等离子体技术在炸药起爆中的应用研究进展

薛乐星，冯晓军，王晓峰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

等离子体技术在炸药起爆中的应用研究进展

薛乐星，冯晓军，王晓峰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

介绍了爆炸桥丝等离子体技术，主要包括真空中、空气中及水下爆炸桥丝等离子体技术；按照爆炸桥丝式和半导体桥式等离子体产生方式，综述了等离子体技术在炸药起爆中的应用研究进展，比较了不同等离子体起爆方式的优缺点，分析了等离子体起爆炸药机理。指出炸药在等离子体起爆下的研究重点是高能炸药在等离子体直接起爆下的特性研究，以及高能炸药与等离子体相互作用的动力学研究。附参考文献55篇。

等离子体技术；爆炸桥丝；半导体桥；起爆；炸药

引 言

为解决钝感炸药的起爆问题，同时又要满足不敏感武器系统的要求，传统的起爆方式也在向高能不敏感化发展，并开发了激光起爆、等离子体起爆等对电、热、射频不敏感的起爆方式。等离子体起爆由于结构简单、成本低廉、易于小型化、起爆能力强等优点得到了快速发展。等离子体具有丰富的活性基团，包括原子、电子、离子、自由基、分子碎片及大量处于激发态的粒子，这些活性粒子有很高的反应活性可以大幅降低反应所需的活化能。另外，等离子体能量易于控制，可以通过控制电磁场来改变其能量、能流密度、运动方向等。因此等离子体在民用和军用方面得到广泛应用，如表面改性[1]、等离子体聚合[2]、制备纳米粉末[3-4]、发动机点火[5-8]、Z-箍缩能量会聚[9-10]、火炸药点火起爆等。

电爆炸是一种常见的用于起爆领域的等离子体源。由于电爆炸发生时间极短，可以产生极高能流密度的等离子体和冲击波，因此具有良好的起爆能力。火炸药领域应用的电爆炸等离子体装置主要有爆炸桥丝、半导体桥和爆炸箔[11-12]3类。本文主要介绍与炸药直接作用的电爆炸等离子体技术及其在炸药起爆中的应用研究进展，以及等离子体起爆炸药的机理研究。

1 爆炸桥丝等离子体技术

爆炸桥丝等离子体发生装置主要基于电阻电感电容(RLC)放电回路设计，即先通过高压电源对储能电容器充电，通过放电开关快速导通实现储能电容器对爆炸丝快速放电，从而发生电爆炸产生等离子体。

1.1 空气中爆炸桥丝等离子体技术

最初对爆炸桥丝的研究以空气为介质。电爆炸时会在桥丝表面产生强电场和冲击波。对等离子体的诊断以电学和光学方法为主。

Novac等[14]测定的爆炸桥丝峰值电场强度可以达到40kV/cm。Murphy等[15]利用粒子图像速度场仪测定了爆炸桥丝产生的冲击波，直观反映了冲击波的速度场分布。Pikuz等[16]设计了一种简单的空气缝干涉仪来测定爆炸桥丝产生的等离子体的扩散速度。赵军平等[17]对不同直径金属丝电爆炸过程中产生的等离子体状态作了光学诊断，发现在形成等离子体通道时，粗电爆丝先由表面形成，而细电爆丝则从中心向表面扩展。此外细电爆丝产生的等离子体中，电子温度和密度均高于粗电爆丝，等离子体通道也更稳定。

