解瑞珍,劉蘭,任小明,張方,李先林,金貞淑

(陜西應用物理化學研究所應用物理化學重點實驗室,陜西西安 710061)

硅基微雷管的原位裝藥及性能研究

解瑞珍,劉蘭,任小明,張方,李先林,金貞淑

(陜西應用物理化學研究所應用物理化學重點實驗室,陜西西安 710061)

微機電安全保險機構芯片化集成技術的發(fā)展,對基于微機電制造工藝的硅基微雷管提出了需求,雷管裝藥尺寸的減小要求含能材料感度高、起爆威力大。為解決微小尺寸敏感藥劑裝填的技術難題,文中采用原位生成多孔疊氮化銅的方法,對硅基微雷管進行裝藥研究。依據GJB/Z 377A—1994感度試驗用蘭利法測試硅基微雷管的發(fā)火感度,使用電流環(huán)測試硅基微雷管發(fā)火實際利用的能量,同時對輸出威力進行定性測試。測試結果表明:發(fā)火電路用充電電容為33μF時,硅基微雷管的平均發(fā)火電壓為7.89 V,輸出威力可以起爆六硝基雜異伍茲烷(CL-20)裝藥。

兵器科學與技術；火工品；硅基微雷管；原位裝藥；發(fā)火感度；輸出威力

0 引言

針對微小型武器彈藥發(fā)展的需求,美國引信年會報道了機械結構、電子電路、火工品芯片化集成的安全保險機構,并已采用導彈彈頭對芯片化設計的安全保險機構進行了性能驗證試驗,傳爆與隔爆試驗均獲成功[1-4]。其中微雷管的設計、制作、裝藥涉及的關鍵技術已得到突破,正在積極開展其應用方面的研究。而國內該項技術的研究才剛剛起步,基于微機電制作工藝的硅基微雷管的設計與制作已有報道[5-7]。但由于硅基微雷管裝藥要求含能材料具有感度高、起爆威力大、極限起爆藥量小等特點。當含能材料感度較高時,傳統(tǒng)的裝藥方法在生產過程中的安全性問題就凸顯了出來。為解決這一問題,本文探索了一種與微雷管制作工藝相兼容的方式將含能材料與微結構相集成,即選擇具有低能引發(fā)和高效輸出性能的疊氮化銅為目標含能材料,采用電化學沉積和氣態(tài)-固態(tài)反應的方式完成納米級多孔疊氮化亞銅在硅基微雷管裝藥腔體中的原位生成,以此完成硅基微雷管的裝藥。同時對多孔疊氮化亞銅的形貌、成分進行了分析,對完成原位裝藥的微雷管的發(fā)火感度和輸出威力進行了測試。

1 硅基微雷管的裝藥

1.1 含能材料與裝藥方法的設計

針對硅基微雷管對含能材料的性能要求,可供選擇的目標藥劑主要包括具有特征感度的細化藥劑,如疊氮鹽;利用電化學腐蝕或沉積工藝研制的納米多孔硅體系、納米多孔銅體系,以及利用濺射工藝研制的分子間含能化合物體系等新型火工藥劑。綜合這幾種含能材料的制備及性能,其中疊氮化銅起爆太安的極限藥量是0.000 4 g,疊氮化鉛則為0.005 g.另外,銅離子相比鉛離子等重金屬離子,具有顯著的環(huán)境友好特性。但是粉末疊氮化銅對摩擦較為敏感,用傳統(tǒng)的起爆藥合成和裝藥方法使用疊氮化銅的安全性保證難度較大。

綜合硅基微雷管對含能材料性能的需求,以及裝藥方法與微雷管裝藥結構的匹配,本文采用原位生成納米多孔疊氮化銅的方式完成硅基微雷管的裝藥,即原位裝藥,這種裝藥方式適用于機械感度較高的含能材料的裝填。

