薛樂(lè)星，馮曉軍，王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

等離子體技術(shù)在炸藥起爆中的應(yīng)用研究進(jìn)展

薛樂(lè)星，馮曉軍，王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

介紹了爆炸橋絲等離子體技術(shù)，主要包括真空中、空氣中及水下爆炸橋絲等離子體技術(shù)；按照爆炸橋絲式和半導(dǎo)體橋式等離子體產(chǎn)生方式，綜述了等離子體技術(shù)在炸藥起爆中的應(yīng)用研究進(jìn)展，比較了不同等離子體起爆方式的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了等離子體起爆炸藥機(jī)理。指出炸藥在等離子體起爆下的研究重點(diǎn)是高能炸藥在等離子體直接起爆下的特性研究，以及高能炸藥與等離子體相互作用的動(dòng)力學(xué)研究。附參考文獻(xiàn)55篇。

等離子體技術(shù)；爆炸橋絲；半導(dǎo)體橋；起爆；炸藥

引 言

為解決鈍感炸藥的起爆問(wèn)題，同時(shí)又要滿(mǎn)足不敏感武器系統(tǒng)的要求，傳統(tǒng)的起爆方式也在向高能不敏感化發(fā)展，并開(kāi)發(fā)了激光起爆、等離子體起爆等對(duì)電、熱、射頻不敏感的起爆方式。等離子體起爆由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于小型化、起爆能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展。等離子體具有豐富的活性基團(tuán)，包括原子、電子、離子、自由基、分子碎片及大量處于激發(fā)態(tài)的粒子，這些活性粒子有很高的反應(yīng)活性可以大幅降低反應(yīng)所需的活化能。另外，等離子體能量易于控制，可以通過(guò)控制電磁場(chǎng)來(lái)改變其能量、能流密度、運(yùn)動(dòng)方向等。因此等離子體在民用和軍用方面得到廣泛應(yīng)用，如表面改性[1]、等離子體聚合[2]、制備納米粉末[3-4]、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火[5-8]、Z-箍縮能量會(huì)聚[9-10]、火炸藥點(diǎn)火起爆等。

電爆炸是一種常見(jiàn)的用于起爆領(lǐng)域的等離子體源。由于電爆炸發(fā)生時(shí)間極短，可以產(chǎn)生極高能流密度的等離子體和沖擊波，因此具有良好的起爆能力?；鹫ㄋ庮I(lǐng)域應(yīng)用的電爆炸等離子體裝置主要有爆炸橋絲、半導(dǎo)體橋和爆炸箔[11-12]3類(lèi)。本文主要介紹與炸藥直接作用的電爆炸等離子體技術(shù)及其在炸藥起爆中的應(yīng)用研究進(jìn)展，以及等離子體起爆炸藥的機(jī)理研究。

1 爆炸橋絲等離子體技術(shù)

爆炸橋絲等離子體發(fā)生裝置主要基于電阻電感電容(RLC)放電回路設(shè)計(jì)，即先通過(guò)高壓電源對(duì)儲(chǔ)能電容器充電，通過(guò)放電開(kāi)關(guān)快速導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容器對(duì)爆炸絲快速放電，從而發(fā)生電爆炸產(chǎn)生等離子體。

1.1 空氣中爆炸橋絲等離子體技術(shù)

最初對(duì)爆炸橋絲的研究以空氣為介質(zhì)。電爆炸時(shí)會(huì)在橋絲表面產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)和沖擊波。對(duì)等離子體的診斷以電學(xué)和光學(xué)方法為主。

Novac等[14]測(cè)定的爆炸橋絲峰值電場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到40kV/cm。Murphy等[15]利用粒子圖像速度場(chǎng)儀測(cè)定了爆炸橋絲產(chǎn)生的沖擊波，直觀反映了沖擊波的速度場(chǎng)分布。Pikuz等[16]設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的空氣縫干涉儀來(lái)測(cè)定爆炸橋絲產(chǎn)生的等離子體的擴(kuò)散速度。趙軍平等[17]對(duì)不同直徑金屬絲電爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體狀態(tài)作了光學(xué)診斷，發(fā)現(xiàn)在形成等離子體通道時(shí)，粗電爆絲先由表面形成，而細(xì)電爆絲則從中心向表面擴(kuò)展。此外細(xì)電爆絲產(chǎn)生的等離子體中，電子溫度和密度均高于粗電爆絲，等離子體通道也更穩(wěn)定。

1.2 真空中爆炸橋絲等離子體技術(shù)

當(dāng)把爆炸橋絲置于真空中時(shí)，由于產(chǎn)生的等離子體不會(huì)受到介質(zhì)阻擋，可以快速擴(kuò)散，對(duì)電爆炸本質(zhì)特征可以更好地加以研究。

