Cu_Ni复合爆炸箔的制备及其电爆性能研究_陈航.pdf

火工品INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：1003-1480（2023）01-0016-06Cu/Ni复合爆炸箔的制备及其电爆性能研究陈航，唐书缘，刘佳兴，周全，代波，任勇（西南科技大学 环境友好能源材料国家重点实验室，四川 绵阳，621010）摘要：采用磁控溅射、光刻及湿法刻蚀等工艺制备了厚度为 3m 的Cu 爆炸箔、Ni 爆炸箔以及 Cu/Ni 复合爆炸箔，采用 XRD、SEM 及EDS 对样品进行物相及截面形貌表征，并对爆炸箔电阻及其电爆性能进行测试。结果表明：随着Ni 元素的增加，复合爆炸箔电阻逐渐增大；在 1 000V 充电电压下，Cu 膜厚度为300nm、Ni 膜厚度为200nm、调制周期为 6 的Cu/Ni 复合爆炸箔（Cu300Ni200)6的爆发电流是Cu 爆炸箔的2.33 倍，是 Ni 爆炸箔的 1.56 倍；其爆发功率是Cu爆炸箔的3.81倍，是Ni 爆炸箔的1.45倍；其能量利用率为30.96%，是Cu爆炸箔的1.29倍，是Ni 爆炸箔的1.28倍。关键词：爆炸箔；Cu/Ni；电爆性能；磁控溅射中图分类号：TJ450.3文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2023.01.004Preparation and Study on ElectricalPerformance ofCu/Ni ExplodingFoilCHEN Hang，TANG Shu-yuan，LIU Jia-xing，ZHOU Quan，DAI Bo，REN Yong(State Key Laboratory of Environment-friendly Energy Materials,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,621010)Abstract：The Cu,Ni and Cu/Ni exploding foils with 3m thickness were prepared by magnetron sputtering,photolithography and wet etching.XRD,SEM and EDS were used to characterize the phase and cross-sectional morphology ofthe samples,the resistance and the electro explosive performance of the exploding foils were tested.The results show that withtheincreaseof Ni element,the resistanceof theexploding foil gradually increase.Under 1 000Vchargingvoltage,theexplosioncurrent of the(Cu300Ni200)6sample,which has 300nm thickness of Cu film and 200nm thickness of Ni film as a period and atotal of 6 periods,is 2.33 timesthat of theCu exploding foil,1.56 timesthat of theNi exploding foil,and the explosion power is3.81 times that of Cu explosion foil and 1.45 times that of Ni explosion foil.The energy utilization rate of the(Cu300Ni200)6sampleis30.96%,whichis1.29timesthatof theCu explosionfoiland1.28timesthatoftheNi explosionfoil.Keywords：Explodingfoil；Cu/Ni；Electroexplosiveperformance；Magnetronsputtering爆炸箔起爆系统因其安全性好、环境适应性强、作用时间短等特点，被广泛应用于航空航天、武器弹药以及民用爆破等领域1-2。现有的爆炸箔起爆系统能量利用率低，需要依靠大容量电容以及较高电压起爆，不利于系统微型化发展。其中的爆炸箔起到将输入电能转换为飞片动能的作用，提高爆炸箔的能量利用率，有利于减小电容和起爆电压，从而实现系统小型化3。近年来，广大科研学者开展了大量提高爆炸箔的能量利用率研究。李艺、钱勇等4-5研究发现圆形桥翼爆炸箔电流能更为有效地被利用；周密、付秋菠等6-8开展了对爆炸箔厚度及桥区尺寸的研究，通过优化相关参数得到桥区尺寸与爆炸箔厚度的最优匹配值；同时，开展了大量对爆炸箔材料的研究，如 Cu、Al9、Ni-Cr10-11、Al/Ni12-15、Al/CuO16-18以 及2023 年02 月2023 年第1 期收稿日期：2022-08-23作者简介：陈航（1994-），男，在读硕士研究生，从事新型火工品研究。通讯作者：任勇（1981-），男，研究员，从事微加工技术研究。基金项目：西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室自主课题（No.20fsky23,No.21fsky27）。火工品2023 年 02月17Cu/Al/Ni19-20等，研究表明多层膜结构有助于提升爆炸箔的等离子体输运能力。传统 Cu 爆炸箔能量利用率较低且易氧化，Ni 与Cu 同属于面心立方结构，并且 Ni 具有良好的机械性能以及不易被氧化的特性。