CN116067241A - 一种纤维改性的三明治飞片结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维改性的三明治飞片结构及其制备方法，包括：下聚合物薄膜层；纤维改性层，其设置在所述下聚合物薄膜层的上表面，所述纤维改性层的制备方法包括：在聚酰亚胺或聚酯基底中添加微米或纳米纤维；上聚合物薄膜层，其设置在所述纤维改性层的上表面，本发明改变了传统飞片单一的材料体系，在聚合物材料中添加微米或纳米纤维，构成复合聚合物薄膜，同时为了兼顾爆炸箔组件的绝缘性，飞片设计为三明治夹层结构。通过材料体系和飞片薄膜结构的设计，调控飞片在高温高压等离子体作用下的热学和力学性能，从而改善飞片在电爆炸下的冲击速度和飞行姿态，提高冲击片雷管的起爆性能和效率。

Description

一种纤维改性的三明治飞片结构及其制备方法
技术领域
本发明属于火工品技术领域，更具体地说，本发明涉及一种纤维改性的三明治飞片及其制备方法。
背景技术
冲击片雷管也称为直列式起爆系统,其组成包括脉冲功率单元和爆炸箔组件。脉冲功率单元主要包括控制电路、升压模块、高压电容以及高压开关等，为爆炸箔起爆器单元提供金属电爆所需要的能量。爆炸箔组件主要包括背板、爆炸箔、飞片、加速膛以及钝感装药，通过金属电爆炸产生的等离子体迅速膨胀剪切飞片，经过加速膛使飞片达到每秒几千米的速度，撞击炸药，超过冲击片起爆临界值时激起炸药爆轰。
早期的爆炸箔组件通过分立的机械组件组装而成，如背板采用蓝宝石、氧化铝陶瓷等材料；金属桥箔采用溅射的方式覆在陶瓷基片上；加速膛采用蓝宝石、金属等材料；飞片采用聚酰亚胺等聚合物薄膜贴在桥箔上。手工或机械的对准安装方式，易产生错位现象，使得爆炸箔组件能量利用效率低，作用不可靠。同时，国内直列式爆炸箔起爆系统体积大，起爆电压高达几千伏，且成本昂贵，难以实现大范围应用。飞片作为直列式起爆系统的核心元件，其性能直接影响着起爆系统的性能和效率。有文献报道采用聚酰亚胺膜作为飞片时，在电爆产生的等离子体作用下，薄膜会在冲击方向上“起泡”和拉伸，直到最终撕裂。因此，飞片材料的力学特性将对爆炸箔组件的整体性能起到关键作用。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种纤维改性的三明治飞片结构，包括：
下聚合物薄膜层；
纤维改性层，其设置在所述下聚合物薄膜层的上表面，所述纤维改性层的制备方法包括：在聚酰亚胺或聚酯基底中添加微米或纳米纤维；
上聚合物薄膜层，其设置在所述纤维改性层的上表面；
所述上聚合物薄膜层为聚酰亚胺或聚酯薄膜；
所述下聚合物薄膜层为聚酰亚胺或聚酯薄膜，且所述上聚合物薄膜层的材料与下聚合物薄膜层相同或不同。
一种基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，包括以下步骤：以金属氧化剂陶瓷片为基板，通过物理或化学方法在基板上沉积金属膜，金属膜经过光刻图案化，形成金属爆炸箔图形阵列；然后通过液相旋涂或化学气相沉积制备纤维改性的三明治飞片结构；最后采用光刻工艺制成加速膛，或者粘贴加速膛，最终制备成基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件。
优选的是，其中，所述金属膜为铜金属膜或复合金属膜，所述复合金属膜包括铜镍复合金属膜。
优选的是，其中，所述金属氧化剂陶瓷片为氧化铝陶瓷片。
优选的是，其中，所述金属爆炸箔图形阵列的制备方法包括：采用蒸镀或磁控溅射法在基板上沉积金属膜作为换能元，金属膜厚度为1～10微米，采用光刻工艺刻蚀金属膜，制备爆炸箔图形阵列，形成爆炸箔焊盘区和爆炸箔桥区。
优选的是，其中，纤维改性的三明治飞片结构的制备方法包括以下步骤：