空氣中爆炸橋絲產(chǎn)生的等離子體在空間分布上呈現(xiàn)了很好的一致性，但Sarkisov等[18]捕捉到的真空中爆炸橋絲畫(huà)面顯示，陽(yáng)極電爆炸時(shí)等離子體分布從陰極到陽(yáng)極呈清晰的圓錐形，而陰極電爆炸時(shí)則僅在陰極和陽(yáng)極附近存在少量等離子體，中間部分則很少。造成軸向等離子體分布不均一的原因，可能是電爆炸瞬間沿金屬絲表面的電場(chǎng)分布不均。Wang等[19]對(duì)鋁絲真空電爆炸作了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)電流增長(zhǎng)速率越快，在等離子體形成前爆炸橋絲上沉積的能量越多。此外，電爆炸發(fā)生前后電流的分布也發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)移，等離子體形成后電流快速?gòu)母呙芏壤浜思唇饘俳z向低密度熱等離子體轉(zhuǎn)移。Sinars等[20]對(duì)爆炸橋絲快速放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋絲沉積能量低于其所需的汽化能時(shí)橋絲未等離子體化部分呈泡沫狀。

1.3 水下爆炸橋絲等離子體技術(shù)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)電爆炸等離子體的研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向水下實(shí)驗(yàn)，由于電爆炸介質(zhì)的改變導(dǎo)致橋絲沉積的能量以及產(chǎn)生的等離子體的結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變，對(duì)于研究電爆炸動(dòng)力學(xué)過(guò)程有指導(dǎo)作用。

與空氣或真空中金屬絲電爆炸相比，水下金屬絲電爆炸的突出特點(diǎn)是由于水的難壓縮性導(dǎo)致等離子體無(wú)法迅速擴(kuò)散，徑向爆炸速度較慢，這意味著橋絲炸斷所需的時(shí)間更長(zhǎng)，因此水下金屬絲電爆炸時(shí)可以沉積更高的能量。

Lebedev等[21]發(fā)現(xiàn)金屬絲水下電爆炸時(shí)電流密度可以達(dá)到107A/cm2以上，而在真空中時(shí)，由于等離子體快速擴(kuò)散很難實(shí)現(xiàn)如此高的能量。DeSilva等[22-23]對(duì)銅絲、鋁絲的水下電爆炸研究表明，微秒時(shí)間尺度的電爆炸可用于構(gòu)建電爆炸過(guò)程的狀態(tài)方程和建立電導(dǎo)率模型。Sheftman課題組對(duì)不同時(shí)間尺度的水下電爆炸做了研究，為了實(shí)現(xiàn)所需的納秒[24]、微秒[25]和亞微秒[26]時(shí)間尺度放電，電流分別采用了50kA 、300A和550A。測(cè)定電爆炸時(shí)的電壓、電流信號(hào)，將實(shí)驗(yàn)得到的電阻與磁流體力學(xué)仿真模型相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)微秒尺度時(shí)兩者可以很好的吻合，而納秒和亞微秒尺度下現(xiàn)有模型則需做一定的修正。

張寒虹等[27]利用高速攝影研究了水下電爆炸的物理過(guò)程。與空氣介質(zhì)相比，水中電爆炸時(shí)由于產(chǎn)生的高溫高壓等離子體會(huì)強(qiáng)烈地壓縮水，導(dǎo)致水中形成較強(qiáng)的沖擊波，并伴隨有空泡脈動(dòng)。高速攝影拍攝到的電爆炸過(guò)程發(fā)現(xiàn)，高壓低電容條件下，放電初期金屬絲外層便有等離子體產(chǎn)生，大約幾十微秒后形成較為穩(wěn)定的等離子體。通過(guò)測(cè)定水介質(zhì)密度突變前沿的傳播速度得到水中沖擊波的傳播速度為1560～2190m/s，數(shù)倍于同等參量下空氣介質(zhì)中的絲沖擊波速度。

2 等離子體起爆炸藥研究進(jìn)展

電爆炸產(chǎn)生等離子體的過(guò)程通常都在微秒甚至納秒時(shí)間尺度內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生極高的能流密度、沖擊波以及大量活性粒子，當(dāng)其作用于炸藥時(shí)便可實(shí)現(xiàn)起爆。目前電爆炸等離子體技術(shù)在炸藥起爆領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要分為爆炸橋絲、半導(dǎo)體橋和爆炸箔3類(lèi)炸藥起爆領(lǐng)域的等離子體技術(shù)。

2.1 爆炸橋絲等離子體起爆炸藥

傳統(tǒng)熱橋絲式火工品作為一種常見(jiàn)的點(diǎn)火、起爆裝置有著廣泛的應(yīng)用[28]。但熱橋絲對(duì)靜電、射頻等較為敏感，容易發(fā)生炸藥誤起爆，難以適應(yīng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)，為了滿(mǎn)足不敏感武器系統(tǒng)的發(fā)展需求，爆炸橋絲作為一種不敏感起爆裝置得到了發(fā)展。

