火工品第十二先進(jìn)火工品技術(shù)

1、第十二章第十二章 先進(jìn)火工品技術(shù)先進(jìn)火工品技術(shù)目目 錄錄12.1 激光點火技術(shù)激光點火技術(shù)12.2 激光起爆技術(shù)激光起爆技術(shù)12.3 半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（SCB）橋）橋12.4 爆炸網(wǎng)絡(luò)爆炸網(wǎng)絡(luò)12.5 直列式火工品直列式火工品12.6 MEMS火工品火工品12.7 先進(jìn)火工品發(fā)展趨勢先進(jìn)火工品發(fā)展趨勢 光不受電磁波的影響光不受電磁波的影響 光纖傳輸與電絕緣光纖傳輸與電絕緣 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 系統(tǒng)質(zhì)量輕系統(tǒng)質(zhì)量輕 排除橋腐蝕失效排除橋腐蝕失效 后電阻效應(yīng)后電阻效應(yīng)12.1 激光點火激光點火（1）選擇用光纖傳輸?shù)募す庾鳛辄c火能源的理由）選擇用光纖傳輸?shù)募す庾鳛辄c火能源的理由（2）激光點火原理）激光點

2、火原理 當(dāng)激光作用于藥劑表面時，一部分能量被反射，另一部分能量入射到藥劑表面，并在極薄的表面藥層內(nèi)被吸收，這種吸收和反射主要取決于藥劑的光學(xué)性質(zhì)。由于光熱效應(yīng)，藥劑所吸收的激光能量轉(zhuǎn)化為熱量，使其表面溫度上升，發(fā)生熱分解，甚至出現(xiàn)不可逆的燃燒化學(xué)反應(yīng)。典型的激光點火曲線典型的激光點火曲線（3）激光點火過程的三階段）激光點火過程的三階段含能材料吸收入射激光能量，因為光熱效應(yīng)，藥劑表含能材料吸收入射激光能量，因為光熱效應(yīng)，藥劑表面被加熱；面被加熱；含能材料因為被加熱，發(fā)生凝聚相化學(xué)反應(yīng)，溫度繼含能材料因為被加熱，發(fā)生凝聚相化學(xué)反應(yīng)，溫度繼續(xù)升高；續(xù)升高；不僅藥劑表面發(fā)生凝聚相化學(xué)反應(yīng)，而且表面上方

3、也不僅藥劑表面發(fā)生凝聚相化學(xué)反應(yīng)，而且表面上方也存在氣相化學(xué)反應(yīng)，這一階段認(rèn)為點火已經(jīng)發(fā)生。存在氣相化學(xué)反應(yīng)，這一階段認(rèn)為點火已經(jīng)發(fā)生。xRTEIeQZexTtTc22初始條件：t=0,T=T0(x0)邊界條件：x=0， （t0）式中：I-炸藥表面處激光束能量密度； -炸藥對激光的吸收系數(shù)。0/xT（4）激光點火過程中的熱平衡方程）激光點火過程中的熱平衡方程（5）激光點火）激光點火/起爆系統(tǒng)的組成起爆系統(tǒng)的組成激光器聚焦透鏡光纖耦合器激光點火/起爆器驅(qū)動電源保險與解除保險裝置（6）激光點火器類型）激光點火器類型 (a)插入式耦合 (b)接觸式耦合 (c)間接式耦合 1點火藥 2殼體 3光纖 4

4、透窗132 131234階躍光纖：纖芯的折射率是常數(shù)梯度光纖：纖芯折射率由軸心沿徑向逐漸減小自聚焦特點（7）光纖類型）光纖類型激光直接輻射直接輻射含能材料的原理示意圖 （8）激光與含能材料作用類型）激光與含能材料作用類型激光間接輻射間接輻射含能材料的原理示意圖 激光束燒蝕燒蝕鍍在透窗表面上的金屬膜原理圖 （等離子體）（等離子體）（9）激光點火器設(shè)計）激光點火器設(shè)計1.激光點火器結(jié)構(gòu)設(shè)計激光點火器結(jié)構(gòu)設(shè)計 三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點2.激光點火器裝藥設(shè)計激光點火器裝藥設(shè)計 美軍標(biāo)MILSTD1901中B/KNO3 是直列式點火系統(tǒng)唯一的許用點火藥，因此激光點火器裝藥首選B/KNO3 。 裝藥設(shè)計包括：配比

