高 芬，曹維國(guó)

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

電爆炸點(diǎn)火元件，利用爆炸箔或者橋絲，在短脈沖電流刺激下產(chǎn)生等離子體引燃或引爆始發(fā)裝藥。電爆炸產(chǎn)生等離子體的性能，直接影響始發(fā)裝藥發(fā)火的可靠性。等離子體溫度越高，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，越容易起爆始發(fā)裝藥。增加爆炸箔橋區(qū)尺寸，可提高等離子體的溫度和持續(xù)時(shí)間，然而，起爆大尺寸橋箔需要大電流脈沖輸入，導(dǎo)致起爆系統(tǒng)的體積較大，難以實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)的小型化。因此，降低電爆點(diǎn)火元件的發(fā)火能量，是起爆系統(tǒng)必然的發(fā)展趨勢(shì)。

在點(diǎn)火元件中應(yīng)用微小橋區(qū)尺寸金屬箔，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火元件的低能等離子體化，但是，由于輸入能量低，且單一金屬橋箔換能過(guò)程存在能量損耗，因此，該類點(diǎn)火元件對(duì)下級(jí)裝藥的感度具有一定的選擇性，要求裝藥感度很高。為了實(shí)現(xiàn)低能輸入，高能輸出，可在等離子體作用過(guò)程復(fù)合一個(gè)納米含能材料的快速放熱反應(yīng)，增強(qiáng)等離子體的輸出性能，提高低能電爆炸點(diǎn)火元件引燃引爆下級(jí)裝藥的可靠性。由于B/Ti復(fù)合含能材料具有反應(yīng)速率高，能量高的特點(diǎn)，本文采用用B/Ti復(fù)合含能材料的反應(yīng)放熱實(shí)現(xiàn)金屬橋箔的電爆炸輸出增益。

B/Ti復(fù)合含能材料發(fā)生反應(yīng)生成熱可達(dá) 5517 J/g，反應(yīng)過(guò)程可產(chǎn)生強(qiáng)烈火花，火花濺射距離多達(dá)數(shù)毫米甚至更遠(yuǎn)[1]，已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車安全氣囊的充氣點(diǎn)火[2]和固體推進(jìn)劑的非接觸式點(diǎn)火[3]等。盡管B/Ti復(fù)合含能材料放熱量大，是一種很有潛力的含能材料。然而，由于B的熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性差，制備B/Ti很困難，國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道較少。國(guó)外利用直流濺射沉積和電子束蒸發(fā)沉積制備B薄膜，存在沉積效果差、安全性差和易爆炸等缺點(diǎn)[3]。劉玉杰利用射頻磁控濺射法成功制備了B/Ti復(fù)合薄膜[4]，但是B薄膜沉積速率很低，僅1.38nm/min[5]。為提高制備效率，本文基于電泳沉積原理，以小尺寸Cu爆炸箔(0.04mm×0.04mm×1μm)為基底，在外加直流電源的作用下，實(shí)現(xiàn)了B和Ti納米顆粒在溶液中的定向移動(dòng)，在爆炸箔上沉積了約10μm厚的B/Ti復(fù)合含能薄膜，進(jìn)而獲得一種以B/Ti含能薄膜材料為基的電爆炸點(diǎn)火元件。根據(jù)小尺寸爆炸箔電爆特性，采用極短周期脈沖電流測(cè)試了電爆炸點(diǎn)火元件的性能特性參數(shù)。

1 B/Ti復(fù)合含能材料的表征

1.1 B/Ti復(fù)合含能材料表面形貌分析

B粉和Ti粉配制成膠體，利用電泳技術(shù)在不銹鋼基板上沉積了B/Ti復(fù)合含能材料，如圖1所示。

圖1 電泳沉積的B/Ti復(fù)合含能材料

從圖1觀察到，沉積后的B/Ti復(fù)合含能材料整體呈黑色，顏色均勻，無(wú)兩種物質(zhì)的分顆粒感存在，表明硼粉與鈦粉混合均勻，通過(guò)電泳技術(shù)實(shí)現(xiàn)B/Ti復(fù)合含能材料的制備方法可行。

