CN110823009A - 一种爆发电流可调的爆炸箔起爆器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爆发电流可调的爆炸起爆器，包括绝缘基片、爆炸桥箔、飞片层和加速膛，所述爆炸桥箔覆盖在所述基片上，所述飞片覆盖在所述爆炸桥箔上，所述加速膛材料覆盖飞片层并在爆炸箔上方形成圆形加速膛孔结构，所述爆炸桥箔为多层复合薄膜，采用碳纳米管超顺膜和铜材料通过交替沉积和热退火处理方法制备得到，所述爆炸桥箔中间设置有“结形”区域。通过定量改变碳纳米管取向与桥区电流流向之间的夹角，实现对爆炸箔初始电阻的调控，进而实现对爆发电流的精确控制。本发明操作方便，无需复杂的装置，便于批量生产。

Description

一种爆发电流可调的爆炸箔起爆器

技术领域

本发明涉及火工品技术和脉冲功率技术领域，具体涉及的是一种采用电阻各向异性材料制造的、爆发电流可调的爆炸箔起爆器。

背景技术

传统的爆炸箔起爆器设计通常选择导电性好且熔点、沸点、升华能都较低的单一金属，如铜(Cu)、铝(Al)和金(Au)等，或具有类似性质的复合金属薄膜，它们在脉冲大电流的作用下出现过热，进而气化爆炸，发电流密度受材料本身熔化、沸腾性质的影响，用于驱动飞片的能量大致相当于其欧姆能量沉积和升华能之差。

1975年，T.J.Tucker和P.L.Stanton发表题为“Electrical gurney energy:a newconception in modeling of energy transfer from electrically explodedconductors”的论文，提出电格尼能的概念，并建立了计算飞片最终速度的电格尼能模型，结果表明，在不改变其他参数的情况下，飞片速度与爆发电流密度正相关。H.H.Chau利用电格尼模型计算了爆发电流密度和飞片最终速度的关系，取得了与实验一致的结果。因此，在不显著增加薄膜升华能的前提下，引入具有超大载流量的新型材料，能够大幅提升爆发电流密度J_b和能量沉积，有望在爆炸箔起爆器方向形成突破。

2013年，日本产业技术综合研究所发表题为“One hundred fold increase incurrent carrying capacity in a carbon nanotube–copper composite”的论文，通过在含有Cu²⁺离子的溶液中对碳纳米管(CNT)进行电镀处理，开发出一种新材料，常温下该材料的电导率为(2.3–4.7×10⁵S·cm^-1)，基本与铜相当(5.8×10⁵S·cm^-1)，载流量为6.3×10⁸A/cm²，高达铜的约100倍。在该碳纳米管-铜复合材料中，碳纳米管和铜形成一种类似“钢筋混凝土”的结构，碳纳米管骨架起到了增强在高温下铜的强度的作用，抑制铜的体积膨胀和气化，从而获得了极高的载流量，该材料的电导率随温度升高的下降程度也因此远低于铜。不仅如此，碳纳米管-铜复合材料还具有电阻各项异性的特性。

2002年，曾庆轩等发表题为“爆炸箔起爆系统初始电阻对爆发电流和飞片速度影响的数值模拟”的论文，指出电爆炸箔起爆回路初始电阻对爆发电流和飞片速度有着相当大的影响，模拟研究结果显示，为提高飞片速度和动能，起爆回路的初始电阻应尽量减小，但爆炸箔初始电阻要保持一定的值，其大小与飞片速度呈线性相关。爆炸箔初始电阻还可起到调节起爆点的作用。增大爆炸箔初始电阻，可以加快能量沉积，提前引发电爆炸，反之，减小爆炸箔初始电阻，可以推迟电爆炸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种爆发电流可调的爆炸起爆器，其可以实现爆炸箔起爆器起爆点、爆炸电流的调节和爆炸性能的优化。

为了达到上述技术效果，本发明采用如下技术方案：

一种爆发电流可调的爆炸起爆器，包括绝缘基片、爆炸桥箔、飞片层和加速膛，所述爆炸桥箔覆盖在所述基片上，所述飞片覆盖在所述爆炸桥箔上，所述加速膛材料覆盖飞片层并在爆炸箔上方形成圆形加速膛孔结构，所述爆炸桥箔为多层复合薄膜，采用碳纳米管超顺膜和铜材料通过交替沉积和热退火处理方法制备得到，所述爆炸桥箔中间设置有“结形”区域。

