火工品第十一章先进火工品技术a

先进火工品技术国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology王茜1.火工品总体发展趋势国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology常规火工品结构复杂体积较大功能单一先进火工品结构简化灵巧微小功能多样智能化一体化MEMS火工技术激光点火技术激光起爆技术半导体（SCB）桥爆炸网络直列式火工品2.先进火工技术国内外现阶段研究最多国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology3.MEMS火工品技术（1）MEMS（MicroElectro-MechanicalSystems，微机电系统）采用微细加工技术和微装药技术将多个含能单元、微机械系统和微电子电路集成为具有多功能的含能模块或含能芯片。国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology含能单元微机械系统微电子电路++=MEMS火工品（2）MEMS火工品特点：国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology特点微型化集成化多功能化高可靠性高精度批量化低成本（3）MEMS火工品制造技术国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyI.体硅工艺UV甩胶光刻显影刻蚀基片光刻胶（3）MEMS火工品制造技术国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyII.牺牲层工艺（3）MEMS火工品制造技术国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyIII.LIGA工艺4.典型MEMS火工品国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyI.含能桥箔(EnergeticBridge)4.典型MEMS火工品国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyII.微推进芯片(MicroThrusterChip)MEMS体工艺4.典型MEMS火工品国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyIII.微型引信（MicroFuse）4.典型MEMS火工品国防科技学院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyIV.微型火箭（MicroRocket）特点①光不受电磁波的影响②光纤传输与电绝缘③结构简单④系统质量轻⑤排除桥腐蚀失效⑥后电阻效应12.1激光点火（1）选择用光纤传输的激光作为点火能源的理由（2）激光点火原理当激光作用于药剂表面时，一部分能量被反射，另一部分能量入射到药剂表面，并在极薄的表面药层内被吸收，这种吸收和反射主要取决于药剂的光学性质。由于光热效应，药剂所吸收的激光能量转化为热量，使其表面温度上升，发生热分解，甚至出现不可逆的燃烧化学反应。典型的激光点火曲线（3）激光点火过程的三阶段①含能材料吸收入射激光能量，因为光热效应，药剂表面被加热；②含能材料因为被加热，发生凝聚相化学反应，温度继续升高；③不仅药剂表面发生凝聚相化学反应，而且表面上方也存在气相化学反应，这一阶段认为点火已经发生。xRTEIeQZexTtTc22初始条件：t=0,T=T0(x0)边界条件：x=0，（t0）式中：I-炸药表面处激光束能量密度；α-炸药对激光的吸收系数。