爆轰驱动飞片撞击铁电体爆电换能的放电特性＊

顾 林，张 合

（南京理工大学智能弹药技术国防重点实验室，江苏 南京 210094）

小型电磁脉冲弹、磁爆加载弹药等常规武器装备为了提高毁伤效果，要求弹上的磁通量压缩发生器（MFCG）获取尽可能大的初始磁通量。初始磁通量可由高压脉冲电容或者铁电体爆电电源瞬时放电电流产生的感生磁场获得［1－2］。高压脉冲电容能量密度低、体积大，且需要预充电，往往应用于大型电磁脉冲弹或者航弹上。人工极化铁电体PbZr0.95Ti0.05O3（PZT95／5）在冲击波加载下发生去极化相变，束缚的面电荷在负载上释放出来，在数微秒内形成兆瓦级放电功率［3］。因此高能量密度即时瞬发的铁电体爆电电源成为常规磁爆加载弹药和微型电磁脉冲弹首选。

W.Mock Jr等［4］、贺元吉等［5－6］、杜金梅等［7］都曾研究过冲击波加载下铁电体的物理现象，其中贺元吉等采用平面爆轰直接冲击加载铁电体，杜金梅等则选用空气炮冲击加载。这2种冲击加载方式都只适合于实验室研究铁电体去极化放电理论，不适合常规弹药发射和飞行的恶劣环境。同时铁电体去极化过程只有数微秒，而MFCG起爆时序精度受电雷管发火作用时间误差散布影响，精度最高为10μs。铁电体爆电电源直接对MFCG放电的时序控制难度太大，难以实现。

本文中，在研究爆轰驱动飞片撞击冲击波数值算法和PZT95／5的去极化放电模型基础上，设计出一种利用爆轰波驱动铝质飞片撞击加载铁电体的方案，并采用聚丙烯高压储能电容储存铁电体释放的电荷，来延长放电时间，便于起爆时序控制。最后通过实验研究爆轰驱动飞片撞击PZT95／5的去极化过程，验证方案的可行性。

1 爆轰驱动飞片撞击冲击波数值算法

运动物体发生碰撞，将在碰撞界面产生2个方向相反的冲击波并沿着两物体传播［8］。将飞片与铁电体的碰撞简化为一维平面正碰撞的情况，其物理过程图如图1所示。

假设飞片Ⅰ与铁电体Ⅱ分别以速度u10和u20向右运动，u10＞u20，ρ10、ρ20为初始密度参数，ρ1、ρ2为冲击波后参数，碰撞界面J上产生的冲击波S1与S2分别以速度vD1、vD2传播。

图1 高速碰撞物理过程Fig.1 High velocity impact physical process

在铁电体中传播的冲击波波速

根据介质的冲击压缩关系式p＝A ［（ρ／ ρ0）n－1］，可以得到

式中：A、n为实验确定的介质材料的特性常数。求解时，需先假定一系列的px值，代入式（4）中解得α1、α2，将解得的值带回到式（1）中解得px值，迭代至此值与假设基本相等，从而解出其他未知量。

根据被驱动物体在爆轰产物作用下的运动规律以及爆轰产物流动的等熵关系，在以平面透镜起爆的爆轰系统中，被驱动飞片运动速度uf近似用理想一维驱动条件下的简化模型计算，加以适当的修正因子k（取值0.95～1.05）［9－10］，得出

对撞击模型进行数值模拟，装药药柱选择TNT炸药，爆速为6 850m／s，药柱直径30mm，装药密度为1.6g／cm3。铝制飞片的密度为2.7g／cm3，厚度取2mm。计算出2μs时不同装药量下的飞片速度与飞行行程X，并代入到冲击波压力和初始波速的算式中去。取k＝1，得出结果如表1所示，表中p为撞击力。

表1 撞击模型数值模拟结果Table1 Simulation results of the impact model

表1中结果显示，飞片速度越大，在冲击波阵面处产生的撞击力越大，同时在被撞击物体内的冲击波初始波速也在增大。仅5mm的有效装药长度就可以达到20GPa的撞击压强，在被撞击的铁电体中产生的初始波速达到4 744m／s。而铁电体的相变初始应力约0.5GPa，相变完成压力约1～3GPa。因此飞片撞击式的冲击波加载方案不仅完全能够满足引起铁电体相变的初始条件，并且还可以根据工作空间的要求缩减装药量，减小飞片行程，完成小型化设计要求。

2 PZT去极化放电模型

PbZrxTi1－xO3是PbZrO3和PbTiO3的连续固溶体（0≤x≤1），呈钙钛矿结构。在室温时，x＜0.53为四方铁电相FT，点群4mm，0.53＜x＜0.95为晶胞为菱面体的三角铁电相FR，点群3m，x＞0.95为正交反铁电相 Ao。PbZr0.95Ti0.05O3（PZT95／5）处于高锆区的铁电（F）－反铁电相（AF）相界［11］。在外施电场作用下，PZT95／5中的偶极子重新取向，形成单一的铁电相。在冲击波的作用下，PZT95／5铁电陶瓷发生了从F到AF的相变。