进一步的技术方案为，所述绝缘基片材料选自微晶玻璃、高密度陶瓷、树脂中的任意一种。

进一步的技术方案为，所述飞片层的材料为聚酰亚胺或聚对二甲苯，所述飞片层的厚度为10-100微米。

进一步的技术方案为，所述加速膛的材料选自环氧树脂、光敏树脂或SU-8光刻胶中的任意一种。

进一步的技术方案为，所述爆炸桥箔的厚度为3-10微米。

进一步的技术方案为，所述碳纳米管超顺膜采用真空抽滤制膜方法制备，厚度范围为100-500纳米；所述铜材料层采用磁控溅射镀膜方法制备，厚度范围为100-500纳米，所述两种材料的计量比范围为1:1-1:3。

进一步的技术方案为，所述爆炸桥箔中间的“结形”区域通过图形化工艺制备，“结形”区域的长宽尺寸范围为0.3-0.6毫米，“结形”区域的电阻，即爆炸箔初始电阻，通过控制电流流向与碳纳米管超顺膜取向之间的夹角θ进行调控。

其中复合薄膜爆炸桥箔图形化工艺采用成熟的MEMS工艺流程，主要为基片清洗-湿法转移并旋转θ角制膜-掩膜-光刻-显影-刻蚀-去胶。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明以改变电阻各向异性材料的取向来调节爆炸箔初始电阻值，进而调节起爆点和爆发电流、优化爆炸性能。本发明首创性地提出在铜爆炸箔中添加电阻率各向异性的碳纳米管超顺膜骨架来制备复合薄膜爆炸箔，有别于其他通过改变爆炸箔图形化设计或组分的方案，排除了无关变量的影响，仅需对在制备过程中复合薄膜进行一定角度的旋转即可实现电阻调节，进而实现对爆发电流的调控，操作简便、量化精确、便于批量生产。本发明中，由于碳纳米管骨架的加入，铜箔在大脉冲电流下的载流量得到大幅提升，从而在电爆炸过程中获得更高的能量沉积，进一步提升了复合薄膜电爆炸驱动飞片的能力。

附图说明

图1为碳纳米管-铜复合材料爆炸箔起爆器结构示意图；

图2为爆炸桥箔图形化示意图；

图3为碳纳米管-铜复合材料爆炸箔设计结构图。

其中，1-绝缘基片，2-爆炸桥箔，21-铜材料膜，22-碳纳米管超顺膜，3-飞片层，4-加速膛。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明的基于碳纳米管-铜复合材料的新型爆炸箔起爆器结构示意图。从图1可以看出，该起爆器包括绝缘基片1、爆炸桥箔2、聚酰亚胺飞片层3和加速膛4。其中，爆炸桥箔2由碳纳米管超顺膜22和铜材料21通过交替沉积技术和热退火处理制备而成。图2为爆炸桥箔图形化示意图。碳纳米管超顺膜中的碳纳米管有统一的取向，该取向与电流流向间有夹角θ。爆炸桥箔在爆炸过程中推动其上面的飞片层，在加速膛的剪切作用下，飞片层形成一个直径大小等于加速膛的飞片，该飞片在爆炸桥箔作用形成的高温高压等离子体作用下，被加速到一定的速度。图3为碳纳米管-铜复合材料爆炸箔设计结构图。碳纳米管超顺膜中的碳纳米管有统一的取向，在制备时通过对基片和碳纳米管-铜复合材料爆炸箔整体的旋转，实现对碳纳米管取向与电流流向间有夹角θ的控制。

实施例1

本发明提供一种爆发电流可调的爆炸起爆器，包括绝缘基片1、爆炸桥箔2、飞片层3和加速膛4，所述爆炸桥箔2覆盖在所述基片1上，所述飞片3覆盖在所述爆炸桥箔2上，所述加速膛4材料覆盖飞片层3并在爆炸箔上方形成圆形加速膛孔结构，所述爆炸桥箔2为多层复合薄膜，采用碳纳米管超顺膜22和铜材料21通过交替沉积和热退火处理方法制备得到，所述爆炸桥箔中间设置有“结形”区域。所述绝缘基片材料选自微晶玻璃、高密度陶瓷、树脂中的任意一种。所述飞片层的材料为聚酰亚胺或聚对二甲苯，所述飞片层的厚度为10-100微米。所述加速膛的材料选自环氧树脂、光敏树脂或SU-8光刻胶中的任意一种。，所述爆炸桥箔的厚度为3-10微米。所述碳纳米管超顺膜采用真空抽滤制膜方法制备，厚度范围为100-500纳米；所述铜材料层采用磁控溅射镀膜方法制备，厚度范围为100-500纳米，所述两种材料的计量比范围为1:1-1:3。所述爆炸桥箔中间的“结形”区域通过图形化工艺制备，“结形”区域的长宽尺寸范围为0.3-0.6毫米，“结形”区域的电阻，即爆炸箔初始电阻，通过控制电流流向与碳纳米管超顺膜取向之间的夹角θ进行调控。当增大(减小)碳纳米管取向与桥区电流流向之间的夹角时，爆炸桥箔初始电阻随之增大(减小)，从而实现爆发点的提前(推后)和爆发电流的调控。其中复合薄膜爆炸桥箔图形化工艺采用成熟的MEMS工艺流程，主要为基片清洗-湿法转移并旋转θ角制膜-掩膜-光刻-显影-刻蚀-去胶。

