CN107121021A - 一种金属桥箔电爆炸换能元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属桥箔电爆炸换能元，由基底以及形成于基底上的金属薄膜组成，金属薄膜以中部的阵列电桥区为基准将两侧划分为电极区；阵列电桥区与两侧电极区交界处加工有一个以上条形槽，条形槽的长度方向由一侧电极区指向另一侧电极区，条形槽之间以及条形槽与阵列电桥区边界之间形成两个以上单体桥箔，两个以上单体桥箔并联连接；电极区为由大到小的收缩结构，电极区与阵列电桥区连接的区域边界与垂直于条形槽长度方向的垂线夹角为40°～60°。本发明能够降低起爆或点火系统的发火电压，增加桥箔换能元发火面积，提高金属桥箔换能元能量利用率。

Description

一种金属桥箔电爆炸换能元
技术领域
本发明涉及一种金属桥箔电爆炸换能元，具体涉及一种阵列式金属桥箔电爆炸换能元。
背景技术
基于金属电爆炸原理的金属桥箔电爆炸技术，在武器弹药系统的安全起爆和点火中具有重要用途。一是利用金属桥箔电爆炸产生高温高压等离子体加速飞片直接撞击药柱，冲击起爆炸药，研制无敏感起爆药的飞片起爆系统，实现高安全和高可靠的炸药起爆；二是利用金属桥箔电爆炸产生高温高压等离子体流，直接点燃钝感点火药，研制等离子体点火系统，实现安全快速点火。目前，我国金属桥箔电爆炸直列式起爆和点火系统还只是少量用于导弹、鱼雷等高价值的武器系统中，而在小型的弹药系统中还不能广泛应用。主要原因是现有桥箔能量利用率不高，只有采用大功率、高电压的脉冲功率源才能够实现可靠的起爆和点火功能，导致起爆和点火系统整体的体积和重量相对较大，价格昂贵，在很大程度上限制了其使用范围。因此，寻找出能够降低桥箔发火电压、增加点火面积，提高能量利用效率的新方法，从而减小电源系统体积，对解决我国金属桥箔电爆直列式起爆或点火系统小型化难题，实现大范围技术应用具有重要的理论意义和实际价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种金属桥箔电爆炸换能元，能够降低起爆或点火系统的发火电压，增加桥箔换能元发火面积，提高金属桥箔换能元能量利用率。
一种金属桥箔电爆炸换能元，由基底以及形成于基底上的金属薄膜组成，所述金属薄膜以中部的阵列电桥区为基准将两侧划分为电极区；
所述阵列电桥区与两侧电极区交界处加工有一个以上条形槽，条形槽的长度方向由一侧电极区指向另一侧电极区，条形槽之间以及条形槽与阵列电桥区边界之间形成两个以上单体桥箔，两个以上单体桥箔并联连接；
所述电极区为由大到小的收缩结构，电极区与阵列电桥区连接的区域边界与垂直于条形槽长度方向的垂线夹角为40°～60°。
进一步地，所述金属薄膜为两层结构，分别为基底上的铬层以及铬层上表面的金层。
进一步地，所述两个以上单体桥箔宽度相等，单体桥箔之间相互平行并呈等间距排列。
进一步地，所述电极区与阵列电桥区的区域边界与垂直于条形槽长度方向的垂线夹角为55°。
进一步地，电极区与阵列电桥区连接部分采用弧形连接，光滑过渡。
进一步地，所述铬层通过真空磁控溅射工艺形成。
有益效果：
1、本发明设计的金属阵列桥箔结构，通过实验和计算结果表明，与横截面积相等的单体桥箔相比，由于各个电桥电爆炸产生的等离子体，相互汇聚形成密度更高，直径更大的等离子体流，增强了桥箔电爆炸过程中对电能的后续吸收，进一步增加了等离子体电离度，提高了桥箔电爆炸过程中的能量吸收效率，使得电爆炸产生的等离体射流速度和冲击波波速衰减较慢，增强了其驱动飞片或直接点火的能力。
2、本发明的金属薄膜采用铬层上镀金，不易氧化，性能稳定，而且Cr金属层的作用是提高导电层与基底的附着力，使导电层与基底结合更紧密。
3、本发明的单体桥箔宽度相等，单体桥箔之间相互平行并呈等间距排列，这种排列方式电爆炸效果和能量利用率较佳。