1.2 真空中爆炸桥丝等离子体技术

当把爆炸桥丝置于真空中时，由于产生的等离子体不会受到介质阻挡，可以快速扩散，对电爆炸本质特征可以更好地加以研究。

空气中爆炸桥丝产生的等离子体在空间分布上呈现了很好的一致性，但Sarkisov等[18]捕捉到的真空中爆炸桥丝画面显示，阳极电爆炸时等离子体分布从阴极到阳极呈清晰的圆锥形，而阴极电爆炸时则仅在阴极和阳极附近存在少量等离子体，中间部分则很少。造成轴向等离子体分布不均一的原因，可能是电爆炸瞬间沿金属丝表面的电场分布不均。Wang等[19]对铝丝真空电爆炸作了数值模拟，发现电流增长速率越快，在等离子体形成前爆炸桥丝上沉积的能量越多。此外，电爆炸发生前后电流的分布也发生了明显转移，等离子体形成后电流快速从高密度冷核即金属丝向低密度热等离子体转移。Sinars等[20]对爆炸桥丝快速放电时发现，当桥丝沉积能量低于其所需的汽化能时桥丝未等离子体化部分呈泡沫状。

1.3 水下爆炸桥丝等离子体技术

近年来国内外对电爆炸等离子体的研究重点逐步转向水下实验，由于电爆炸介质的改变导致桥丝沉积的能量以及产生的等离子体的结构均发生改变，对于研究电爆炸动力学过程有指导作用。

与空气或真空中金属丝电爆炸相比，水下金属丝电爆炸的突出特点是由于水的难压缩性导致等离子体无法迅速扩散，径向爆炸速度较慢，这意味着桥丝炸断所需的时间更长，因此水下金属丝电爆炸时可以沉积更高的能量。

Lebedev等[21]发现金属丝水下电爆炸时电流密度可以达到107A/cm2以上，而在真空中时，由于等离子体快速扩散很难实现如此高的能量。DeSilva等[22-23]对铜丝、铝丝的水下电爆炸研究表明，微秒时间尺度的电爆炸可用于构建电爆炸过程的状态方程和建立电导率模型。Sheftman课题组对不同时间尺度的水下电爆炸做了研究，为了实现所需的纳秒[24]、微秒[25]和亚微秒[26]时间尺度放电，电流分别采用了50kA 、300A和550A。测定电爆炸时的电压、电流信号，将实验得到的电阻与磁流体力学仿真模型相对比，发现微秒尺度时两者可以很好的吻合，而纳秒和亚微秒尺度下现有模型则需做一定的修正。

张寒虹等[27]利用高速摄影研究了水下电爆炸的物理过程。与空气介质相比，水中电爆炸时由于产生的高温高压等离子体会强烈地压缩水，导致水中形成较强的冲击波，并伴随有空泡脉动。高速摄影拍摄到的电爆炸过程发现，高压低电容条件下，放电初期金属丝外层便有等离子体产生，大约几十微秒后形成较为稳定的等离子体。通过测定水介质密度突变前沿的传播速度得到水中冲击波的传播速度为1560～2190m/s，数倍于同等参量下空气介质中的丝冲击波速度。

2 等离子体起爆炸药研究进展

电爆炸产生等离子体的过程通常都在微秒甚至纳秒时间尺度内，会产生极高的能流密度、冲击波以及大量活性粒子，当其作用于炸药时便可实现起爆。目前电爆炸等离子体技术在炸药起爆领域已经得到了较为广泛的应用，主要分为爆炸桥丝、半导体桥和爆炸箔3类炸药起爆领域的等离子体技术。

2.1 爆炸桥丝等离子体起爆炸药

传统热桥丝式火工品作为一种常见的点火、起爆装置有着广泛的应用[28]。但热桥丝对静电、射频等较为敏感，容易发生炸药误起爆，难以适应电磁环境日益复杂的战场，为了满足不敏感武器系统的发展需求，爆炸桥丝作为一种不敏感起爆装置得到了发展。

潘邦金[29]以金爆炸桥丝作为等离子体源直接起爆多种高能炸药，包括双(2,2,2-三硝基乙基)硝铵(HOX炸药)、奥克托金(HMX)、黑索金(RDX)和太安(PETN)。爆炸桥丝沉积的能量为1.25J时，HOX炸药和PETN对爆炸桥丝的感度更高，可实现100%起爆；HMX则感度较低，起爆概率不足45%；而RDX则对等离子体非常钝感，沉积能量1.25J时完全无法起爆。此外炸药晶型和粒度对起爆效果也有很大影响，柱状晶型药和超细粒度药更易被起爆。