5、、壓藥壓力、粒度及摻雜等。（a）B/KNO3配比設(shè)計配比設(shè)計壓力壓力/MPa配比配比/W%摻雜摻雜/W%功率閾功率閾值值/W激光點火激光點火時間時間/ms橋絲點火橋絲點火時間時間/ms10024:760.196.82810033:670.213.615.310043:570.254.415.610033:673%碳黑0.162.5配比對B/KNO3感度和點火時間的影響（b） B/KNO3裝藥粒度和壓藥壓力設(shè)計裝藥粒度和壓藥壓力設(shè)計壓藥壓力壓藥壓力/MPa12.537.7100粒度粒度/m202011.520閾值功率閾值功率/W0.460.29點火時間點火時間/ms3.73.43.6配比配比=3

6、3:67（c）其它點火藥的激光點火特性）其它點火藥的激光點火特性藥劑藥劑壓力壓力/MPa激光點火激光點火感度感度/W點火時間點火時間/msC/S/KNO3700.0865.47Pb2Fe(CN)4/KClO4450.2820.42Zr/KClO4800.271.84（10）激光點火系統(tǒng)參數(shù)對點火特性的影響）激光點火系統(tǒng)參數(shù)對點火特性的影響1. 激光功率、波長和脈寬（激光參數(shù)）對點火特性的影響激光功率、波長和脈寬（激光參數(shù)）對點火特性的影響v 功率大，表示單位時間內(nèi)激光器傳遞給藥劑的能量多，藥劑表面得熱速率較大。因此，可以縮短點火時間。但是隨著功率增大，存在一個最小值。v 藥劑對激光能量的吸收具

7、有波長選擇性。對B/KNO3點火藥，分別用808nm和980nm的激光進(jìn)行試驗，對應(yīng)的功率閾值分別為0.32W和0.67W。 如果點火時間小于激光的脈寬，則脈寬的大小對點火時間沒有影響；反之，則脈寬長，點火時間短。2. 能量損耗對激光點火系統(tǒng)的影響能量損耗對激光點火系統(tǒng)的影響對于用光纖傳輸能量的激光點火系統(tǒng)來說，能量的損耗主要有：激光器光纖耦合損耗、光纖傳輸損耗、光纖光纖耦合損耗、光纖輸出端面質(zhì)量造成的損耗等。前兩個主要取決于激光器和光纖的制造水平，因此，在設(shè)計系統(tǒng)時，重點考慮后兩種損耗對激光點火性能的影響。3. 光纖直徑對點火特性的影響光纖直徑對點火特性的影響光纖直徑光纖直徑/m點火閾值點火

8、閾值/mJ能量密度能量密度/J.cm-2點火時間點火時間/ms偏差偏差/ms10019.40247.1326.033.5420042.98136.8825.583.35400105.7284.1734.494.67600235.8683.4232.724.74激光器：1.06m釹玻璃激光器，脈寬2.4ms4. 激光點火系統(tǒng)可靠性裕度確定激光點火系統(tǒng)可靠性裕度確定激光點火系統(tǒng)的可靠性大于0.999根據(jù)國外的經(jīng)驗，高可靠性下的刺激量的確定是通過裕度系數(shù)來保證的。對激光點火器而言，裕度系數(shù)為2時就能可靠發(fā)火。對系統(tǒng)而言，需考慮光纖損耗、接頭損耗、耦合損耗對點火器的作用裕度后，才能得到系統(tǒng)作用可靠的激

9、光能量。經(jīng)折算，激光器功率約為點火器點火閾值的10倍時，激光點火系統(tǒng)才保證可靠作用。5. 激光點火與橋絲點火性能的比較激光點火與橋絲點火性能的比較藥劑藥劑Pb2Fe(CN)4/KClO4Ti/ KClO4B/KNO3B/BaCrO 激光點火激光點火時間時間/ms0.421.22.838橋絲點火橋絲點火時間時間/ms4.164.1631.220 二極管激光器12.2 激光起爆技術(shù)激光起爆技術(shù)（1）高能炸藥的激光起爆方式）高能炸藥的激光起爆方式激光直接與高能炸藥作用（與橋絲式電雷管在作用相似）；激光通過炸藥表面的薄金屬膜的快速加熱而作用（與EBW式電雷管作用相似）；激光通過燒蝕一金屬箔產(chǎn)生一高速飛