原位合成納米多孔疊氮化銅的工藝流程[8-9]:首先采用電化學沉積工藝,在硅基微雷管的裝藥腔體中生成納米多孔銅,電解液采用0.2 mol/L CuSO4和1.0mol/L H2SO4.電化學沉積過程中,以硅基微雷管的換能元作為陰極,在電場作用下,溶液中的銅離子從電解液中輸送到換能元表面。納米多孔銅沉積完成后采用氣態(tài)-固態(tài)反應的方式,即將制備好的疊氮酸氣體通入多孔銅,使其充分反應,完成納米多孔銅的疊氮化,形成納米多孔疊氮化亞銅。

反應方程如下所示:

1.2 原位合成含能材料的表征

為了了解納米多孔銅和疊氮化后的多孔銅含能材料的形貌特征,使用捷克TESCAN公司VEGA TS5136XM型掃描電鏡對制備的樣品進行表征,結果如圖1所示。圖1(a)為放大倍數(shù)為500倍的多孔銅;圖1(b)為放大倍數(shù)為20 000倍的多孔銅;圖1(c)為疊氮化處理后的多孔銅含能材料,放大倍數(shù)為500;圖1(d)為疊氮化處理后的多孔銅含能材料,放大倍數(shù)為20 000.

從圖1(a)中可以看出,電化學沉積形成的納米多孔銅為三維多孔有序結構;從圖1(b)可以看出,多孔銅晶體形狀為樹枝狀,納米多孔粒徑的大小在微米量級;從圖1(c)可以看出,疊氮化后的多孔銅保持了三維多孔有序結構;從圖1(d)中可以看出,疊氮化后的多孔銅晶體形狀為花狀,孔徑在微米量級,基本晶粒在納米量級。

為了確認原位合成納米多孔含能材料的成分,對其進行了X射線衍射圖譜分析,結果如圖2所示。圖2的圖譜經檢索確定主要成分為疊氮化亞銅,含有一定量的疊氮化銅。

完成裝藥的硅基微雷管照片如圖3所示,該雷管由Prex7740玻璃襯底,制作在玻璃襯底上的Ni-Cr橋膜換能元,含有裝藥腔體的硅片層,以及含能材料組成。制作工藝流程大致為在雙面拋光的Prex7740玻璃襯底上采用濺射、光刻、腐蝕等工藝完成Ni-Cr橋膜換能元的制作。選擇雙面拋光硅片,采用深硅刻蝕工藝完成裝藥腔體的制作,將含有換能元的Prex7740玻璃襯底與含有裝藥腔體的硅片鍵合在一起,此為晶圓間陽極鍵合。其機理為在一定的溫度與壓力下,玻璃/硅的鍵合界面在電場力作用下玻璃耗盡層中的氧負離子向界面遷移擴散并與硅發(fā)生氧化反應形成中間過渡層,實現(xiàn)玻璃/硅的一體化集成。劃片后完成單個微雷管的結構制作,最后在微雷管的裝藥腔體中進行納米多孔銅含能材料的原位生成。Ni-Cr橋膜換能元橋區(qū)尺寸為0.15mm×0.15mm,平均電阻值為4.8Ω;裝藥腔體尺寸為φ1.0mm×1.0mm.平均裝藥量為0.47 mg,稱量結果如表1所示,平均裝藥密度0.60 g/cm3.

圖1 多孔銅和疊氮化后多孔銅含能材料的掃描電鏡圖Fig.1 SEM photographs of porous copper and porous copper azide energetic materials

圖2 多孔銅含能材料的X射線衍射圖譜Fig.2 XRD spectrogram of porous copper azide energetic materials

圖3 完成裝藥的硅基微雷管的照片F(xiàn)ig.3 Photograph of Si-based detonator with energetic material