為了進(jìn)一步觀察B/Ti復(fù)合含能材料的表觀形貌，將制備好的B/Ti進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)檢測(cè)，如圖2所示。將B/Ti復(fù)合含能材料放大500倍后的形貌顯示與圖2(a)的圖片，從圖片上看出，整個(gè)呈蓬松狀，微小孔結(jié)構(gòu)覆蓋于整個(gè)表面，觀察不到兩種物質(zhì)分別顆粒的存在，進(jìn)一步表明利用電泳沉積的B粉與Ti粉混合均勻，沒(méi)有出現(xiàn)利用人工或者機(jī)器混合粉末出現(xiàn)的缺點(diǎn)。圖2(b)顯示的圖片為放大1萬(wàn)倍后的形貌，出現(xiàn)堆砌狀，中間有空隙，呈現(xiàn)松散狀。一種物質(zhì)出現(xiàn)母體塊狀，另一種物質(zhì)的顆粒以團(tuán)簇的形式圍繞在母體周圍。這種現(xiàn)象與張開(kāi)黎制備的Al/CuO納米線復(fù)合含能材料兩種物質(zhì)的結(jié)合方式[6]相似，都是包圍母體形成含能材料，以這種形式制備的含能材料更利于反應(yīng)，反應(yīng)更完全[7]。

1.2 B/Ti復(fù)合含能材料DSC分析

對(duì)電泳法制備的B/Ti復(fù)合含能材料以不同的升溫速率( 10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min 和 50 ℃/min)進(jìn)行了DSC測(cè)試。測(cè)試樣品量約為 20 mg，測(cè)試在動(dòng)態(tài)氮?dú)夥諊逻M(jìn)行，氮?dú)饬髁繛?30 mL/min。在實(shí)際的應(yīng)用中，由于不同的點(diǎn)火方式有不同的升溫速率故研究升溫速率對(duì)改材料的影響具有實(shí)際的意義。圖3顯示為不同升溫速率下的獲得的DSC放熱曲線，觀測(cè)到不同升溫速率下的曲線的放熱峰的峰形相似，但是峰值溫度與放熱起始溫度不同。圖3中的DSC放熱曲線只有一個(gè)放熱峰，沒(méi)有吸熱峰，表明反應(yīng)完全，反應(yīng)起始溫度為976～1023 ℃，比硼(2076 ℃)和鈦(1678 ℃)的熔點(diǎn)都低。B/Ti含能材料在升溫速率為 50 ℃/min 下，放出的熱量最大，可達(dá) 1259 J/g，與利用磁控濺射制備的B/Ti納米復(fù)合薄膜的放熱量相當(dāng)[4]。 隨著升溫速率的提高，B/Ti復(fù)合含能材料呈現(xiàn)出明顯的熱滯期，即當(dāng)升溫速率從 10 ℃/min 提高到 50 ℃/min，該含能材料的初始反應(yīng)溫度提高了 47 ℃(從 975.7 ℃ 提高到 1022.6 ℃)，說(shuō)明B/Ti含能材料的燃點(diǎn)對(duì)升溫速率較敏感，這一結(jié)論在其它納米含能材料顆粒中也得到同樣的結(jié)果[8]。

圖3 B/Ti復(fù)合含能材料在不同

2 Cu/B/Ti點(diǎn)火元件電爆性能研究

采用磁控濺射法制備了尺寸為 0.04 mm×0.04 mm×0.001 mm 的銅橋箔，在銅微橋箔(橋區(qū)和橋翼)的基礎(chǔ)上利用電泳技術(shù)沉積了 10 μm 厚的B/Ti復(fù)合含能材料，如圖4所示。整個(gè)橋區(qū)和橋翼呈現(xiàn)黑色，表明B/Ti復(fù)合含能材料通過(guò)電泳技術(shù)成功地沉積在Cu橋上。

采用短脈沖電流放電單元對(duì)Cu/B/Ti點(diǎn)火元件進(jìn)行了電爆性能研究，電容放電單元電容容量為 25 nF，輸入電壓為 400 V，總輸入能量為 2 mJ，周期為 211 ns，測(cè)試電路如圖5所示。利用電流環(huán)測(cè)試發(fā)火電路中的電流，在橋區(qū)下面沉積了兩根“胡須”，測(cè)試橋區(qū)兩端的電壓，獲得其電壓-電流特征曲線。