步骤一、在金属爆炸箔图形阵列上采用液相旋涂或化学气相沉积法，制备下聚合物薄膜层；
步骤二、在所述下聚合物薄膜层上采用液相旋涂法制备添加微米或纳米纤维的纤维改性层；
步骤三、在所述纤维改性层上采用液相旋涂或化学气相沉淀法，制备上聚合物薄膜层。
优选的是，其中，所述下聚合物薄膜层中的聚合物为聚酰亚胺或聚酯；
所述纤维改性层中的聚合物为聚酰亚胺或聚酯；
所述上聚合物薄膜层中的聚合物为聚酰亚胺或聚酯；
所述下聚合物薄膜层、纤维改性层和上聚合物薄膜层中的聚合物为同一种聚合物或不同的聚合物。
优选的是，其中，所述步骤二中，所述微米或纳米纤维包括但不限于碳纳米管、碳纤维、陶瓷纤维中的一种或几种；所述微米或纳米纤维的直径不大于3微米，长度不大于100微米；所述微米或纳米纤维与聚合物的结合方式为物理混合或化学键结合，所述微米或纳米纤维占纤维改性层的质量百分比为1％～80％。
优选的是，其中，所述下聚合物薄膜的厚度为1～50微米；
所述纤维改性层的厚度为1～50微米；
所述上聚合物薄膜的厚度为1～50微米。
优选的是，其中，制备加速膛的光刻工艺使用SU8光刻胶，所述加速膛的厚度为200～800微米，所述加速膛为圆孔，所述圆孔的孔径为200～1200微米，加速膛圆孔位于爆炸箔桥区的正上方
本发明至少包括以下有益效果：本发明改变了传统飞片单一的材料体系，在聚合物材料(聚酰亚胺、聚酯薄膜等)中添加微米或纳米纤维，构成复合聚合物薄膜，同时为了兼顾爆炸箔组件的绝缘性，飞片设计为三明治夹层结构。通过材料体系和飞片薄膜结构的设计，调控飞片在高温高压等离子体作用下的热学和力学性能，从而改善飞片在电爆炸下的冲击速度和飞行姿态，提高冲击片雷管的起爆性能和效率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为实施例1中的爆炸箔组件的剖面结构示意图；
图2为实施例1中爆炸箔组件的纤维改性的三明治飞片结构剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
如图2所示，本实施例提供了一种纤维改性的三明治飞片结构3，包括：
下聚合物薄膜层5；
纤维改性层6，其设置在所述下聚合物薄膜层5的上表面，所述纤维改性层6的制备方法包括：在聚酰亚胺基底中添加微米或纳米纤维；
上聚合物薄膜层7，其设置在所述纤维改性层6的上表面；
所述上聚合物薄膜层7和下聚合物薄膜层6均为聚酰亚胺薄膜；
本实施例的纤维改性的三明治飞片结构运用于图1所示的爆炸箔组件，该爆炸箔组件的制备方法为：
以氧化铝陶瓷片为基板1，通过蒸镀法在基板1上沉积铜金属膜作为换能元，铜金属膜的厚度为1微米，铜金属膜经过光刻图案化，形成铜爆炸箔图形阵列2，形成爆炸箔焊盘区和爆炸箔桥区；然后通过液相旋涂制备纤维改性的三明治飞片结构3，具体为：
步骤一、在铜爆炸箔图形阵列2上采用液相旋涂制备下聚合物薄膜层5，下聚合物薄膜层厚度为1微米；
步骤二、在所述下聚合物薄膜层5上采用液相旋涂法制备添加微米或纳米纤维的纤维改性层6，纤维改性层6的厚度为1微米；微米或纳米纤维为碳纳米管、碳纤维和陶瓷纤维，微米或纳米纤维的直径不大于3微米，长度不大于100微米，微米或纳米纤维与聚酰亚胺的结合方式为物理混合或化学键结合，微米或纳米纤维占纤维改性层总质量百分比为1％；
步骤三、在所述纤维改性层6上采用液相旋涂法，制备上聚合物薄膜层7，上聚合物薄膜层7的厚度为1微米。
最后采用光刻工艺制成加速膛4后划片，光刻工艺采用SU8光刻胶制成厚度为200微米的加速膛4，加速膛4为圆孔，圆孔的孔径为200微米，加速膛4位于爆炸箔桥区正上方，最终制备成基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件。
实施例2
本实施例提供的纤维改性的三明治飞片结构与实施例1相同，即包括：