潘邦金[29]以金爆炸橋絲作為等離子體源直接起爆多種高能炸藥，包括雙(2,2,2-三硝基乙基)硝銨(HOX炸藥)、奧克托金(HMX)、黑索金(RDX)和太安(PETN)。爆炸橋絲沉積的能量為1.25J時(shí)，HOX炸藥和PETN對(duì)爆炸橋絲的感度更高，可實(shí)現(xiàn)100%起爆；HMX則感度較低，起爆概率不足45%；而RDX則對(duì)等離子體非常鈍感，沉積能量1.25J時(shí)完全無(wú)法起爆。此外炸藥晶型和粒度對(duì)起爆效果也有很大影響，柱狀晶型藥和超細(xì)粒度藥更易被起爆。

張振濤等[30]研制了基于RLC電路的 40kV脈沖等離子體起爆裝置。爆炸橋絲采用長(zhǎng)200mm、直徑0.2mm的銅絲。通過(guò)高速相機(jī)捕捉爆炸絲爆炸后形成的等離子體的擴(kuò)散過(guò)程，結(jié)果表明，等離子體的徑向整體擴(kuò)散過(guò)程速度一致性好。由于爆炸橋絲屬于線爆炸，當(dāng)其用于起爆炸藥時(shí)可以實(shí)現(xiàn)很高的同步性。湯鐵鋼等[31]設(shè)計(jì)了基于等離子體起爆的爆炸膨脹環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置。銅絲貫穿柱狀太安中心，由于銅絲產(chǎn)生的等離子體有很高的軸向同步性，因此起爆太安同步性較高，可以產(chǎn)生高同步性的力場(chǎng)，從而有效避免了由于同步性差導(dǎo)致的樣品管受力不均，降低了發(fā)生翻轉(zhuǎn)的概率，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性。Lee等[32]利用爆炸橋絲產(chǎn)生的沖擊波測(cè)試了軍用Ti-6Al-4V合金的動(dòng)態(tài)形變和抗沖擊性能。

對(duì)橋絲式火工品靜電感度的測(cè)試主要集中在數(shù)萬(wàn)伏以?xún)?nèi)的低電壓，然而隨著武器系統(tǒng)作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜，橋絲可能遇到幾十萬(wàn)伏的高壓靜電。

李志鵬等[33-34]研究了爆炸橋絲式火工品在高壓靜電下的放電響應(yīng)。結(jié)果表明隨著放電電壓的升高，爆炸絲會(huì)逐漸發(fā)生熔化直至發(fā)生電爆炸，并有明顯的燒蝕痕跡。然而即使在250kV的靜電作用下，雖然橋絲發(fā)生電爆炸但并沒(méi)有引燃或起爆太安，原因可能是實(shí)驗(yàn)采用的電爆絲尺寸及電阻太小，電爆炸產(chǎn)生的等離子體量較少，不能迅速膨脹產(chǎn)生足夠能量的沖擊波，因此不能起爆太安。鐘敏等[35]對(duì)比了熱橋絲和爆炸橋絲的靜電響應(yīng)，結(jié)果表明爆炸橋絲的50%發(fā)火靜電電壓高于200kV，遠(yuǎn)大于其50%熔斷電壓56.33kV，即爆炸橋絲即使由于靜電熔斷也不會(huì)輕易起爆炸藥。相反，熱橋絲的熔斷電壓高于發(fā)火電壓，即熱橋絲一旦熔斷則一定會(huì)起爆炸藥?？梢园l(fā)現(xiàn)，爆炸橋絲表現(xiàn)出非常優(yōu)異的抗靜電性能。

2.2 半導(dǎo)體橋等離子體起爆炸藥

半導(dǎo)體橋火工品作為傳統(tǒng)熱橋絲火工品的替代技術(shù)而得到發(fā)展。與爆炸橋絲火工品原理相似，半導(dǎo)體橋火工品將等離子體源由金屬絲替換為半導(dǎo)體材料。由于半導(dǎo)體在常溫下電阻大，因此半導(dǎo)體橋?qū)o電、雜散電流、射頻的感度低于熱橋絲，同時(shí)由于半導(dǎo)體電路可編程，易于小型化，因此半導(dǎo)體橋炸藥起爆技術(shù)得到了快速發(fā)展。

對(duì)半導(dǎo)體橋的研究早期集中在等離子體密度、電子密度[36-37]等參數(shù)的測(cè)定，Park等[38]對(duì)比了單晶硅和多晶硅半導(dǎo)體橋，發(fā)現(xiàn)單晶硅半導(dǎo)體橋的等離子體密度峰值出現(xiàn)要早于多晶硅半導(dǎo)體橋，通過(guò)有限元模擬分析其原因可能是單晶硅導(dǎo)熱性更好、半導(dǎo)體橋更早斷裂所致。Guo等[39]研究了靜電對(duì)半導(dǎo)體橋的損傷效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)靜電作用后半導(dǎo)體橋感度更高，點(diǎn)火電壓、點(diǎn)火能量均會(huì)降低，點(diǎn)火延時(shí)也有所增加。