为此，本研究采用磁控溅射、光刻及湿法刻蚀工艺制备Cu、Ni以及Cu/Ni复合爆炸箔，并对制备的爆炸箔的电爆性能进行研究。1实验样品制备实验设计 6 组样品，分别为纯 Cu 爆炸箔、纯 Ni爆炸箔以及 Cu/Ni 复合爆炸箔，其中 Cu/Ni 复合爆炸箔以 500nm 为周期，共 6 周期，其结构表示为(CuxNi500-x)6，其中 x 代表单层 Cu 膜厚度，分别为 400，300，200，100 nm，6 组样品总膜厚均为 3m，样品结构如图 1 所示。图1爆炸箔结构示意图Fig.1Structurediagramof explodingfoils首先将32mm32mm1mm的ZTA陶瓷反射片分别置于丙酮、去离子水、酒精中，超声清洗 15min后用氮气吹干，再将反射片用离子刻蚀进行轰击，进一步去除表面的杂质，同时有利于增强爆炸箔与反射片的结合力。采用 JGP560 型磁控溅射进行 Cu 膜和Ni 膜生长，然后对得到的样品进行爆炸箔图形制备，主要步骤包括：匀胶、前烘、曝光、后烘、显影、刻蚀、清洗等21，最后通过裁切得到单个爆炸箔样品。爆炸箔设计尺寸为0.25mm(L)0.32mm(W)3m(d)。2样品表征2.1X 射线衍射分析利用日本Rigaku公司生产的SmartLab型X射线衍射仪，对制备的不同爆炸箔样品在 2080进行扫描，得到的衍射图谱如图2 所示。图2不同爆炸箔XRD图Fig.2XRDfiguresof different explodingfoils由图 2 可知 2值 43.316、50.448、74.124分别对应 Cu 的(111)、(200)和(220)晶面，2值 44.507、51.846、76.37分别对应 Ni 的(111)、(200)和(220)晶面。并且可以看出 Cu、Ni 膜以多晶形式存在，具有较好的结晶度，同时可以看出样品没有 CuO 和 NiO的衍射峰，说明样品几乎未被氧化。从图 2(b)可以看出随着周期内Cu 膜厚度的减小、Ni 膜厚度的增加，Cu 衍射峰强度逐渐减小，Ni 衍射峰强度逐渐增强。2.2扫描电镜及能谱分析采用德国CarlZeiss公司生产的Sigma300型场发射扫描电子显微镜，对复合爆炸箔截面进行结构表征，结果如图 3 所示。由图 3 可以看出复合爆炸箔清晰的多层结构，且膜厚以及周期内 Cu 与 Ni 的厚度与实验设计一致。（a）(Cu400Ni100)6（b）(Cu300Ni200)6图3爆炸箔截面SEM图Fig.3Cross-sectionSEMimageof explodingfoils同时对复合爆炸箔截面元素分布进行EDS测试，测试结果如图4 所示。由图 4 可以看出爆炸箔明显的层状元素分布，但是 Cu 膜与 Ni 膜之间存在一定的扩Cu(Cu400/Ni100)6(Cu300/Ni200)6(Cu200/Ni300)6(Cu100/Ni400)6Ni3m203040506070802/I/a.u.Ni(111)Ni(200)Ni(220)I/a.u.20 30 40506070 802/Cu(111)Ni(111)Cu(200)Ni(200)Cu(220)Ni(220)(Cu100Ni400)6(Cu200Ni300)6(Cu300Ni200)6(Cu400Ni100)6（a）Cu 爆炸箔203040506070802/I/a.u.Cu(200)Cu(220)Cu(111)（b）Cu/Ni爆炸箔（c）Ni 爆炸箔陈航等：Cu/Ni 复合爆炸箔的制备及其电爆性能研究182023 年第1 期散现象，其主要原因为磁控溅射时间较长，较高的温度导致界面之间元素扩散。图4爆炸箔截面EDS 图Fig.4Cross-sectionEDSimageof explodingfoil2.3爆炸箔电阻测试采用 Tonghui TH2512B+型直流低电阻测试仪测试 Cu/Ni 复合爆炸箔、纯 Cu 爆炸箔以及纯 Ni 爆炸箔的电阻，测试结果如表 1 所示。表 1不同爆炸箔电阻Tab.1Theelectricalresistanceof differentexplodingfoils样品测试数量平均电阻/mCu514.91(Cu400Ni100)6522.17(Cu300Ni200)6527.96(Cu200Ni300)6540.48(Cu100Ni400)6561.32Ni583.47由表 1 可以看出，纯 Cu 爆炸箔电阻最小，纯 Ni爆炸箔电阻最大，Cu/Ni 复合爆炸箔随着周期内 Ni厚度的增加电阻逐渐增大。3电爆炸性能测试3.1试验装置电爆炸性能试验装置如图 5 所示，主要包括高压脉冲功率源、爆炸箔起爆装置以及信号采集装置。图 5 中高压脉冲功率源可提供 02 600V 高压，为 0.2F 电容器充电，同时为爆炸箔起爆装置提供脉冲高压。信号采集装置主要包括电压、电流信号采集装置以及数据存储装置，其中电压采用Agilent10076B型高压探头采集，电流采用 PINTECH DK-3500 型柔性电流探头采集，采集到的电压、电流信号用TektronixMDO4104C 型示波器记录储存。图 5电爆炸试验装置示意图Fig.5Schematicdiagramof electroexplosivetestdevice3.2起爆回路电阻、电感测试在起爆回路中引出了部分电缆，以确保试验安全性以及避免仪器损坏，但是电缆的引入增加了起爆回路的总电感和总电阻，使得功率源输出能量部分浪费在起爆回路中，从而导致系统能量利用率降低。所以，在测试电爆炸参数前对起爆回路短接，得到在充电电压为 2 000V、电容为 0.2F 时回路电流随时间的变化曲线，如图 6 所示。图6起爆回路短路电流曲线Fig.6Detonatingcircuitshort-circuit currentcurve由图6可以看出电流曲线满足美军标MIL-DTL-23659D 中指出的脉冲功率源短路放电时，电流至少包含 5 个等间隔振幅逐渐减小的波形。根据 R-L-C 电路放电理论推导出计算公式22：式（1）（2）中：L 为电感，nH；T 为电流曲线震荡周期，s；C 为电容，