下聚合物薄膜层5；
纤维改性层6，其设置在所述下聚合物薄膜层5的上表面，所述纤维改性层6的制备方法包括：在聚酰亚胺基底中添加微米或纳米纤维；
上聚合物薄膜层7，其设置在所述纤维改性层6的上表面；
所述上聚合物薄膜层7和下聚合物薄膜层6均为聚酰亚胺薄膜；
本实施例的纤维改性的三明治飞片结构运用于的爆炸箔组件的制备方法为：
以氧化铝陶瓷片为基板1，通过蒸镀法在基板1上沉积铜金属膜作为换能元，铜金属膜的厚度为5微米，铜金属膜经过光刻图案化，形成铜爆炸箔图形阵列2，形成爆炸箔焊盘区和爆炸箔桥区；然后通过液相旋涂制备纤维改性的三明治飞片结构，具体为：
步骤一、在铜爆炸箔图形阵列2上采用液相旋涂制备下聚合物薄膜层5，下聚合物薄膜层厚度为25微米；
步骤二、在所述下聚合物薄膜层5上采用液相旋涂法制备添加微米或纳米纤维的纤维改性层6，纤维改性层6的厚度为25微米；微米或纳米纤维为碳纳米管、碳纤维和陶瓷纤维，微米或纳米纤维的直径不大于3微米，长度不大于100微米，微米或纳米纤维与聚酰亚胺的结合方式为物理混合或化学键结合，微米或纳米纤维占纤维改性层总质量百分比为40％；
步骤三、在所述纤维改性层6上采用液相旋涂法，制备上聚合物薄膜层7，上聚合物薄膜层7的厚度为25微米。
最后采用光刻工艺制成加速膛4后划片，光刻工艺采用SU8光刻胶制成厚度为500微米的加速膛4，加速膛4为圆孔，圆孔的孔径为700微米，加速膛4位于爆炸箔桥区正上方，最终制备成基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件。
实施例3
本实施例提供的纤维改性的三明治飞片结构与实施例1相同，即包括：
下聚合物薄膜层5；
纤维改性层6，其设置在所述下聚合物薄膜层5的上表面，所述纤维改性层6的制备方法包括：在聚酰亚胺基底中添加微米或纳米纤维；
上聚合物薄膜层7，其设置在所述纤维改性层6的上表面；
所述上聚合物薄膜层7和下聚合物薄膜层6均为聚酰亚胺薄膜；
本实施例的纤维改性的三明治飞片结构运用于图1所示的爆炸箔组件，该爆炸箔组件的制备方法为：
以氧化铝陶瓷片为基板1，通过磁控溅射法在基板1上沉积铜金属膜作为换能元，铜金属膜的厚度为10微米，铜金属膜经过光刻图案化，形成铜爆炸箔图形阵列2，形成爆炸箔焊盘区和爆炸箔桥区；然后通过化学气相沉积法制备纤维改性的三明治飞片结构，具体为：
步骤一、在铜爆炸箔图形阵列2上采用化学气相沉积法制备下聚合物薄膜层5，下聚合物薄膜层厚度为50微米；
步骤二、在所述下聚合物薄膜层5上采用液相旋涂法制备添加微米或纳米纤维的纤维改性层6，纤维改性层6的厚度为50微米；微米或纳米纤维为碳纳米管、碳纤维和陶瓷纤维，微米或纳米纤维的直径不大于3微米，长度不大于100微米，微米或纳米纤维与聚酰亚胺的结合方式为物理混合或化学键结合，微米或纳米纤维占纤维改性层6总质量百分比为80％；
步骤三、在所述纤维改性层6上采用液相旋涂法，制备上聚合物薄膜层7，上聚合物薄膜层7的厚度为50微米。
最后采用光刻工艺制成加速膛4后划片，光刻工艺采用SU8光刻胶制成厚度为800微米的加速膛4，加速膛4为圆孔，圆孔的孔径为1200微米，加速膛4位于爆炸箔桥区正上方，最终制备成基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件。
实施例4
本实施例提供的纤维改性的三明治飞片结构与实施例1相同，不同的是，下聚合物薄膜层5的材料为聚酰亚胺，纤维改性层6的聚合物材料为聚酰亚胺，上聚合物薄膜层7的材料为聚酯。
实施例5
本实施例提供的纤维改性的三明治飞片结构与实施例1相同，不同的是，基板上沉积的金属膜为铜镍复合金属膜。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种纤维改性的三明治飞片结构，其特征在于，包括：