Tappan等[40-41]成功將納米鋁熱劑沉積到半導(dǎo)體橋上，得到的復(fù)合起爆器起爆可靠性高，納米顆粒團(tuán)聚直徑小，但有機(jī)溶劑處理納米鋁熱劑的過(guò)程對(duì)靜電感度較高。Nellums等[42]以水為溶劑，將納米鋁熱劑直接沉積到半導(dǎo)體橋起爆器上，由于水溶劑可以起到鈍化作用，此方法降低了納米鋁熱劑加工過(guò)程的熱感度和靜電感度，但水溶液中需要加入磷酸二氫銨以抑制納米鋁粉與水的反應(yīng)。納米鋁熱劑復(fù)合半導(dǎo)體橋的能量密度得到了顯著提高。

雖然高能復(fù)合半導(dǎo)體橋可以提高半導(dǎo)體橋等離子體起爆器的起爆能力，但在實(shí)際使用中，半導(dǎo)體橋的作用對(duì)象基本都是起爆藥或火藥。

馬鵬等[43]以半導(dǎo)體橋?yàn)榈入x子體源直接起爆多種起爆藥，以最低全發(fā)火電壓表征其等離子體感度，感度順序依次為苦味酸鉛>疊氮化鉛>斯蒂芬酸鋇>硝酸肼鎳。王治平等[44]利用半導(dǎo)體橋以不足1J的點(diǎn)火能量直接起爆太安，由于點(diǎn)火能量很低，起爆機(jī)理推測(cè)為熱作用點(diǎn)燃隨后燃燒轉(zhuǎn)爆轟。王文[45]研究了半導(dǎo)體橋等離子體點(diǎn)火特性，建立了全面反映等離子體對(duì)藥劑作用的模型，測(cè)定了藥劑表面處的離子濃度和等離子體到達(dá)藥劑表面處的能量通量。張文超等[46]采用高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)電容激勵(lì)下的半導(dǎo)體橋電爆過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行了測(cè)量，得到了橋上不同電壓時(shí)半導(dǎo)體橋區(qū)不同時(shí)刻的汽化率、熔化率和電離率。

除了爆炸橋絲和半導(dǎo)體橋直接利用等離子體外，爆炸箔是一類(lèi)間接利用等離子體起爆炸藥的裝置。

Da Silva等[47]設(shè)計(jì)了用于測(cè)定爆炸箔等離子體分布的軟X射線干涉儀，可以得到空間分辨微米級(jí)的高密度等離子體分布場(chǎng)。通過(guò)與馬赫-曾德干涉儀聯(lián)用可以測(cè)定等離子體中的電子密度。Baksht等[48]研究了爆炸箔等離子體通道的形成過(guò)程，發(fā)現(xiàn)金屬汽化后，會(huì)重新在尚未完全汽化的橋箔表面結(jié)晶，而這些結(jié)晶在放電過(guò)程中會(huì)首先被擊穿，對(duì)等離子體通道的形成起著至關(guān)重要的作用。黃娜等[49]制備了可用于沖擊片雷管的Cu/Al/Ni復(fù)合金屬爆炸箔，通過(guò)高速攝影觀測(cè)到其電爆炸時(shí)產(chǎn)生的等離子體場(chǎng)的擴(kuò)散速度快于純銅爆炸箔。通過(guò)測(cè)定電爆炸過(guò)程中的電壓電流曲線，發(fā)現(xiàn)復(fù)合金屬箔可以承載更大的爆發(fā)電流，這就意味著其可以沉積更多能量。復(fù)合金屬箔對(duì)于改善沖擊片雷管的性能起到很大作用。

由于爆炸箔起爆器體積較大、成本較高，因此開(kāi)發(fā)基于微芯片的微型爆炸箔是其發(fā)展趨勢(shì)。Scholtes課題組[50]對(duì)爆炸箔起爆器進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。通過(guò)對(duì)等離子體部分的優(yōu)化，將爆炸箔起爆器的效率從40%提高到90%，為小型化提供了基礎(chǔ)。

3 等離子體起爆炸藥機(jī)理研究進(jìn)展

對(duì)等離子體起爆炸藥機(jī)理的研究可以分為兩部分，一方面是對(duì)電爆炸產(chǎn)生的等離子體的研究，包括等離子體溫度場(chǎng)，壓力場(chǎng)等參數(shù)的測(cè)定。另一方面是等離子體與炸藥的相互作用機(jī)理。

