fā)功率從1 640 400 W下降到 1 334 667 W，峰值功率降低了18.64%。

4 結(jié)論

1) 在低壓起爆時，如1.3 kV，銅靶材純度的變化，未明顯改變電爆性能參數(shù)。

2) 當(dāng)高壓起爆時，如2.1 kV，銅靶材純度的變化，會使爆發(fā)時刻、爆發(fā)電壓、峰值功率產(chǎn)生明顯改變。與99.999%Cu橋箔相比，99.9%Cu橋箔在2.1KV時爆發(fā)時刻延遲了12.45%，峰值電壓降低了12.22%，峰值功率降低了12.29%；99.99% Cu橋箔，峰值電壓降低了18.06%、峰值功率降低了18.64%。

3) 實際生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)嚴(yán)格控制薄膜生長過程，盡可能保證濺射靶材批次性；確保銅靶材純度。銅靶材應(yīng)存放于干燥、真空環(huán)境中確保制備的橋箔起爆時電爆參數(shù)一致。