10、片撞擊高能炸藥而作用（與EFI式電雷管作用相似）。激光起爆系統(tǒng)組成：激光器、光纖、激光雷管激光直接起爆炸藥技術(shù)激光直接起爆炸藥技術(shù)實施途徑： 一是用激光點燃起爆藥完成爆燃轉(zhuǎn)爆轟(不采用)； 二是采用全猛炸藥的爆燃轉(zhuǎn)爆轟結(jié)構(gòu)關(guān)鍵：窗口材料選擇及密封工藝 窗口材料的選擇基于：材料的折射指數(shù)、雷管所需密封強度、窗口材料的熱導(dǎo)率、窗口與殼體之間的熱膨脹關(guān)系等。藍(lán)寶石、P玻璃激光飛片雷管原理及設(shè)計12.3 半導(dǎo)體橋火工品技術(shù)半導(dǎo)體橋火工品技術(shù)（1）SCB火工品的作用機理火工品的作用機理 硅的電阻率與摻雜濃度和溫度的關(guān)系硅的電阻率與摻雜濃度和溫度的關(guān)系 通 電 SCB 橋 升 溫 橋 熔 化 橋 汽 化

11、等 離 子 體 形 成 并 持 續(xù) 藥 劑 發(fā) 火 微 對 流 傳熱 （2）半導(dǎo)體橋的結(jié)構(gòu)和制造工藝）半導(dǎo)體橋的結(jié)構(gòu)和制造工藝 鋁膜層重?fù)诫s多晶硅層SiO2絕緣層硅基底 橋 硅基底 SCB制造工藝流程圖制造工藝流程圖（3）半導(dǎo)體橋火工品基本特點）半導(dǎo)體橋火工品基本特點安全電流高安全電流高橋材料的負(fù)溫度系數(shù)，有利于降低發(fā)火能量橋材料的負(fù)溫度系數(shù)，有利于降低發(fā)火能量橋熱容小，有利于降低發(fā)火能量橋熱容小，有利于降低發(fā)火能量瞬發(fā)度高瞬發(fā)度高常規(guī)橋絲雷管鈍感橋絲雷管金屬膜橋雷管半導(dǎo)體橋雷管發(fā)火能量/mJ1010101瞬發(fā)度/s101001010001010010100安全指標(biāo)1A1W幾類電雷管的發(fā)火性能

12、對比表幾類電雷管的發(fā)火性能對比表（4）半導(dǎo)體橋火工品設(shè)計）半導(dǎo)體橋火工品設(shè)計半導(dǎo)體橋設(shè)計半導(dǎo)體橋設(shè)計 橋電阻1，高摻雜71019個原子/厘米3，電阻率約為7.6104cm 厚度：2m，L/W1:3.8 電阻為1歐姆 典型尺寸為100 m380 m2 m (a) (b) （C） (d)半導(dǎo)體橋芯片加工工藝和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計半導(dǎo)體橋芯片加工工藝和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）半導(dǎo)體橋芯片加工工藝（2）半導(dǎo)體橋封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計 陶瓷封裝，SCB芯片放在陶瓷塞的凹槽內(nèi)，采用多股焊絲用超聲波焊接。1下半壺形鐵芯；下半壺形鐵芯；250匝初級線圈；匝初級線圈；3半導(dǎo)體橋；半導(dǎo)體橋；4聚酰亞胺薄片包覆聚酰亞胺薄片包覆1匝次級線圈