等離子體具有高溫高壓等特點(diǎn)，但不同的發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體的溫度壓力特征差別很大。對(duì)于半導(dǎo)體橋等離子體而言，由于其起爆能量小，產(chǎn)生的沖擊波較弱，因此目前普遍認(rèn)為半導(dǎo)體橋起爆技術(shù)屬于微對(duì)流作用機(jī)理[51]。即當(dāng)半導(dǎo)體橋通以脈沖電流時(shí)，硅橋材料因焦耳熱迅速氣化并在電場(chǎng)作用下形成4100～6000K的弱等離子體放電，等離子體迅速擴(kuò)散到炸藥中，使其受熱達(dá)到著火溫度而發(fā)火。

對(duì)于能量較高的爆炸橋絲等離子體，一般認(rèn)為其起爆炸藥的機(jī)理屬于沖擊起爆。對(duì)爆炸橋絲起爆炸藥機(jī)理的研究，核心在于橋絲產(chǎn)生的等離子體與炸藥之間相互作用產(chǎn)生爆轟波的過(guò)程。但是這一過(guò)程非常復(fù)雜，必須將其拆分為多個(gè)過(guò)程分步研究。

Lee課題組基于爆炸橋絲起爆太安實(shí)驗(yàn)，對(duì)爆炸橋絲的起爆機(jī)理作了系統(tǒng)性研究，將起爆過(guò)程分為3個(gè)步驟進(jìn)行表征：橋絲能量輸入、橋絲能量輸出、橋絲等離子體與炸藥相互作用。首先，研究基礎(chǔ)是爆炸橋絲能量沉積和能量轉(zhuǎn)化效率[52]。通過(guò)測(cè)定爆炸橋絲上流過(guò)的電流和橋絲兩端的電壓得到了橋絲上輸入的能量。研究結(jié)果表明，橋絲能量輸入可分為橋絲爆炸前、后兩部分，對(duì)炸藥起爆起主要作用的是橋絲爆炸前的能量輸入。隨著輸入總能量的增加，橋絲爆炸前的能量沉積隨之增加，但是橋絲爆炸所需的時(shí)間、效率(橋絲爆炸前能量輸入占總能量比例)降低，因此爆炸橋絲存在一個(gè)最優(yōu)的輸入能量，此時(shí)效率和性能可以實(shí)現(xiàn)均衡。其次，研究了爆炸橋絲的能量輸出[53]。以橋絲爆炸后的等離子體擴(kuò)散速度與沖擊波速度和壓力來(lái)表征爆炸橋絲的能量輸出。隨著起爆電壓增加，橋絲產(chǎn)生的等離子體的擴(kuò)散速度也隨之增加，為了進(jìn)一步模擬真實(shí)使用場(chǎng)景，開(kāi)展了水下爆炸橋絲實(shí)驗(yàn)，在水約束條件下，等離子體產(chǎn)生的的沖擊波強(qiáng)度經(jīng)推算可達(dá)1.5GPa，而文獻(xiàn)中同等條件下，太安炸藥爆轟增長(zhǎng)距離只需10μm，因此沖擊起爆是較為可信的爆炸橋絲等離子體起爆炸藥機(jī)理。最后，研究核心是等離子體與炸藥的相互作用[54]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證等離子體與炸藥的相互作用主要以沖擊波形式實(shí)現(xiàn)，對(duì)比了不同密度太安在爆炸橋絲起爆和典型沖擊起爆下的特征，二者表現(xiàn)出很好的一致性，從而佐證了沖擊起爆機(jī)理。

楊春霞等[55]研究了等離子體射流點(diǎn)火雙基藥的作用機(jī)理。通過(guò)對(duì)比常規(guī)點(diǎn)火和等離子體點(diǎn)火后樣品表面的X射線能譜，發(fā)現(xiàn)等離子體點(diǎn)火后樣品表面沉積了大量的鋁和銅粒子，這些粒子有助于熱量從火藥表層傳到內(nèi)部。進(jìn)一步通過(guò)掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)點(diǎn)火相比，等離子體點(diǎn)火后樣品表面形成了大量孔洞和氣泡，增加了點(diǎn)傳火通道。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)等離子體起爆機(jī)理研究主要還集中在熱力學(xué)角度，對(duì)于更微觀的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)歷程的研究還很少，是下一步研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電爆炸等離子體技術(shù)在炸藥起爆領(lǐng)域已得到了較為廣泛的應(yīng)用，表現(xiàn)出鈍感、起爆能力強(qiáng)、易于小型化、安全等特點(diǎn)，但起爆對(duì)象還局限在起爆藥、太安等高感度炸藥，對(duì)高能炸藥的起爆研究還較少，可靠性較低。今后其發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)是：

(1)開(kāi)展高能不敏感炸藥在等離子體直接起爆下的特性研究。一方面可以拓寬等離子體起爆的應(yīng)用范圍，更重要的是可以加深對(duì)炸藥特性，包括能量輸出、爆轟特性等的認(rèn)識(shí)。此外，等離子體直接起爆高能炸藥是一種無(wú)藥起爆方式，有助于不敏感武器系統(tǒng)的發(fā)展。