张振涛等[30]研制了基于RLC电路的 40kV脉冲等离子体起爆装置。爆炸桥丝采用长200mm、直径0.2mm的铜丝。通过高速相机捕捉爆炸丝爆炸后形成的等离子体的扩散过程，结果表明，等离子体的径向整体扩散过程速度一致性好。由于爆炸桥丝属于线爆炸，当其用于起爆炸药时可以实现很高的同步性。汤铁钢等[31]设计了基于等离子体起爆的爆炸膨胀环实验装置。铜丝贯穿柱状太安中心，由于铜丝产生的等离子体有很高的轴向同步性，因此起爆太安同步性较高，可以产生高同步性的力场，从而有效避免了由于同步性差导致的样品管受力不均，降低了发生翻转的概率，提高了实验数据的重现性。Lee等[32]利用爆炸桥丝产生的冲击波测试了军用Ti-6Al-4V合金的动态形变和抗冲击性能。

对桥丝式火工品静电感度的测试主要集中在数万伏以内的低电压，然而随着武器系统作战环境日益复杂，桥丝可能遇到几十万伏的高压静电。

李志鹏等[33-34]研究了爆炸桥丝式火工品在高压静电下的放电响应。结果表明随着放电电压的升高，爆炸丝会逐渐发生熔化直至发生电爆炸，并有明显的烧蚀痕迹。然而即使在250kV的静电作用下，虽然桥丝发生电爆炸但并没有引燃或起爆太安，原因可能是实验采用的电爆丝尺寸及电阻太小，电爆炸产生的等离子体量较少，不能迅速膨胀产生足够能量的冲击波，因此不能起爆太安。钟敏等[35]对比了热桥丝和爆炸桥丝的静电响应，结果表明爆炸桥丝的50%发火静电电压高于200kV，远大于其50%熔断电压56.33kV，即爆炸桥丝即使由于静电熔断也不会轻易起爆炸药。相反，热桥丝的熔断电压高于发火电压，即热桥丝一旦熔断则一定会起爆炸药。可以发现，爆炸桥丝表现出非常优异的抗静电性能。

2.2 半导体桥等离子体起爆炸药

半导体桥火工品作为传统热桥丝火工品的替代技术而得到发展。与爆炸桥丝火工品原理相似，半导体桥火工品将等离子体源由金属丝替换为半导体材料。由于半导体在常温下电阻大，因此半导体桥对静电、杂散电流、射频的感度低于热桥丝，同时由于半导体电路可编程，易于小型化，因此半导体桥炸药起爆技术得到了快速发展。

对半导体桥的研究早期集中在等离子体密度、电子密度[36-37]等参数的测定，Park等[38]对比了单晶硅和多晶硅半导体桥，发现单晶硅半导体桥的等离子体密度峰值出现要早于多晶硅半导体桥，通过有限元模拟分析其原因可能是单晶硅导热性更好、半导体桥更早断裂所致。Guo等[39]研究了静电对半导体桥的损伤效果，发现经过静电作用后半导体桥感度更高，点火电压、点火能量均会降低，点火延时也有所增加。

Tappan等[40-41]成功将纳米铝热剂沉积到半导体桥上，得到的复合起爆器起爆可靠性高，纳米颗粒团聚直径小，但有机溶剂处理纳米铝热剂的过程对静电感度较高。Nellums等[42]以水为溶剂，将纳米铝热剂直接沉积到半导体桥起爆器上，由于水溶剂可以起到钝化作用，此方法降低了纳米铝热剂加工过程的热感度和静电感度，但水溶液中需要加入磷酸二氢铵以抑制纳米铝粉与水的反应。纳米铝热剂复合半导体桥的能量密度得到了显著提高。