0/xT（4）激光点火过程中的热平衡方程（5）激光点火/起爆系统的组成激光器聚焦透镜光纤耦合器激光点火/起爆器驱动电源保险与解除保险装置（6）激光点火器类型(a)插入式耦合(b)接触式耦合(c)间接式耦合1－点火药2－壳体3－光纤4－透窗132131234阶跃光纤：纤芯的折射率是常数梯度光纤：纤芯折射率由轴心沿径向逐渐减小自聚焦特点（7）光纤类型激光束药剂羽焰激光直接辐射含能材料的原理示意图（8）激光与含能材料作用类型羽焰激光束药剂透窗激光间接辐射含能材料的原理示意图激光束透窗金属膜烧蚀羽焰激光束烧蚀镀在透窗表面上的金属膜原理图（等离子体）（9）激光点火器设计1.激光点火器结构设计三种结构的优缺点2.激光点火器装药设计美军标MIL－STD－1901中B/KNO3是直列式点火系统唯一的许用点火药，因此激光点火器装药首选B/KNO3。装药设计包括：配比、压药压力、粒度及掺杂等。（a）B/KNO3配比设计压力/MPa配比/W%掺杂/W%功率阈值/W激光点火时间/ms桥丝点火时间/ms10024:760.196.82810033:670.213.615.310043:570.254.415.610033:673%碳黑0.162.5配比对B/KNO3感度和点火时间的影响（b）B/KNO3装药粒度和压药压力设计压药压力/MPa12.537.7100粒度/μm202011.520阈值功率/W0.460.29点火时间/ms3.73.43.6配比=33:67（c）其它点火药的激光点火特性药剂压力/MPa激光点火感度/W点火时间/msC/S/KNO3700.0865.47Pb2[Fe(CN)4]/KClO4450.2820.42Zr/KClO4800.271.84（10）激光点火系统参数对点火特性的影响1.激光功率、波长和脉宽（激光参数）对点火特性的影响①功率大，表示单位时间内激光器传递给药剂的能量多，药剂表面得热速率较大。因此，可以缩短点火时间。但是随着功率增大，存在一个最小值。②药剂对激光能量的吸收具有波长选择性。对B/KNO3点火药，分别用808nm和980nm的激光进行试验，对应的功率阈值分别为0.32W和0.67W。③如果点火时间小于激光的脉宽，则脉宽的大小对点火时间没有影响；反之，则脉宽长，点火时间短。2.能量损耗对激光点火系统的影响①对于用光纤传输能量的激光点火系统来说，能量的损耗主要有：激光器－光纤耦合损耗、光纤传输损耗、光纤－光纤耦合损耗、光纤输出端面质量造成的损耗等。②前两个主要取决于激光器和光纤的制造水平，因此，在设计系统时，重点考虑后两种损耗对激光点火性能的影响。3.光纤直径对点火特性的影响光纤直径/μm点火阈值/mJ能量密度/J.cm-2点火时间/ms偏差/ms10019.40247.1326.033.5420042.98136.8825.583.35400105.7284.1734.494.67600235.8683.4232.724.74激光器：1.06μm钕玻璃激光器，脉宽2.4ms4.激光点火系统可靠性裕度确定①激光点火系统的可靠性大于0.999②根据国外的经验，高可靠性下的刺激量的确定是通过裕度系数来保证的。③对激光点火器而言，裕度系数为2时就能可靠发火。④对系统而言，需考虑光纤损耗、接头损耗、耦合损耗对点火器的作用裕度后，才能得到系统作用可靠的激光能量。经折算，激光器功率约为点火器点火阈值的10倍时，激光点火系统才保证可靠作用。5.激光点火与桥丝点火性能的比较药剂Pb2[Fe(CN)4]/KClO4Ti/KClO4B/KNO3B/BaCrO激光点火时间/ms0.421.22.838桥丝点火时间/ms4.164.1631.220二极管激光器12.2激光起爆技术（1）高能炸药的激光起爆方式①激光直接与高能炸药作用（与桥丝式电雷管在作用相似）；②激光通过炸药表面的薄金属膜的快速加热而作用（与EBW式电雷管作用相似）；③激光通过烧蚀一金属箔产生一高速飞片撞击高能炸药而作用（与EFI式电雷管作用相似）。激光起爆系统组成：激光器、光纤、激光雷管①激光直接起爆炸药技术a)实施途径：一是用激光点燃起爆药完成爆燃转爆轰(不采用)；二是采用全猛炸药的爆燃转爆轰结构b)关键：窗口材料选择及密封工艺窗口材料的选择基于：材料的折射指数、雷管所需密封强度、窗口材料的热导率、窗口与壳体之间的热膨胀关系等。