(2)開(kāi)展高能炸藥的等離子體起爆機(jī)理動(dòng)力學(xué)研究。電爆炸等離子體不僅會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、沖擊波，同時(shí)也含有大量活性粒子，可能改變炸藥爆炸的反應(yīng)路徑。開(kāi)展等離子體直接起爆高能炸藥的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，對(duì)加深等離子體強(qiáng)起爆能力的理解至關(guān)重要。

[1] Pavliňák D,Hnilica J,Quade A,et al.Functionalisation and pore size control of electrospun PA6 nanofibres using a microwave jet plasma[J].Polymer Degradation and Stability,2014,108: 48-55.

[2] Zhang J Q,Kasuya K,Takemura A,et al.Properties and enzymatic degradation of poly(acrylic acid) grafted polyhydroxyalkanoate films by plasma-initiated polymerization[J].Polymer Degradation and Stability,2013,98(8): 1458-1464.

[3] Yuan J J,Hong R Y,Wang Y Q,et al.Low-temperature plasma preparation and application of carbon black nanoparticles[J].Chemical Engineering Journal,2014,253: 107-120.

[4] Kotov Yu A.Electric explosion of wires as a method for preparation of nanopowders[J].Journal of Nanoparticle Research,2003,5: 539-550.

[5] Kim J H,Cho C H,Shin D H,et al.Abatement of fluorinated compounds using a 2.45GHz microwave plasma torch with a reverse vortex plasma reactor[J].Journal of Hazardous Materials,2015,294: 41-46.

[6] Gallimore S D,Jacobsen L S,Brie E F,et al.Geometric studies of anodes for use with low power ,uncooled plasma torches,AIAA 2003-0833 [R].Reston: American Institute of Aeronautics and Astronautics,2003.

[7] Wang Z,Huang J,Wang Q,et al.Experimental study of microwave resonance plasma ignition of methane-air mixture in a constant volume cylinder[J].Combustion and Flame,2015,162(6): 2561- 2568.

[8] Shibkov V M,Shibkova L V,Gromov V G,et al.Influence of surface microwave discharge on ignition of high-speed propane-air flows[J].High Temperature,2011,49(2): 155-167.

[9] Douglass J D,Pikuz S A,Shelkovenko T A,et al.Structure of the dense cores and ablation plasmas in the initiation phase of tungsten wire-array Z pinches[J].Physics of plasmas,2007,14: 12704-1-12704-9.

[10] Sanford T W L,Jennings C A,Rochau G A,et al.Wire initiation critical for radiation symmetry in z-pinch-driven dynamic hohlraums[J].Physical Review letters,2007,98: 5003-1-5003-4.

[11] Chen Q C,Fu Q B,Chen L,et al.Parametric influences on the sensitivity of exploding foil initiators[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2014,39: 558- 562.

[12] Kaushik T C,Kulkarni L V,Auluck S.Feasibility studies on performance enhancement in electrically exploding foil accelerators[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2002,30: 2133 - 2138.

[13] 譚迎新,張景林,王桂吉.電爆炸導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)小飛片起爆技術(shù)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2003,24(2): 253-256 TAN Yin-xin,ZHANG Jin-lin,WANG Gui-ji.A study on the explosion initiation by electrically exploded conductor driving a small flyer[J].Acta Armamentarii,2003,24(2): 253-256.

[14] Novac B M,Smith I R,Magureanu M.High electric fields sustained in fast EBW experiments[J].Journal of Physics.D,1998,31(17): 57 - 58.

[15] Murphy M J,Adrian R J,Stewart D S,et al.Visualization of blast waves created by exploding bridge wires[J].Journal of Visualization,2005,8(2): 125-135.

[16] Pikuz S A,Romanova V M,Baryshnikov N V,et al.A simple air wedge shearing interferometer for studying exploding wires[J].Review of Scientific Instruments,2001,72(1): 1098-1100.

[17] 趙軍平,張喬根,周慶,等.鋁絲電爆炸過(guò)程的光學(xué)診斷[J].強(qiáng)激光與粒子束,2012,24(3): 544-548.ZHAO Jun-ping,ZHANG Qiao-geng,ZHOU Qing,et al.Optical diagnosis of electrical explosion process of aluminum wire[J].High Power Laser and Particle Beams,2012,24(3): 544-548.

[18] Sarkisov G S,Sasorov P V,Struve K W,et al.Polarity effect for exploding wires in a vacuum[J].Physical Review E,2002,66(4): 046413.

[19] Wang K,Shi Z,Shi Y,et al.Numerical investigations on the nanosecond electrical explosion of single aluminum wire in vacuum[C]∥ 2014 IEEE 41st International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS).Washington D C:[s.n.],2014.

