铜箔厚度对爆炸箔起爆性能影响规律研究

周 密，张晶鑫，同红海，秦国圣，李 蛟，王 寅

铜箔厚度对爆炸箔起爆性能影响规律研究

周 密，张晶鑫，同红海，秦国圣，李 蛟，王 寅

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学重点实验室，陕西 西安，710061）

为了提高爆炸箔起爆系统能量利用效率，采用仿真计算和试验相结合的方法，研究了不同铜箔厚度对爆炸箔起爆性能的影响规律。结果表明：当爆炸箔桥区尺寸为0.3mm×0.3mm时，铜箔厚度为3µm的爆炸箔电爆性能较好，能量利用率较高，在发火电压为1.5kV时，能量利用率达到72.33%，相对应的飞片速度最大。

爆炸箔；起爆性能；能量利用率；飞片速度

小型化、低能化是爆炸箔起爆系统（Exploding Foil Initiator System，EFIs）的发展趋势，而小型化、低能化的关键是提高爆炸箔起爆器（Exploding foil initiation，EFI）的能量利用率，降低发火能量。爆炸箔作为起爆系统的换能元有着重要的作用，它通过吸收脉冲功率单元提供的脉冲能量发生电爆炸产生高温高压等离子体，从而剪切飞片，并驱动飞片高速飞行。爆炸箔的材料、形状、尺寸等参数决定了爆炸箔的初始电阻，进而影响电爆炸初始阶段的能量沉积、电爆炸时间以及能量利用率[1-4]。在爆炸箔材料、形状、桥区大小确定的情况下，本文研究了不同铜箔厚度的爆炸箔对起爆性能的影响因素，优选出较佳的铜箔厚度，为爆炸箔的低能化和小型化提供参考依据。

1 数学模型

爆炸箔起爆系统放电回路可简化成一个简单的谐振LRC电路，如图1所示。

根据图1爆炸箔起爆系统放电回路等效电路，由基尔霍夫定律给出下列方程：

式（1）中：是回路电感；是除爆炸箔箔电阻以外的串联线性电阻，也就是回路的初始电阻；()是爆炸箔非线性电阻；是电容；是电容的充电电压；为时间时刻的线路电流。

()可用动态参数()来描述，即：

式（2）中：()为电流经爆炸箔桥区处的电流密度；()为爆炸箔的电流密度。

所以爆炸箔的动态电阻()可表示为：

式（4）中：是爆炸箔的长度；C是爆炸箔的横截面积；[()] 为爆炸箔的动态电阻率，是关于()的函数，其值可进一步表示成：

式（5）中：为爆炸后的电阻率；为电阻率的峰值；0为爆炸时的作用率；为电阻率的峰值宽度；0、0由材料确定，其值由实验来确定；为电容上的充电电压；为回路的电感；、为常值系数，其大小通过实验确定。

根据RonLee提供的实验数据[5-6]可得：0= 2.5×109A2s·cm-4、0=0.5×109A2s·cm-4、=0.19、=2.0×1011A·s-1、=100.0×10-6Ω·cm、==100.0×10-6Ω·cm。

令：

由公式（1）和（4）可得：

对方程组（7）用四阶龙格库塔算法进行数值计算，可求出1、2、3随时间的变化规律，3为爆炸箔的爆发电流。计算终止条件为()=0，既：

所对应的时间t既爆炸箔的爆炸时间，该瞬间电流(tb)就是爆炸箔爆炸时刻的电流。

2 参数计算与结果分析

利用matlab软件四阶龙格库塔算法对所选仿真参数进行计算模拟，选定的电路参数为=144nH，0=75mΩ，发火电容容值为0.20μF，充电电压为2 500V，爆炸箔为铜箔，桥区尺寸为0.3mm×0.3mm，厚度分别为1μm，2μm，3μm，4μm，5μm，6μm。表1为不同铜箔厚度爆炸箔的电流计算结果。图2为不同铜箔厚度爆炸箔爆发电流曲线。