表1 微雷管裝藥量稱量結果Tab.1 The weight ofmicro-detonator

2 硅基微雷管的性能表征

2.1 硅基微雷管發(fā)火感度測試

GJB/Z377A—1994感度試驗用數(shù)理統(tǒng)計方法規(guī)定的感度試驗方法有:升降法、蘭利法和D優(yōu)化法,其中蘭利法受試驗初始參數(shù)的影響較小,可以得到很好的總體參數(shù)估計值,但是蘭利法對總體參數(shù)估計的計算過程復雜,需要計算機輔助計算。試驗中對于數(shù)據的處理,本文采用了由陜西應用物理化學研究所研制的一種火工品感度試驗用便攜式計算裝置個人數(shù)碼助理(PDA)[10]。

依據GJB/Z 377A—1994感度試驗用蘭利法對硅基微雷管的發(fā)火感度進行測試,選用的發(fā)火電源的電壓分辨率為0.01 V,試驗數(shù)據分布假設為正態(tài)分布。選用刺激下限為5 V,刺激上限為20 V,試驗結果的標準差不做修正。測試用發(fā)火電路如圖4所示,發(fā)火電路充電電阻為5 000Ω,發(fā)火電容使用的是33μF鉭電容,放電開關選用水銀開關。

圖4 硅基微雷管發(fā)火電路原理圖Fig.4 Firing circuit of Si-based detonator

硅基微雷管發(fā)火感度測試結果如表2所示,經計算50%發(fā)火電壓為7.89 V,標準方差為0.82 V.

表2 硅基微雷管發(fā)火感度測試結果Tab.2 Test results of Si-based detonator's firing sensitivity

2.2 硅基微雷管發(fā)火能量的測試

電能是關于電壓電流時間的函數(shù),也是硅基微雷管發(fā)火性能綜合評價的方式之一。在試驗測試裝置中增加電流環(huán),監(jiān)測微雷管發(fā)火過程中作用在換能元上的電壓電流,獲得其實際利用的發(fā)火能量。電流環(huán)的主要參數(shù):帶寬為35 MHz,測量范圍:0～500 A,上升時間10 ns.使用示波器對作用于硅基微雷管換能元上的電壓和電流進行實時記錄。測試裝置的框圖如圖5所示,發(fā)火電路充電電阻為5 000Ω,發(fā)火電容用的是33μF鉭電容,放電開關選用水銀開關。

圖5 硅基微雷管電流電壓曲線測試裝置框圖Fig.5 Testing device of Si-based detonator's I-U curve

將測得的電壓電流相乘可得功率P的時間曲線,通過積分即可得輸入橋膜換能元的電能E隨時間t的關系曲線。能量計算采用

對微雷管發(fā)火能量的測試,結合其他性能的試驗需要,選擇了發(fā)火電壓為12.5 V和20.0 V兩種情況,示波器采集到的電壓電流曲線和功率積分圖如圖6所示。圖6(a)是發(fā)火電壓為12.5 V時,作用在微雷管換能元上的電流電壓曲線;圖6(b)是發(fā)火電壓為12.5 V時,采用(1)式得到的電流電壓隨時間變化的積分圖,微雷管發(fā)火利用的能量為0.32mJ,積分時間為26.0μs;圖6(c)是發(fā)火電壓為20 V時,示波器采集到的作用在微雷管換能元上的電流電壓曲線;圖6(d)是發(fā)火電壓為20.0 V時,采用(1)式得到的電流電壓隨時間變化的積分圖,微雷管發(fā)火利用的能量為0.31 mJ,積分時間為7.8μs.