[20] Sinars D B,Shelkovenko T A,Pikuz S A,et al.Exploding aluminum wire expansion rate with 1-4.5 kA per wire[J].Physics of Plasmas ,2000,7(5): 1555 - 1563.

[21] Lebedev S V,Savvatimskii A I.Metals during rapid heating by dense currents[J].Soviet Physics Uspekhi,1984,27(10): 749-771.

[22] DeSilva A W,Kunze H J.Experimental study of electrical conductivity of strongly coupled copper plasma[J].Physical Review E,1994,49(5): 4448- 4454.

[23] DeSilva A W,Katsouros J D.Electrical conductivity of dense copper and aluminum plasma[J].Physical Review E,1998,57(5): 5945 -5951.

[24] Sheftman D,Krasik Y E.Investigation of electrical conductivity and equations of state of non-ideal plasma through underwater electrical wire explosion[J].Physics of Plasmas,2010,17(11): 112702-1-112702-13.

[25] Sheftman D,Krasik Y E.Evaluation of electrical conductivity and equations of state of non-ideal plasma through microsecond timescale underwater electrical wire explosion[J].Physics of Plasmas,2011,18(9): 092704-1-092704-8.

[26] Sheftman D,Shafer D,Efimov S,Krasik Y E.Evaluation of electrical conductivity of Cu and Al through sub microsecond underwater electrical wire explosion[J].Physics of Plasmas,2012,19(3): 034501-1-034501-4.

[27] 張寒虹,陳志福.水中電爆炸的高速攝影研究[J].光子學(xué)報(bào),2001,30(7): 889-891.ZHANG Han-hong,CHEN Zhi-fu.Underwater wire explosion by high speed photography[J].Acta Photonica Sinica,2001,30(7): 889-891.

[28] Turcotte R,Goldthorp S,Badeen C M.Hot-Wire Ignition of AN-Based Emulsions[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2008,33: 472 -481.

[29] 潘邦金.爆炸線起爆猛炸藥時(shí)顆粒尺寸的實(shí)驗(yàn)研究[J].火炸藥,1980,6: 11-21.PAN Bang-jin.Experimental studies on particle size effects in initiating high energy explosion by exploding bridge wire[J].Explosives and Propellants,1980,6: 11-21.

[30] 張振濤,郭昭亮,蒲國(guó)紅,等.爆炸絲線起爆裝置研制及應(yīng)用[J].強(qiáng)激光與粒子束,2014,26(03): 269-273.ZHANG Zhen-tao,GUO Zhao-liang,PU Guo-hong,et al.Development and application of exploding wire initiation system[J].High Power Laser and Particle Beams,2014,26(03): 269-273.

[31] 湯鐵鋼,劉倉(cāng)理.一種新型爆炸膨脹環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2013,28(2):247-254.TANG Tie-gang,LIU Cang-li.A novel experimental setup for explosively loaded expanding ring test[J].Journal of Experimental Mechanics,,2013,28(2): 247-254.

[32] Lee Y H,Lee D G,Lee S.Dynamic deformation and ballistic properties of Ti-6Al-4V alloy 1.Ultra-high-speed exploding properties[J].Journal of the Korean Institute of Metals and Materials,2003,41: 645- 651.

[33] LI Zhi-peng,LIU Lan,LV Zi-jian,et al.Study on the damage effects of primary explosive in some detonator caused by ESD[C] ∥ Proceeding of the 2009 International Autumn Seminar on Propellants,Explosives an Pyrotechnics.Kunming：[s.n.],2009:94-96.

[34] LI Zhi-peng,LIU Ying,ZHANG Pan-jun,et al.Effects of electrostatic discharge on the performance of exploding bridge wire detonators[J].Journal of Physics : Conference series 418,2013:0120511-0120515.

[35] 鐘敏,李志鵬,龍新平,等.典型橋絲火工品靜電放電響應(yīng)研究[J].火工品,2015 (3): 22-25.ZHONG Min,LI Zhi-peng,LONG Xin-ping,et al.Response of typical bridge wire detonator to electric discharge[J].Initiators and Pyrotechnics,2015 (3): 22-25.

[36] Kim J,Schamiloglu E.Measurement of plasma electron density generated by a semiconductor bridge (SCB)[J].Electronics Letters,1994,30(7): 603 - 604.

[37] Kim J,Song Y H.Determination of the temporal plasma density above a semiconductor bridge[J].Electronics Letters,1996,32(15): 1412 - 1413.

[38] Park M I,Choo H T,Yoon S H,et al.Comparison of plasma generation behaviors between a single crystal semiconductor bridge (single-SCB) and a polysilicon semiconductor bridge (poly-SCB)[J].Sensors and Actuators A,Physical,2004,115: 104 - 108.

[39] Guo X R,Zhang L,Zhu Sh G.Investigations on the ignition characteristics of a semiconductor bridge with an electrostatic discharge[J].Combustion,Explosion and Shock Waves,2013,49(2): 231-237.