表1 不同铜箔厚度爆炸箔爆发电流计算结果

图2 不同铜箔厚度爆炸箔爆发电流曲线

从计算结果可以看出，随着铜箔厚度的增加，爆炸箔爆发电流增大，爆炸时刻后移。但爆炸时刻不断后移，会使爆炸点不在峰值电流附近，系统不能达到最佳能量利用率。从爆炸箔初始电阻角度来讲，在一定的起爆回路下，爆炸箔太厚或者太薄都不能使飞片加速到要求的速度，因为爆炸箔太厚，其初始电阻太小，使其电爆炸时吸收的电能减少，导致飞片速度减小；而爆炸箔太薄，虽然桥薄初始电阻增大，但是致使整个回路的电阻增大，使回路电流减小，而且太薄的爆炸箔不能够提供足够的膨胀力来驱动比爆炸箔厚很多的飞片，也会导致飞片速度减小，所以存在一个最合理的厚度值，即最合理的爆炸箔初始电阻值，可以驱动飞片速度最大，爆炸箔能量利用率最高。综上，爆炸箔的厚度在2~4μm比较合适。

3 实验结果与讨论

3.1 实验装置

高压脉冲功率源中的关键器件包括高压脉冲电容器、脉冲变压器、高压开关等，测试系统逻辑关系如图3所示，发火电容容值为0.20μF。

3.2 实验结果与分析

从参数计算结果得出，铜箔厚度在2~4μm的爆炸箔比较合适，本实验选取2μm、3μm、4μm 3种铜箔厚度的爆炸箔进行电爆性能测试，表2为不同铜箔厚度爆炸的电爆性能参数测试结果。

表2 不同铜箔厚度爆炸箔起爆性能参数

Tab.2 Initiation performance parameters of explosive foil with different thickness of copper foil

表2中的能量利用率是该桥区消耗的有效能量除以回路初始存储的能量。从爆炸箔爆炸气化推动飞片加速到飞片加速到最高速度期间内，爆炸箔消耗的能量大部分转化为飞片动能，这部分能量称其为有效能量；当飞片出膛并撞击到炸药柱后，桥区后续消耗的能量对于飞片的动能已无意义，这部分能量称其为无效能量。依据相关文献，爆炸箔起爆器飞片加速过程约为200ns[7]。因此，可将爆炸箔爆发点后200ns这一时刻作为区分有效能量和无效能量的时间节点。在数据处理中将爆发电流曲线、爆发电压曲线爆发点后200ns以后的数据截去，不计入桥区消耗的能量。截取后的爆发电流、爆发曲线相乘，可得到桥区消耗的功率曲线，对功率曲线进行积分就可得到桥区消耗的有效能量值。图4为不同铜箔厚度爆炸箔能量利用率分布图。

图4 不同铜箔厚度爆炸箔能量利用率分布图

由表2和图4可以看出，3μm厚度的铜箔比其它厚度的铜箔电爆能量利用率高，图5为铜箔厚度为3μm爆炸箔在不同充电电压下的爆发电压、爆发电流曲线。

图5 不同充电电压下3μm爆炸箔爆发电压电流曲线

由表2得出3μm爆炸箔在充电电压1 500V下能量利用率为72.33%，相对较大，分析其原因：（1）爆炸箔在减幅振荡1/4周期处爆炸，则可获得最佳能量利用效果，由1 500V爆发电压电流曲线（图5（c））可以看出爆炸箔在放电曲线1/4周期处爆炸。（2）爆炸箔爆发前沿电流上升越快，越有利于提高能量利用率，由表2可知，3μm爆炸箔在1 500V充电电压下相对于其在其它充电电压下电流上升最快。（3）1 100V充电电压下峰值电流在爆发电压之前；在1 300V充电电压下峰值电流和爆发电压基本重合，爆发电流曲线振荡3次，在 1 500V充电电压下，峰值电流和爆发电压重合，爆发电流曲线振荡1次；在1 700V充电电压下，峰值电流在爆发电压之后，放电曲线振荡4次。分析原因是在发火电压1 500V时，爆发电压和爆发电流曲线都只有1个振荡周期并且重合度很高，高压电容放电快，峰值电流和爆发电压很接近。