4、本发明电极区与阵列电桥区连接部分采用弧形连接，避免了电荷在链接拐角处聚集，导致局部过热而发生局部先发生电爆炸的现象。
5、本发明的铬层通过真空磁控溅射工艺形成，形成的晶体结构好，平整度高。
附图说明
图1为本发明的结构俯视图；
图2是本发明金属阵列桥箔换能元的三个不同结构的实施例电爆炸过程桥箔能量吸收曲线；
图3是本发明金属阵列桥箔换能元的三个不同结构的实施例电爆炸流场纹影图像；
图4是本发明金属阵列桥箔换能元的三个不同结构的实施例电爆炸产生的空气冲击波速度曲线；
图5是通过数值模拟获得的本发明金属阵列桥箔换能元的三个不同结构的实施例电爆炸后0.5μs时产生的等离子体相分布图；
图6是通过数值模拟获得的本发明金属阵列桥箔换能元的三个不同结构的实施例电爆炸后0.5μs时流场压力分布图；
图7是通过数值模拟获得的本发明金属阵列桥箔换能元的三个不同结构的实施例电爆炸后0.5μs时，与阵列方向平行且位于阵列正前方0.15mm处的直线位置上的密度分布曲线；
图8是通过数值模拟获得的本发明金属阵列桥箔换能元的三个不同结构的实施例电爆炸后0.5μs时，与阵列方向平行且位于阵列正前方0.15mm处的直线位置上的流场温度分布曲线。
其中，1-基底，2-金属薄膜，3-阵列电桥区，4-单体桥箔，5-电极区。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种金属桥箔电爆炸换能元，由基底以及形成于基底上的金属薄膜组成，金属薄膜以中部的阵列电桥区为基准将两侧划分为电极区，阵列电桥区与两侧电极区交界处加工有一个以上条形槽，条形槽的长度方向由一侧电极区指向另一侧电极区，条形槽之间以及条形槽与阵列电桥区边界之间形成两个以上单体桥箔，两个以上单体桥箔并联连接；电极区为由大到小的收缩结构，电极区与阵列电桥区连接的区域边界与垂直于条形槽长度方向的垂线夹角为40°～60°。采用阵列式的桥箔结构与体积相等的单体桥箔相比，由于各个单体桥箔电爆炸产生的等离子体，相互汇聚能够形成密度更高、直径更大的等离子体流，增强了桥箔电爆炸过程中对电能的后续吸收，进一步增加了等离子体电离度，提高了桥箔电爆炸过程中的能量吸收效率，使得电爆炸产生的等离体射流速度和冲击波波速衰减较慢，增强了其驱动飞片或直接点火的能力。
图1所示为本发明的实施例一，金属桥箔电爆炸换能元包括基底1和金属薄膜2。基底1的材料为99％三氧化二铝(Al2O3)陶瓷或者石英玻璃，金属薄膜2是由真空磁控溅射工艺形成于石英玻璃基底上，然后通过光刻剥离获得所需要的结构。金属薄膜2由两层金属薄膜组成：第一层为通过真空磁控溅射工艺形成于石英玻璃基底上的Cr金属层，第二层为通过真空磁控溅射工艺形成在Cr金属层上的Au金属层，Au金属层为主要导电层，Au层作为主导电层具有电导率高、电能吸收率高、不易氧化、性质稳定等优点。金属薄膜2整体为蝶形结构，沿水平方向和竖直方向均呈轴对称。包括阵列电桥区3以及分布于阵列电桥区3两侧的电极区5。本实施例中的阵列电桥区3由四个单体桥箔4组成，单体桥箔4为矩形结构，各个单体桥箔的宽度相等并且呈等间距、平行分布。电极区5与阵列电桥区3连接处的拐角设计成半径为0.5mm的圆弧形，光滑过渡，并且连接处的夹角设计为55°。
更进一步的解决方案：使用铜Cu代替Au作为主要导电层以降低阵列桥箔结构的成本，此时在Cu层上覆盖一层不易氧化的金属，例如Cr、Au，以防止Cu在空气中发生氧化而使桥箔的电爆炸性能不稳定。
在本发明的其他实施例中，单体桥箔4的个数还可以为两个、三个或者更多。
为了更好地分析阵列式桥箔的作用，通过数值模拟获得本发明金属阵列桥箔换能元的三个不同结构的结果进行说明。
实施例一中，桥箔厚度确定为5μm，长度为0.5mm，单体桥箔4间距为0.2mm，对于四阵列桥箔，单体桥箔4宽为0.1mm，此处将其称为B1型；对于二阵列桥箔，单体桥箔4宽为0.2mm，称为B2型；为了与多体阵列桥箔结果进行对比分析，还设计了单体桥箔，桥箔宽为0.4mm，称为B3型，其它参数与多体阵列桥箔保持一致。