图2 铁电体爆电换能等效电路Fig.2 Equivalent circuit of ferroelectric transducer

为了获取大电流，PZT95／5采用垂直加载模式，冲击波加载方向与铁电体极化方向Pr垂直。贺元吉、杜金梅等［5－7］研究过负载为短路、感性和阻性的铁电体放电特性。本文中研究中间加高压储能电容做放电缓冲，负载为μF级容量电容的放电特性。图2是其等效电路图。铁电体等效为定值的电流源与定值电容并联的形式。在冲击波传播过程中，由于波前界面与波后界面铁电陶瓷的面积发生变化，等效的电容与电导也将发生变化。

等效电路模型将铁电体等效为随时间t变化的电流源I（t）与电容C（t）、电导G（t）并联。MFCG等效为电感和电阻串联［2］。铁电体完全去极化后电荷Q0经过D1储存在电容CL上，R0为电容等效电阻ESR和线路杂阻之和。电容CL理论电压值为

爆炸开关K1闭合后，形成脉冲电流形成回路。忽略电容C（t）、电导G（t）以及R0对放电回路的影响，储能电容CL对MFCG负载放电电流为

3 实验设计

3.1 实验装置设计

实验装置包括底端盖、控制电路板、电雷管、雷管支撑座、高爆药、铝质飞片、环氧树脂、铁电体支撑座、铁电体等部分组成。环氧树脂将铁电体灌封在铁电体支撑座里面。

远程控制电路板点火电雷管，引爆高爆药后产生爆轰波。爆轰波剪切并驱动铝质飞片加速运动，使其高速撞击由环氧树脂包裹铁电体。铁电体在冲击载荷下发生去极化相变释放电荷，电荷通过电极导线储存到聚丙烯高压储能电容CL（6kV，50.4μF）上。实验装置结构示意图和外观图如图3所示。

图3 实验装置结构示意图和外观图Fig.3 Structure and appearance of the experimental device

然后通过万用表和高压衰减探头测量电容两端的储能电压。接着闭合爆炸开关K1，形成脉冲电容对负载的放电回路。通过罗格夫斯基线圈（135A／V）和管式分流器（93.8A／V）2种脉冲大电流测试方法记录放电电流脉冲波形。

3.2 铁电体制备

PZT95／5铁电体制备采用分析纯的金属氧化物作原料，外加质量分数为3%的PbO原料，球磨24h；烘干；700～800℃预烧；二次球磨；外加质量分数为5%的PVA水溶液，造粒，在140MPa的压力下成型；在600℃下排塑；在1 250～1 300℃下烧结出PZT95／5陶瓷。陶瓷减薄后，烧银和极化。本文的铁电体薄片由南京理工大学材料科学与工程学院烧制提供，PZT95／5剩余极化强度Pr＝33.2μC／cm2，尺寸为2mm×30mm×10mm。

4 实验结果与分析

设置装药长度分别为3、5、10mm，铁电体并联数目n为30、60、90、120，实验测量储能电容实际储能电压U′0，损耗率为θ，同时记录放电波形和放电电流峰值。实验采用螺旋线圈模拟MFCG负载，电参数为0.2Ω、18μH。放电过程电容CL的两端电压近似线性规律增长。其中6次成功实现爆电换能的实验数据如表2所示。

表2 爆轰驱动飞片撞击铁电体去极化放电实验结果Table2 Experimental results of depolarization discharge of PZT95／5impacted by explosive－driven flyer

图4 实验6的放电波形Fig.4 Discharge waveform of experiment 6

当装药长度大于5mm时，药柱长度的增加几乎不改变储能电压值，所以实际飞片冲击压强应该大于2GPa，基本上能够使铁电体完全去极化。铁电爆电换能的能量损耗率大约为15%，主要损耗原因为电路的杂感杂阻、侧向稀疏波导致的去极化不完全、铁电体自身的等效电容与电阻等。在满足电流值要求的情况下，储能电容的存在能明显拉宽放电脉宽。实验6的放电电流大于40A的持续时间约20μs，峰值大于50A，如图4所示。电容储存的能量随着并联铁电体数目的增大而增大，但是并联数目的提升增加了陶瓷片连接工艺的难度，损耗率也随之增加。由于铁电体爆电换能过程会产生高压，储能电容损伤较严重，容易击穿，因此适合单次使用。

5 结 束 语

设计加工了铁电体爆电换能器冲击波加载实验装置，进行爆轰驱动飞片撞击下的铁电体去极化放电实验，负载为高压储能电容。得出如下结论：5mm的装药柱长度能够满足铁电体相变的压强条件；负载为0.2Ω、18μH时，储能电容能够将放电脉宽拉伸至20μs；铁电体PZT95／5去极化放电在储能电容上的充电电压近似线性增长，能量随着陶瓷片数目的增加而增加，放电损耗率大约为15%。本实验可为常规弹载小型化高功率脉冲电源提供一种可行的技术途径。

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