13、；匝次級線圈； 5上半壺形鐵芯；上半壺形鐵芯；6藥柱藥柱 導(dǎo)彈點火器導(dǎo)彈點火器通過線圈將導(dǎo)彈上的高壓變低壓，而引燃點火藥通過線圈將導(dǎo)彈上的高壓變低壓，而引燃點火藥（5）SCB火工品介紹火工品介紹點火裝置點火裝置起爆裝置起爆裝置 1-電容器電容器 2-耐蝕管殼耐蝕管殼 3-輸出開關(guān)輸出開關(guān) 4-蓋片蓋片 5-炸藥炸藥 6-SCB 7-微微電子代碼模塊電子代碼模塊 8-光電代碼發(fā)火信號光電代碼發(fā)火信號 9-接地接地 10-輸入電源輸入電源靈巧靈巧SCB雷管雷管裝藥為氮化鉛、泰裝藥為氮化鉛、泰安，藥量安，藥量3080mg 1-觸發(fā)電路觸發(fā)電路 2-電子開關(guān)電子開關(guān) 3-SCB 4-絕緣塑料飛片絕緣塑

14、料飛片 5-圓筒圓筒 6-炸藥炸藥 7-輸入電路輸入電路 8-飛片裝置飛片裝置SCB沖擊片雷管原理圖沖擊片雷管原理圖 1、5-密封盤密封盤 2-擋板擋板 3-發(fā)射藥柱發(fā)射藥柱 4-波紋彈墊波紋彈墊 6-點火藥柱點火藥柱 7-電極塞電極塞 8-外殼外殼半導(dǎo)體橋推沖器半導(dǎo)體橋推沖器用于精確制導(dǎo)導(dǎo)彈彈道末端修正彈道用于精確制導(dǎo)導(dǎo)彈彈道末端修正彈道動力源裝置動力源裝置裝藥為裝藥為TiH1.65 /KClO4時，橋絲式和半導(dǎo)體橋推沖器性時，橋絲式和半導(dǎo)體橋推沖器性能對比能對比橋尺寸/ m 發(fā)火能量/mJ5分鐘不發(fā)火電流/A靜電試驗/25kV作用時間/ s熱橋絲推沖器48100032.61.1通過3400

15、半導(dǎo)體橋推沖器110038022.721.39通過60半導(dǎo)體橋推沖器24714020.451.3通過100半導(dǎo)體橋推沖器3236720.231.0通過150（6）SCB火工品的發(fā)展趨勢火工品的發(fā)展趨勢一是降低制造成本；二是鈍感化；三是小型化，滿足現(xiàn)代小型引信的發(fā)展要求；四是安全、精確。SCBRSCBMcSCB半導(dǎo)體橋膜技術(shù)半導(dǎo)體橋膜技術(shù) 發(fā)火能量發(fā)火能量3mJ多晶硅橋膜多晶硅橋膜可反應(yīng)半導(dǎo)體橋膜技術(shù)可反應(yīng)半導(dǎo)體橋膜技術(shù)發(fā)火能量發(fā)火能量3mJ多晶硅多晶硅-多層金屬橋膜多層金屬橋膜（W-Si，W-Ti-Si）芯片級半導(dǎo)體橋膜技術(shù)芯片級半導(dǎo)體橋膜技術(shù)發(fā)火能量發(fā)火能量3mJ集成靜電、電磁旁路集成靜電、

16、電磁旁路（集成齊納二極管旁路）（集成齊納二極管旁路）新型新型SCB橋橋（光電半導(dǎo)體橋火工系統(tǒng)（光電半導(dǎo)體橋火工系統(tǒng)-光起爆電發(fā)火系統(tǒng)）光起爆電發(fā)火系統(tǒng)）作用原理：作用原理： 火工品內(nèi)部的微型電路和光電轉(zhuǎn)換裝置，將來自光纖的光能轉(zhuǎn)換成電能，利用半導(dǎo)體橋使藥劑點火。優(yōu)點：優(yōu)點： 系統(tǒng)的每一個動作都可以有獨立的保險/解除保險裝置；系統(tǒng)具有鈍感化、質(zhì)量輕等特點；能控制多個有次序事件的作用并且作用迅速；滿足直列式點火系統(tǒng)的安全性要求等。12.4 爆炸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)爆炸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（1）概念及分類）概念及分類爆炸網(wǎng)絡(luò)是一種由爆炸元件構(gòu)成、通過爆轟信號傳遞起爆指令的火工系統(tǒng)。 爆炸元件指的是能夠傳遞和調(diào)制爆轟信號的裝