蓝宝石、P玻璃②激光飞片雷管原理及设计12.3半导体桥火工品技术（1）SCB火工品的作用机理硅的电阻率与掺杂浓度和温度的关系通电SCB桥升温桥熔化桥汽化等离子体形成并持续药剂发火微对流传热（2）半导体桥的结构和制造工艺铝膜层重掺杂多晶硅层SiO2绝缘层硅基底桥硅基底SCB制造工艺流程图（3）半导体桥火工品基本特点①安全电流高②桥材料的负温度系数，有利于降低发火能量③桥热容小，有利于降低发火能量④瞬发度高常规桥丝雷管钝感桥丝雷管金属膜桥雷管半导体桥雷管发火能量/mJ1010101瞬发度/μs10～10010～100010～10010～100安全指标1A1W1A1W1A1W1A1W几类电雷管的发火性能对比表（4）半导体桥火工品设计①半导体桥设计桥电阻1Ω，高掺杂7×1019个原子/厘米3，电阻率约为7.6×10－4Ω·cm厚度：2μm，L/W＝1:3.8电阻为1欧姆典型尺寸为100μm×380μm×2μm(a)(b)（C）(d)②半导体桥芯片加工工艺和封装结构设计（1）半导体桥芯片加工工艺（2）半导体桥封装结构设计陶瓷封装，SCB芯片放在陶瓷塞的凹槽内，采用多股焊丝用超声波焊接。1－下半壶形铁芯；2－50匝初级线圈；3－半导体桥；4－聚酰亚胺薄片包覆1匝次级线圈；5－上半壶形铁芯；6－药柱导弹点火器通过线圈将导弹上的高压变低压，而引燃点火药（5）SCB火工品介绍①点火装置②起爆装置1-电容器2-耐蚀管壳3-输出开关4-盖片5-炸药6-SCB7-微电子代码模块8-光电代码发火信号9-接地10-输入电源灵巧SCB雷管装药为氮化铅、泰安，药量30~80mg1-触发电路2-电子开关3-SCB4-绝缘塑料飞片5-圆筒6-炸药7-输入电路8-飞片装置SCB冲击片雷管原理图1、5-密封盘2-挡板3-发射药柱4-波纹弹垫6-点火药柱7-电极塞8-外壳半导体桥推冲器用于精确制导导弹弹道末端修正弹道③动力源装置④装药为TiH1.65/KClO4时，桥丝式和半导体桥推冲器性能对比桥尺寸/μm发火能量/mJ5分钟不发火电流/A静电试验/25kV作用时间/μs热桥丝推冲器Φ48×100032.61.1通过3400半导体桥推冲器1100×380×22.721.39通过60半导体桥推冲器247×140×20.451.3通过100半导体桥推冲器323×67×20.231.0通过150（6）SCB火工品的发展趋势一是降低制造成本；二是钝感化；三是小型化，满足现代小型引信的发展要求；四是安全、精确。SCBRSCBMcSCB半导体桥膜技术发火能量~3mJ多晶硅桥膜可反应半导体桥膜技术发火能量~3mJ多晶硅-多层金属桥膜（W-Si，W-Ti-Si）芯片级半导体桥膜技术发火能量3mJ集成静电、电磁旁路（集成齐纳二极管旁路）新型SCB桥（光电半导体桥火工系统---光起爆电发火系统）作用原理：火工品内部的微型电路和光电转换装置，将来自光纤的光能转换成电能，利用半导体桥使药剂点火。优点：系统的每一个动作都可以有独立的保险/解除保险装置；系统具有钝感化、质量轻等特点；能控制多个有次序事件的作用并且作用迅速；满足直列式点火系统的安全性要求等。12.4爆炸网络技术（1）概念及分类爆炸网络是一种由爆炸元件构成、通过爆轰信号传递起爆指令的火工系统。爆炸元件指的是能够传递和调制爆轰信号的装药体或装药结构。装药载体的不同：可以分为刚性网络和柔性网络根据功能不同，可分为爆炸逻辑网络、同步起爆网络和异步起爆网络常用的有：爆炸逻辑网络、刚性同步起爆网络（2）爆轰波拐角现象123ａ3=60°ａ2=90°ａ1=120°拐角效应和聚波效应拐角效应和聚波效应示意图ABCEFO（3）爆炸逻辑元件和网络①爆炸逻辑零门爆炸逻辑零门原理：利用小尺寸装药爆轰波传播的拐角效应，由两个装药尺寸相同的相互垂直的通道构成。②爆炸逻辑网络爆炸逻辑网络是由零门和其它爆炸线路组成的具有逻辑判断和运算功能的爆