实施例2

本发明的爆发电流可调的爆炸起爆器的具体制备过程包括以下步骤：

(1)采用陶瓷材料(材料可更换)制作绝缘基片。本实例中所述的绝缘基片为圆形，直径为5毫米，厚度为500微米。

(2)采用交替沉积技术和热退火处理制作爆炸箔。本实例中所述的爆炸箔厚度为4.5微米，调制周期为300纳米。具体过程包括：

a.采用化学气相沉积法制备所需单层碳纳米管，再用抽滤法将其制备成大尺寸碳纳米管超顺薄膜。本实例中所述的碳纳米管超顺薄膜厚度为100微米，尺寸为直径5厘米。

b.采用湿法转移将按上述碳纳米管超顺膜从滤膜转移到硅/氧化硅基片上，再用磁控溅射法沉积一层厚度为200微米的铜，获得厚度为300微米、两种材料的计量比值为1:2的单周期的碳纳米管超顺膜-铜复合薄膜。

c.重复15次上述湿法转移和磁控溅射过程，至复合薄膜总厚度为4.5μm为止。

d.将碳纳米管超顺膜-铜复合薄膜和基片一起放入真空炉中，在氢氩保护气氛下做退火处理。本实例中所述的退火温度为600摄氏度，退火时长为2小时。

(3)将硅/氧化硅基片和碳纳米管超顺膜-铜复合薄膜切割成小块，并用湿法转移将碳纳米管超顺膜-铜复合薄膜转移到陶瓷绝缘基片上。本实例中所述的碳纳米管超顺膜-铜复合薄膜小块尺寸为3毫米×3毫米。

(4)选取三个陶瓷基片，将其和上面的复合薄膜一起旋转θ角，如图3所示。通过图形化工艺，对碳纳米管超顺膜-铜复合薄膜进行曝光、显影、蚀刻等，形成爆炸箔中间的“结形”区域。本实例中所述的θ角分别为0度、45度、90度，爆炸箔“结型”区域尺寸为3微米×3微米。

(5)分别贴飞片和加速膛，完成三个爆炸箔起爆器的制备。本实例中所述的飞片层为厚度为25微米的聚酰亚胺薄膜。本实例中所述的加速膛材料为厚度300微米的SU-8光刻胶，加速膛直径为5微米。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种爆发电流可调的爆炸起爆器，其特征在于，包括绝缘基片、爆炸桥箔、飞片层和加速膛，所述爆炸桥箔覆盖在所述基片上，所述飞片覆盖在所述爆炸桥箔上，所述加速膛材料覆盖飞片层并在爆炸箔上方形成圆形加速膛孔结构，所述爆炸桥箔为多层复合薄膜，采用碳纳米管超顺膜和铜材料通过交替沉积和热退火处理方法制备得到，所述爆炸桥箔中间设置有“结形”区域。

2.根据权利要求1所述的爆发电流可调的爆炸起爆器，其特征在于，所述绝缘基片材料选自微晶玻璃、高密度陶瓷、树脂中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的爆发电流可调的爆炸起爆器，其特征在于，所述飞片层的材料为聚酰亚胺或聚对二甲苯，所述飞片层的厚度为10-100微米。

4.根据权利要求1所述的爆发电流可调的爆炸起爆器，其特征在于，所述加速膛的材料选自环氧树脂、光敏树脂或SU-8光刻胶中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的爆发电流可调的爆炸起爆器，其特征在于，所述爆炸桥箔的厚度为3-10微米。

6.根据权利要求1所述的爆发电流可调的爆炸起爆器，其特征在于，所述碳纳米管超顺膜采用真空抽滤制膜方法制备，厚度范围为100-500纳米；所述铜材料层采用磁控溅射镀膜方法制备，厚度范围为100-500纳米，两种材料的厚度比范围为1:1-1:3。

7.根据权利要求1所述的爆发电流可调的爆炸起爆器，其特征在于，所述爆炸桥箔中间的“结形”区域通过图形化工艺制备，“结形”区域的长宽尺寸范围为0.3-0.6毫米，“结形”区域的电阻，即爆炸箔初始电阻，通过控制电流流向与碳纳米管超顺膜取向之间的夹角θ进行调控。

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