17、藥體或裝藥結(jié)構(gòu)。 裝藥載體的不同：可以分為剛性網(wǎng)絡(luò)和柔性網(wǎng)絡(luò)根據(jù)功能不同，可分為爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)、同步起爆網(wǎng)絡(luò)和異步起爆網(wǎng)絡(luò) 常用的有：爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)、剛性同步起爆網(wǎng)絡(luò)（2）爆轟波拐角現(xiàn)象）爆轟波拐角現(xiàn)象 1233=602=901=120拐角效應(yīng)和聚波效應(yīng)拐角效應(yīng)和聚波效應(yīng)拐角效應(yīng)和聚波效應(yīng)示意圖ABCEFO（3）爆炸邏輯元件和網(wǎng)絡(luò)）爆炸邏輯元件和網(wǎng)絡(luò)爆炸邏輯零門爆炸邏輯零門爆炸邏輯零門爆炸邏輯零門原理原理： 利用小尺寸裝藥爆轟波傳播的拐角效應(yīng)，由利用小尺寸裝藥爆轟波傳播的拐角效應(yīng)，由 兩個裝藥兩個裝藥尺寸相同的相互垂直的通道構(gòu)成。尺寸相同的相互垂直的通道構(gòu)成。爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò) 爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)

18、是由零門和其它爆炸線路組成的具有邏輯判斷和運算功能的爆炸網(wǎng)絡(luò)，它采用類似電路的方法實現(xiàn)了爆炸的邏輯功能。特點：特點：自選擇性自選擇性：通過內(nèi)部邏輯判斷實現(xiàn)輸出方式的選擇；減少保險機構(gòu)的數(shù)量減少保險機構(gòu)的數(shù)量：少輸入可產(chǎn)生多選擇輸出；抗干擾性抗干擾性：炸藥通道不受外界電磁環(huán)境的干擾。類型：類型：單輸出、多選一輸出兩類。單輸出：單輸出：二入一出、三入一出多選一輸出：多選一輸出：四入八出 （4）幾種典型的爆炸邏輯網(wǎng)幾種典型的爆炸邏輯網(wǎng) 12.5 直列式點火起爆序列直列式點火起爆序列（1）直列式點火起爆序列直列式點火起爆序列在傳爆通道中無隔爆裝置的序列。在傳爆通道中無隔爆裝置的序列。用于非隔斷式爆炸序

19、列的電發(fā)火的起爆器應(yīng)符合下列要用于非隔斷式爆炸序列的電發(fā)火的起爆器應(yīng)符合下列要求：求： 1.滿足MIL-I-23659B類起爆器所列的相應(yīng)特性； 2.不能被低于500V的電壓不安全起爆或性能衰變； 3.當(dāng)電子保險和解除保險裝置暴露于閃電、特定的電磁輻射、靜電放電、電磁脈沖和核輻射環(huán)境中時不應(yīng)被起爆。 目前的主要應(yīng)用是目前的主要應(yīng)用是沖擊片起爆沖擊片起爆技術(shù)。技術(shù)。（2）沖擊片雷管結(jié)構(gòu)）沖擊片雷管結(jié)構(gòu)主要由金屬箔、飛片、加速膛、炸藥柱等組成12346164325(1)(2)具有保險與解除保險功能的沖擊片雷管原理圖具有保險與解除保險功能的沖擊片雷管原理圖1爆炸箔；爆炸箔；2飛片；飛片；3隔板；隔板；4滑動裝置；滑動裝置；5加速膛；加速膛；6炸藥柱炸藥柱（3）沖擊片雷管具有以下特點）沖擊片雷管具有以下特點起爆閾值能量高(數(shù)千伏) ，抗靜電、雜散電流、射頻環(huán)境； 不含起爆藥和松裝猛炸藥；電爆炸箔起爆器耐高溫、低溫等自然環(huán)境，作用時間小于1s； 橋箔是印刷電路元件，可以大批量自動化生產(chǎn)，制造成本低 。（4）影響沖擊片雷管性能的主要因素）影響沖擊片雷管性能