虽然高能复合半导体桥可以提高半导体桥等离子体起爆器的起爆能力，但在实际使用中，半导体桥的作用对象基本都是起爆药或火药。

马鹏等[43]以半导体桥为等离子体源直接起爆多种起爆药，以最低全发火电压表征其等离子体感度，感度顺序依次为苦味酸铅>叠氮化铅>斯蒂芬酸钡>硝酸肼镍。王治平等[44]利用半导体桥以不足1J的点火能量直接起爆太安，由于点火能量很低，起爆机理推测为热作用点燃随后燃烧转爆轰。王文[45]研究了半导体桥等离子体点火特性，建立了全面反映等离子体对药剂作用的模型，测定了药剂表面处的离子浓度和等离子体到达药剂表面处的能量通量。张文超等[46]采用高速数字存储示波器对电容激励下的半导体桥电爆过程的能量转换进行了测量，得到了桥上不同电压时半导体桥区不同时刻的汽化率、熔化率和电离率。

除了爆炸桥丝和半导体桥直接利用等离子体外，爆炸箔是一类间接利用等离子体起爆炸药的装置。

Da Silva等[47]设计了用于测定爆炸箔等离子体分布的软X射线干涉仪，可以得到空间分辨微米级的高密度等离子体分布场。通过与马赫-曾德干涉仪联用可以测定等离子体中的电子密度。Baksht等[48]研究了爆炸箔等离子体通道的形成过程，发现金属汽化后，会重新在尚未完全汽化的桥箔表面结晶，而这些结晶在放电过程中会首先被击穿，对等离子体通道的形成起着至关重要的作用。黄娜等[49]制备了可用于冲击片雷管的Cu/Al/Ni复合金属爆炸箔，通过高速摄影观测到其电爆炸时产生的等离子体场的扩散速度快于纯铜爆炸箔。通过测定电爆炸过程中的电压电流曲线，发现复合金属箔可以承载更大的爆发电流，这就意味着其可以沉积更多能量。复合金属箔对于改善冲击片雷管的性能起到很大作用。

由于爆炸箔起爆器体积较大、成本较高，因此开发基于微芯片的微型爆炸箔是其发展趋势。Scholtes课题组[50]对爆炸箔起爆器进行了长期的研究。通过对等离子体部分的优化，将爆炸箔起爆器的效率从40%提高到90%，为小型化提供了基础。

3 等离子体起爆炸药机理研究进展

对等离子体起爆炸药机理的研究可以分为两部分，一方面是对电爆炸产生的等离子体的研究，包括等离子体温度场，压力场等参数的测定。另一方面是等离子体与炸药的相互作用机理。

等离子体具有高温高压等特点，但不同的发生器产生的等离子体的温度压力特征差别很大。对于半导体桥等离子体而言，由于其起爆能量小，产生的冲击波较弱，因此目前普遍认为半导体桥起爆技术属于微对流作用机理[51]。即当半导体桥通以脉冲电流时，硅桥材料因焦耳热迅速气化并在电场作用下形成4100～6000K的弱等离子体放电，等离子体迅速扩散到炸药中，使其受热达到着火温度而发火。

对于能量较高的爆炸桥丝等离子体，一般认为其起爆炸药的机理属于冲击起爆。对爆炸桥丝起爆炸药机理的研究，核心在于桥丝产生的等离子体与炸药之间相互作用产生爆轰波的过程。但是这一过程非常复杂，必须将其拆分为多个过程分步研究。