图2是金属桥箔电爆炸过程中桥箔能量吸收曲线，图中可以看出双体金属阵列桥箔电爆炸换能元B2电爆炸时的电能吸收曲线以及四体金属阵列桥箔电爆炸换能元B1电爆炸时的电能吸收曲线，明显高于桥箔宽度相同的单体桥箔电爆炸换能元B3电爆炸电能吸收曲线。说明与单体桥箔相比，多体金属阵列桥箔电爆炸换能元电爆炸时吸收的能量更多，能量利用率更高。
图3所示为本发明上述实施例在空气中发生电爆炸后1.32μs时的流场纹影图像。比较这三幅图可以看出多体金属阵列桥箔电爆炸换能装置电爆炸后产生的等离子体更宽，强度也更大，因此有效的点火面积也将更大。
图4所示为本发明的几个实施例电爆炸后产生的冲击波速度变化曲线，图中可以看出B1电爆炸后产生的冲击波速度以及B2电爆炸后产生的冲击波速度明显高于桥箔宽度相同的单体桥箔B3电爆炸后的冲击波速度。
图5所示为数值模拟得到的0.5μs时，三个实施例电爆炸后等离子体相分布图。由图可知，在距离桥箔表面0.15mm处(图中竖直线所示位置)，此时刻，B1电爆炸等离子体射流的直径为1.42mm；B2为1.02mm；B3只有0.82mm。由此可见，在不增加桥箔等效总宽的情况下，多体金属阵列桥箔电爆炸换能装置可以增加桥箔电爆炸等离子体射流直径，并且随着桥箔阵列数目的增加，等离子体射流直径越大，因此有效的点火面积也将更大。
图6所示为0.5μs时，三个实施例电爆炸后流场的压力分布云图。由图可知单体桥箔B3的最高压力值低于多体阵列桥箔，且高压区域也显明小于多体阵列桥箔。压力大，点火效果好。
图7是0.5μs时，距离桥箔表面0.15mm处的直线位置上的密度分布曲线。由图可以看出，B1电爆炸后中心交汇区域压力急剧升高，在距离对称轴两侧也出现了4个压力突跃，但突跃幅度相对较小；B2电爆炸后中心交汇区域也出现了压力突跃，两侧也有较小的压力峰；单体桥箔B3只在中心位置出现密度峰，峰值较低。密度高，动量大，冲击波速度高。
图8为0.5μs时，距离桥箔表面0.15mm处的直线位置上的温度分布曲线。由图8可知，B1电爆炸后的流场中，温度高于6000K的区域范围最大；B2次之，但温度峰值最高，约为8000K；单体桥箔B3高温区域范围最小，温度峰值也最低。
综上所述，采用阵列式的桥箔结构与体积相等的单体桥箔相比，由于各个单体桥箔电爆炸产生的等离子体，能够降低起爆或点火系统的发火电压，增加桥箔换能元发火面积，提高金属桥箔换能元能量利用率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属桥箔电爆炸换能元，由基底以及形成于基底上的金属薄膜组成，其特征在于，所述金属薄膜以中部的阵列电桥区为基准将两侧划分为电极区；
所述阵列电桥区与两侧电极区交界处加工有一个以上条形槽，条形槽的长度方向由一侧电极区指向另一侧电极区，条形槽之间以及条形槽与阵列电桥区边界之间形成两个以上单体桥箔，两个以上单体桥箔并联连接；
所述电极区为由大到小的收缩结构，电极区与阵列电桥区连接的区域边界与垂直于条形槽长度方向的垂线夹角为40°～60°。
2.如权利要求1所述的金属桥箔电爆炸换能元，其特征在于，所述金属薄膜为两层结构，分别为基底上的铬层以及铬层上表面的金层。
3.如权利要求1所述的金属桥箔电爆炸换能元，其特征在于，所述两个以上单体桥箔宽度相等，单体桥箔之间相互平行并呈等间距排列。
4.如权利要求1所述的金属桥箔电爆炸换能元，其特征在于，所述电极区与阵列电桥区的区域边界与垂直于条形槽长度方向的垂线夹角为55°。
5.如权利要求1所述的金属桥箔电爆炸换能元，其特征在于，电极区与阵列电桥区连接部分采用弧形连接，光滑过渡。
6.如权利要求2所述的金属桥箔电爆炸换能元，其特征在于，所述铬层通过真空磁控溅射工艺形成。
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