從圖6(a)和圖6(c)中可以看出,當放電開關閉合,電容放電,電流通過微雷管換能元,換能元溫度升高,隨著溫度的升高,通過換能元電流值略有減小。當換能元溫度達到一定數(shù)值時,電流值明顯上升,此時間點為爆炸發(fā)生時間。隨著多孔疊氮化銅發(fā)生作用,電流值出現(xiàn)一個振蕩,回到零點,換能元橋區(qū)斷裂。

2.3 硅基微雷管輸出性能的測試

測試用發(fā)火電路如圖4所示,發(fā)火電容采用的是33μF鉭電容,放電開關選用水銀開關。針對起爆下一級裝藥的方式不同,設計了兩種微雷管輸出威力測試試驗,試驗裝置示意圖如圖7所示,鑒定塊材料為鋁,其中圖7(a)中微雷管作用后驅動飛片,飛片材料為Ti,厚度為20μm.飛片經加速膛撞擊六硝基雜異伍茲烷(CL-20)裝藥,CL-20平均粒度為5μm,裝藥直徑為2.0 mm,裝藥高度2.0 mm,裝藥密度1.5 g/cm3;加速膛材料為硅,直徑為1.0 mm.圖7(b)微雷管直接起爆CL-20裝藥,裝藥參數(shù)與驅動飛片起爆CL-20的裝藥相同。

試驗結果表明,微雷管作用后驅動飛片,飛片經加速膛撞擊CL-20裝藥,CL-20裝藥沒有爆轟。微雷管直接起爆CL-20裝藥,CL-20裝藥實現(xiàn)了爆轟, CL-20裝藥的約束塊材料為鋁(LY-12),鑒定塊圖片如圖8所示,其中圖8(a)是CL-20裝藥約束材料正反兩面,圖8(b)是CL-20裝藥爆轟輸出定性表征的鑒定塊圖片。測試了10發(fā)樣品,鑒定塊的平均凹坑深度為0.35mm.

圖6 微雷管的電壓電流曲線和能量測試結果Fig.6 Voltage-current curves and firing energy ofmicro-detonator

圖7 硅基微雷管輸出性能試驗裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of output testing device formicro-detonator

圖8 鋁鑒定塊威力試驗后的圖片F(xiàn)ig.8 Photograph of witness block after testing

3 結論

1)采用電化學沉積完成納米多孔銅在發(fā)火元件上的原位生成,進而對多孔銅進行疊氮化處理,再進行含能材料制備的同時完成微雷管的裝藥,該方法用于小尺寸敏感藥劑的裝填是可行的。

2)依據GJB/Z377A—1994感度試驗用蘭利法測試出的硅基微雷管的50%發(fā)火感度為7.78 V, 33μF;采用電流環(huán)測試出的微雷管發(fā)火過程中電流電壓情況,經積分得到的換能元實際利用的發(fā)火能量約為0.32mJ.

3)設計的裝藥尺寸為φ1.0 mm×1.0mm的硅基微雷管,裝藥為納米多孔疊氮化亞銅,并且含有一定量的納米多孔疊氮化銅,可以起爆CL-20裝藥。

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Research on In-situ Charge and Performance of Si-based M icro-detonator

XIE Rui-zhen,LIU Lan,REN Xiao-ming,ZHANG Fang,LIXian-lin,JIN Zhen-shu
(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory,Shaanxi Applied Physics-chemistry Research Institute,Xi'an 710061,Shaanxi,China)

The chip integration of MEMS(Micro-electromechanical system)safety and arming devices has a requirement to develop aminiature detonator technology,and the charge of detonator needs high sensitivity and large detonator outputbecause of its small size.The in-situ preparation of energeticmaterials is used for researching the charge of Si-based micro-detonator,and the firing energy actually utilized by Si-based micro-detonator is explored using the current loop.Firing sensitivity is tested based on GJB/ Z377A—1994 sensitivity testmethods:Langlie,and the output is also qualitatively tested.The result shows that50%of firing sensitivity is 7.89 V at33μF,and the detonator output can initiate CL-20.

ordnance science and technology;initiating explosive device;Si-based detonator;in-situ charge;firing sensitivity;detonator output

TJ450.1

A

1000-1093(2014)12-1972-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.12.006

2014-03-13

解瑞珍(1977—),女,高級工程師,E-mail:xieruizhen@126.com