3.3 PDV速度测试

PDV是一种新型激光干涉测速技术，由Strand等[8]于2004年提出。PDV[9-11]对物体速度的测试是基于物体运动产生的光学多普勒效应，具体原理如图6所示。

图6 实验原理示意图

实验所用桥箔尺寸为0.3mm×0.3mm×0.003 mm，放电电容为0.20µF，飞片材料为聚酰亚胺薄膜，厚度为12.5µm，充电电压分别为1 100V、1 300V、1 500V，加速膛厚度为0.45mm。图7和图8为1 500V充电电压下速度测试示波器频谱图和处理后速度位移曲线，表3为不同充电电压下飞片速度测试结果。

图7 示波器频谱图

从图7可以看出，大约在0.92μs时刻，飞片速度出现拐点，在此之前飞片速度上升较快，在大约100ns内达到最终速度的75%。在速度拐点之后，飞片速度上升相对变缓，后经大约100ns完成了剩余25%速度的增加。

对速度曲线积分可以得到飞片速度与位移的关系，如图8所示。从图8可见速度拐点出现在0.3mm处，理论上在等离子体驱动飞片的前期之前，等离子体的压力较飞片在加速膛中飞行的摩擦力大数个量级，摩擦力对飞片的影响非常小，因此加速较快；但是到了后期，等离子体的压力逐渐降低，摩擦力对飞片的影响逐渐加大，因此加速缓慢。

图8 处理后速度位移曲线

表3 飞片速度测试结果

Tab.3 Test results of flyer velocity

由于本起爆装置所用的加速膛厚度为0.45mm，所以位置曲线上对应0.45mm处的时刻就为飞片出加速膛的时刻。可以看出本实验飞片出加速膛的速度达到了飞片的最大速度3 680m/s，说明优化后的飞片厚度与起爆系统各参数达到了良好的匹配关系。

4 结论

本文针对放电回路原理、桥箔动态电阻、桥箔爆发电路理论计算，在理论模型的基础上利用MATLAB软件对放电回路进行了仿真计算，计算得到在爆炸箔桥区尺寸一定的情况下，爆炸箔的铜箔厚度在2~4μm比较合适。进一步对铜箔厚度为2~4μm的爆炸箔进行了电爆性能参数对比，得到铜箔厚度为3μm的爆炸箔比其它厚度的爆炸箔在电爆性能和能量利用率方面都具有一定优势，能量利用效率计算与飞片速度测试均表明在1 300~1 500V充电压下相对较高，能量利用效率最高达72.33%。

[1] 韩志伟,褚恩义,王可暄,任西,等.爆炸箔厚度与其电爆性能和冲击片雷管感度的关系研究[J].火工品,2009(6):8-10.

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Study on the Effect of Copper Foil Thickness on Detonation Performance of Explosive Foil Initiator

ZHOU Mi，ZHANG Jin-xin，TONG Hong-hai，QIN Guo-sheng，LI Jiao，WANG Yin

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

In order to improve the energy utilization ratio of the explosive foil initiation system, combining the simulation calculation and experiment research, the influence regularity of copper foil thickness on the initiation properties of explosive foil were studied. The explosion experimental results show that when the explosion foil bridge size is 0.3mm ×0.3mm, the explosive foil with thickness of 3µm has the best electric detonation performance and the highest energy utilization. When the ignition voltage is 1.5 kV, the energy utilization rate reaches 72.33%, and the corresponding flyer velocity is the highest.

Exploding foil；Detonation performance; Energy efficiency; Flyer velocity

TJ450.1

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.04.004

1003-1480（2019）04-0014-05

2019-06-11

周密（1984 -），女，工程师，主要从事爆炸箔火工技术研究。