[40] Tappan A S,Long G T,Renlund A M,et al.Microenergetic Materials-Microscale Energetic Material Processing and Testing[C]∥41st AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno: American Institute of Aeronautics and Astronautics,2003:242.

[41] Tappan A S,Pahl R J,Renlund A M,Nogan J J,et al.Optical Pyrometry Temperature Measurement of Miniature Charges of MIC Nanocomposite Thermite[C]∥33rd International Pyrotechnics Seminar.Ft.Collins,CO:IPS,2006.

[42] Nellums R R,Son S F,Groven L J.Preparation and characterization of aqueous nanothermite inks for direct deposition on SCB initiators[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2014,39(3): 463- 470.

[43] 馬鵬,朱順官,張壘,等.起爆藥等離子體感度研究[J].含能材料,2010,18(1): 72-75.MA Peng,ZHU Shun-guan,ZHANG Lei,et al,Plasma sensitivities of different kinds of primary explosion[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2010,18(1): 72-75.

[44] 王治平,費(fèi)三國(guó),龔晏青,等.半導(dǎo)體橋起爆炸藥的實(shí)驗(yàn)研究[J].爆炸與沖擊,2000,4: 359 - 363.WANG Zhi-ping,FEI San-guo,GONG Yan-qing,et al.The experimental research on the Initiation of explosives by semiconductor bridge[J].Explosion and Shock Waves,2000,4: 359 - 363.

[45] 王文.半導(dǎo)體橋等離子體點(diǎn)火特性研究[D].南京: 南京理工大學(xué),2007.WANG Wen.Ignition characteristics of the semiconductor bridge plasma[D].NanJing: Nanjing University of Science and Technology,2007.

[46] 張文超,葉家海,秦志春,等.半導(dǎo)體橋電爆過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換測(cè)量與計(jì)算[J].含能材料,2008,16(5): 564-566.ZHANG Wen-chao,YE Jia-hai,QIN Zhi-chun,et al.Measurement and calculation for SCB electro-explosion energy conversion features[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2008,16(5): 564-5662008,16(5): 564-566.

[47] Da Silva L B,Cauble R.Two-dimensional interferogram of an exploding selenium foil using a soft X-ray laser inter-ferometer[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1996,1: 31-32.

[48] Baksht R,Pokryvailo A,Yankelevich Y,et al.Explosion of thin aluminum foils in air[J].Journal of applied physics,2004,96(11): 6061-6065.

[49] 黃娜,唐洪佩,黃寅生,等.沖擊片雷管爆炸箔的制備與電爆性能[J].含能材料,2014,22(4): 514-520.HUANG Na,TANG Hong-pei,HUANG Yin-sheng,et al.Preparation and electrical performance of exploding foil in slapper detonator[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2014,22(4): 514-520.

[50] Scholtes J H G,Prinse W C,Bouma R H B,et al.Develop-ment of exploding foil initiators for future IM[C]∥2007 In-sensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium (IMEMTS).Miami: NDIA,2007.

[51] 吳蓉,朱順官,張琳,等.半導(dǎo)體橋等離子體溫度的實(shí)驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(5): 559-563.WU Rong,ZHU Shun-guan,ZHANG Ling,et al.Experimental investigation on the semiconductor bridge plasma temperature[J].Acta Armamentarii,2011,32(5): 559-563.

[52] Lee E A,Drake R C,Richardson J.A view on the functioning mechanism of EBW detonators-part 1: electrical characterisation[J].Journal of Physics: Conference Series.2014,500(19): 192008.

[53] Lee E A,Drake R C,Richardson J.A view on the functioning mechanism of EBW detonators-part 2: bridgewire output[J].Journal of Physics: Conference Series.2014,500(5): 052024.

[54] Lee E A,Drake R C,Richardson J.A view on the functioning mechanism of EBW detonators-part 3: explosive initiation characterisation[J].Journal of Physics: Conference Series,2014,500(18): 182023.

[55] 楊春霞,李貞曉,李海元,等.雙基藥等離子體點(diǎn)火的物理化學(xué)效應(yīng)分析[J].彈道學(xué)報(bào),2012,24(2): 66-68.YANG Chun-xia,LI Zhen-xiao,LI Hai-yuan,et al.Physical and chemical analysis of double-base propellant ignited by plasma[J].Journal of Ballistics,2012,24(2):66-68.

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

國(guó)防重大基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(No.004040205)

薛樂(lè)星(1991-)，男，碩士研究生，從事軍用混合炸藥技術(shù)研究。E-mail: xue_l_x@163.com

王曉峰(1967-)，男，博士，博士生導(dǎo)師，研究員，從事炸藥及裝藥技術(shù)研究。E-mail: wangxf_204@163.com

TJ55;O53

A

1007-7812(2017)01-0007-07