下聚合物薄膜层；
纤维改性层，其设置在所述下聚合物薄膜层的上表面，所述纤维改性层的制备方法包括：在聚酰亚胺或聚酯基底中添加微米或纳米纤维；
上聚合物薄膜层，其设置在所述纤维改性层的上表面；
所述上聚合物薄膜层为聚酰亚胺或聚酯薄膜；
所述下聚合物薄膜层为聚酰亚胺或聚酯薄膜，且所述上聚合物薄膜层的材料与下聚合物薄膜层相同或不同。
2.一种基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以金属氧化剂陶瓷片为基板，通过物理或化学方法在基板上沉积金属膜，金属膜经过光刻图案化，形成金属爆炸箔图形阵列；然后通过液相旋涂或化学气相沉积制备纤维改性的三明治飞片结构；最后采用光刻工艺制成加速膛，或者粘贴加速膛，最终制备成基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件。
3.如权利要求2所述的基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，所述金属膜为铜金属膜或复合金属膜，所述复合金属膜包括铜镍复合金属膜。
4.如权利要求2所述的基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，所述金属氧化剂陶瓷片为氧化铝陶瓷片。
5.如权利要求2所述的基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，所述金属爆炸箔图形阵列的制备方法包括：采用蒸镀或磁控溅射法在基板上沉积金属膜作为换能元，金属膜厚度为1～10微米，采用光刻工艺刻蚀金属膜，制备爆炸箔图形阵列，形成爆炸箔焊盘区和爆炸箔桥区。
6.如权利要求2所述的基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在金属爆炸箔图形阵列上采用液相旋涂或化学气相沉积法，制备下聚合物薄膜层；
步骤二、在所述下聚合物薄膜层上采用液相旋涂法制备添加微米或纳米纤维的纤维改性层；
步骤三、在所述纤维改性层上采用液相旋涂或化学气相沉淀法，制备上聚合物薄膜层。
7.如权利要求6所述的基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，所述下聚合物薄膜层中的聚合物为聚酰亚胺或聚酯；
所述纤维改性层中的聚合物为聚酰亚胺或聚酯；
所述上聚合物薄膜层中的聚合物为聚酰亚胺或聚酯；
所述下聚合物薄膜层、纤维改性层和上聚合物薄膜层中的聚合物为同一种聚合物或不同的聚合物。
8.如权利要求6所述的基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述微米或纳米纤维包括但不限于碳纳米管、碳纤维、陶瓷纤维中的一种或几种；所述微米或纳米纤维的直径不大于3微米，长度不大于100微米；所述微米或纳米纤维与聚合物的结合方式为物理混合或化学键结合，所述微米或纳米纤维占纤维改性层的质量百分比为1％～80％。
9.如权利要求6所述的基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，所述下聚合物薄膜的厚度为1～50微米；
所述纤维改性层的厚度为1～50微米；
所述上聚合物薄膜的厚度为1～50微米。
10.如权利要求2所述的基于纤维改性的三明治飞片结构的爆炸箔组件的制备方法，其特征在于，制备加速膛的光刻工艺使用SU8光刻胶，所述加速膛的厚度为200～800微米，所述加速膛为圆孔，所述圆孔的孔径为200～1200微米，加速膛圆孔位于爆炸箔桥区的正上方。
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