Lee课题组基于爆炸桥丝起爆太安实验，对爆炸桥丝的起爆机理作了系统性研究，将起爆过程分为3个步骤进行表征：桥丝能量输入、桥丝能量输出、桥丝等离子体与炸药相互作用。首先，研究基础是爆炸桥丝能量沉积和能量转化效率[52]。通过测定爆炸桥丝上流过的电流和桥丝两端的电压得到了桥丝上输入的能量。研究结果表明，桥丝能量输入可分为桥丝爆炸前、后两部分，对炸药起爆起主要作用的是桥丝爆炸前的能量输入。随着输入总能量的增加，桥丝爆炸前的能量沉积随之增加，但是桥丝爆炸所需的时间、效率(桥丝爆炸前能量输入占总能量比例)降低，因此爆炸桥丝存在一个最优的输入能量，此时效率和性能可以实现均衡。其次，研究了爆炸桥丝的能量输出[53]。以桥丝爆炸后的等离子体扩散速度与冲击波速度和压力来表征爆炸桥丝的能量输出。随着起爆电压增加，桥丝产生的等离子体的扩散速度也随之增加，为了进一步模拟真实使用场景，开展了水下爆炸桥丝实验，在水约束条件下，等离子体产生的的冲击波强度经推算可达1.5GPa，而文献中同等条件下，太安炸药爆轰增长距离只需10μm，因此冲击起爆是较为可信的爆炸桥丝等离子体起爆炸药机理。最后，研究核心是等离子体与炸药的相互作用[54]。为了进一步验证等离子体与炸药的相互作用主要以冲击波形式实现，对比了不同密度太安在爆炸桥丝起爆和典型冲击起爆下的特征，二者表现出很好的一致性，从而佐证了冲击起爆机理。

杨春霞等[55]研究了等离子体射流点火双基药的作用机理。通过对比常规点火和等离子体点火后样品表面的X射线能谱，发现等离子体点火后样品表面沉积了大量的铝和铜粒子，这些粒子有助于热量从火药表层传到内部。进一步通过扫描电镜发现，与常规点火相比，等离子体点火后样品表面形成了大量孔洞和气泡，增加了点传火通道。

目前，国内外对等离子体起爆机理研究主要还集中在热力学角度，对于更微观的动力学反应历程的研究还很少，是下一步研究的重点。

4 结束语

电爆炸等离子体技术在炸药起爆领域已得到了较为广泛的应用，表现出钝感、起爆能力强、易于小型化、安全等特点，但起爆对象还局限在起爆药、太安等高感度炸药，对高能炸药的起爆研究还较少，可靠性较低。今后其发展的重点应是：

(1)开展高能不敏感炸药在等离子体直接起爆下的特性研究。一方面可以拓宽等离子体起爆的应用范围，更重要的是可以加深对炸药特性，包括能量输出、爆轰特性等的认识。此外，等离子体直接起爆高能炸药是一种无药起爆方式，有助于不敏感武器系统的发展。

(2)开展高能炸药的等离子体起爆机理动力学研究。电爆炸等离子体不仅会产生高温、高压、冲击波，同时也含有大量活性粒子，可能改变炸药爆炸的反应路径。开展等离子体直接起爆高能炸药的反应动力学研究，对加深等离子体强起爆能力的理解至关重要。

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Progress of Study on the Application of Plasma Techniques in Explosive Initiation

XUE Le-xing,FENG Xiao-jun,WANG Xiao-feng

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)

The plasma techniques of exploding bridge wire,mainly including exploding bridge wire plasma techniques in vacuum,air and underwater were introduced,and according to the mode of plasma produced by exploding bridge wire mode and semiconductor bridge mode,the research progresses on the application of plasma techniques in explosive initiation were summarized.The advantages and disadvantages of different kinds of plasma initiation modes were contrasted.The mechanism of initiating the explosives by plasma was analyzed.It was pointed out that the key points of the research in the future on explosives initiated by plasma should be studied on the characteristics of high energy explosives under the direct initiation of plasma,as well as the chemical kinetics of the interaction between high energy explosives and plasma.With 55 references.

plasma technique; exploding bridge wire; semiconductor bridge; initiation; explosive

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.002

2016-03-26；

2016-05-05

国防重大基础科研项目(No.004040205)

薛乐星(1991-)，男，硕士研究生，从事军用混合炸药技术研究。E-mail: xue_l_x@163.com

王晓峰(1967-)，男，博士，博士生导师，研究员，从事炸药及装药技术研究。E-mail: wangxf_204@163.com

TJ55;O53

A

1007-7812(2017)01-0007-07