圖5 Cu橋箔電爆特性曲線測(cè)試示意圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)在觸發(fā)高壓作用下瞬間導(dǎo)通后，電容器快速放電，產(chǎn)生脈沖大電流，橋箔兩端電壓隨之增大，橋箔受熱快速熔化氣化，氣化完成時(shí)，電壓出現(xiàn)一尖峰達(dá)到最大值，相應(yīng)電流曲線出現(xiàn)“凹坑”，這個(gè)時(shí)刻為橋箔電爆炸時(shí)刻。圖6顯示為Cu/B/Ti電爆炸點(diǎn)火元件在 400 V 輸入電壓，電容容量為 25 nF 的條件下的電壓-電流特征曲線。從圖6中看出，電流、電壓曲線在 40 ns 時(shí)幾乎同時(shí)達(dá)到頂峰，說(shuō)明電容器儲(chǔ)能充足，橋箔結(jié)構(gòu)與電壓匹配較好，銅橋箔能量利用率高。

Cu/B/Ti電爆炸點(diǎn)火元件進(jìn)行發(fā)火測(cè)試試驗(yàn)，電壓為 400 V，電容容量為 25 nF，圖7顯示了Cu/B/Ti復(fù)合橋箔的發(fā)火情況。當(dāng)橋區(qū)電流密度驟然增大，產(chǎn)生熱量使Cu橋箔熔化氣化產(chǎn)生等離子體，在這過(guò)程中B/Ti含能材料發(fā)生反應(yīng)，增強(qiáng)等離子體的輸出能力。從圖7中明顯地看出，有強(qiáng)烈的火花出現(xiàn)，而且伴有反應(yīng)物的噴出，說(shuō)明B/Ti含能材料發(fā)生了反應(yīng)。整個(gè)噴射的火焰可達(dá)數(shù)毫米，保證即使次級(jí)裝藥與點(diǎn)火元件有微小間隙也能可靠點(diǎn)燃下級(jí)裝藥，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的功能。而橋絲式點(diǎn)火元件和半導(dǎo)體點(diǎn)火元件則要求被點(diǎn)燃藥劑必須與橋絲和半導(dǎo)體橋貼緊，研究表明，即使有微小空隙的存在也極有可能造成啞火[9-10]。

圖6 Cu/B/Ti橋箔電壓-電流特征曲線

圖7 Cu/B/Ti復(fù)合橋電爆實(shí)物圖

3 結(jié)論

a)采用電泳技術(shù)沉積的B/Ti含能薄膜材料呈蓬松狀，顏色均勻，無(wú)分顆粒存在； SEM表觀相貌表征表明B/Ti含能薄膜材料中一種物質(zhì)呈線塊裝母體，而另外一種物質(zhì)顆粒成團(tuán)簇裝包圍在塊體周圍。

b)不同升溫速率的DSC熱分析表明，B/Ti含能薄膜材料的反應(yīng)起始溫度為 976 ℃～1023 ℃，遠(yuǎn)比硼與鈦的熔點(diǎn)低，只有一個(gè)反應(yīng)放熱峰，放出的熱量為 1259 J/g。

d)在尺寸為 0.04 mm×0.04 mm×0.001 mm 的Cu微橋箔上沉積 10 μm 厚的B/Ti含能薄膜材料，制備的Cu/B/Ti電爆炸點(diǎn)火元件。在電容容量 25 nF，輸入電壓 400 V 的條件下，Cu/B/Ti電爆炸點(diǎn)火元件電流、電壓曲線在 40 ns 時(shí)幾乎同時(shí)達(dá)到頂峰，表明橋箔結(jié)構(gòu)與電壓匹配較好，銅橋箔能量利用率高。

e)制備的Cu/B/Ti電爆炸點(diǎn)火元件電爆過(guò)程中發(fā)出強(qiáng)烈的火光，火焰高度達(dá)數(shù)毫米，反應(yīng)后橋區(qū)斷開(kāi)，反應(yīng)完全。