火工品第十一章先進(jìn)火工品技術(shù)a課件

先進(jìn)火工品技術(shù)國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology王茜先進(jìn)火工品技術(shù)國防科技學(xué)院王茜11.火工品總體發(fā)展趨勢(shì)國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology常規(guī)火工品結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積較大功能單一先進(jìn)火工品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化靈巧微小功能多樣智能化一體化1.火工品總體發(fā)展趨勢(shì)國防科技學(xué)院常規(guī)火工品結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積較2MEMS火工技術(shù)激光點(diǎn)火技術(shù)激光起爆技術(shù)半導(dǎo)體（SCB）橋爆炸網(wǎng)絡(luò)直列式火工品2.先進(jìn)火工技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)階段研究最多國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyMEMS火工技術(shù)2.先進(jìn)火工技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)階段國防科技學(xué)院33.MEMS火工品技術(shù)（1）MEMS（MicroElectro-MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng)）

采用微細(xì)加工技術(shù)和微裝藥技術(shù)將多個(gè)含能單元、微機(jī)械系統(tǒng)和微電子電路集成為具有多功能的含能模塊或含能芯片。國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology含能單元微機(jī)械系統(tǒng)微電子電路++=MEMS火工品3.MEMS火工品技術(shù)（1）MEMS（MicroEle4（2）MEMS火工品特點(diǎn)：國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology特點(diǎn)微型化集成化多功能化高可靠性高精度批量化低成本（2）MEMS火工品特點(diǎn)：國防科技學(xué)院特點(diǎn)微型化集成化多功能5（3）MEMS火工品制造技術(shù)國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology體硅工藝UV甩膠光刻顯影刻蝕基片光刻膠（3）MEMS火工品制造技術(shù)國防科技學(xué)院體硅工藝UV甩膠光刻6（3）MEMS火工品制造技術(shù)國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology犧牲層工藝（3）MEMS火工品制造技術(shù)國防科技學(xué)院犧牲層工藝7（3）MEMS火工品制造技術(shù)國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnologyLIGA工藝（3）MEMS火工品制造技術(shù)國防科技學(xué)院LIGA工藝84.典型MEMS火工品國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology含能橋箔(EnergeticBridge)4.典型MEMS火工品國防科技學(xué)院含能橋箔(Energet94.典型MEMS火工品國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology微推進(jìn)芯片(MicroThrusterChip)MEMS體工藝4.典型MEMS火工品國防科技學(xué)院微推進(jìn)芯片(Micro104.典型MEMS火工品國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology微型引信（MicroFuse）4.典型MEMS火工品國防科技學(xué)院微型引信（MicroF114.典型MEMS火工品國防科技學(xué)院SchoolofNationalDefenceScienceandTechnology微型火箭（MicroRocket）特點(diǎn)4.典型MEMS火工品國防科技學(xué)院微型火箭（MicroR12光不受電磁波的影響光纖傳輸與電絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單系統(tǒng)質(zhì)量輕排除橋腐蝕失效后電阻效應(yīng)12.1激光點(diǎn)火（1）選擇用光纖傳輸?shù)募す庾鳛辄c(diǎn)火能源的理由光不受電磁波的影響（1）選擇用光纖傳輸?shù)募す庾鳛辄c(diǎn)火能源的理13（2）激光點(diǎn)火原理當(dāng)激光作用于藥劑表面時(shí)，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)。（2）激光點(diǎn)火原理14典型的激光點(diǎn)火曲線典型的激光點(diǎn)火曲線15（3）激光點(diǎn)火過程的三階段含能材料吸收入射激光能量，因?yàn)楣鉄嵝?yīng)，藥劑表面被加熱；含能材料因?yàn)楸患訜?，發(fā)生凝聚相化學(xué)反應(yīng)，溫度繼續(xù)升高；不僅藥劑表面發(fā)生凝聚相化學(xué)反應(yīng)，而且表面上方也存在氣相化學(xué)反應(yīng)，這一階段認(rèn)為點(diǎn)火已經(jīng)發(fā)生。（3）激光點(diǎn)火過程的三階段16初始條件：t=0,T=T0(x>0)邊界條件：x=0，（t>0）式中：I-炸藥表面處激光束能量密度；α-炸藥對(duì)激光的吸收系數(shù)。（4）激光點(diǎn)火過程中的熱平衡方程初始條件：t=0,T=T0(x>0)（4）激光點(diǎn)火過程中的熱17（5）激光點(diǎn)火/起爆系統(tǒng)的組成激光器聚焦透鏡光纖耦合器激光點(diǎn)火/起爆器驅(qū)動(dòng)電源保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)裝置（5）激光點(diǎn)火/起爆系統(tǒng)的組成激光器聚焦透鏡光纖耦合器激光點(diǎn)18（6）激光點(diǎn)火器類型(a)插入式耦合(b)接觸式耦合(c)間接式耦合

1－點(diǎn)火藥2－殼體3－光纖4－透窗132131234（6）激光點(diǎn)火器類躍光纖：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(diǎn)（7）光纖類型階躍光纖：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20激光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21激光間接輻射含能材料的原理示意圖激光間接輻射含能材料的原理示意圖22激光束燒蝕鍍?cè)谕复氨砻嫔系慕饘倌ぴ韴D（等離子體）激光束燒蝕鍍?cè)谕复氨砻嫔系慕饘倌ぴ韴D（等離子體）23（9）激光點(diǎn)火器設(shè)計(jì)1.激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)2.激光點(diǎn)火器裝藥設(shè)計(jì)美軍標(biāo)MIL－STD－1901中B/KNO3是直列式點(diǎn)火系統(tǒng)唯一的許用點(diǎn)火藥，因此激光點(diǎn)火器裝藥首選B/KNO3。裝藥設(shè)計(jì)包括：配比、壓藥壓力、粒度及摻雜等。（9）激光點(diǎn)火器設(shè)計(jì)1.激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24（a）B/KNO3配比設(shè)計(jì)壓力/MPa配比/W%摻雜/W%功率閾值/W激光點(diǎn)火時(shí)間/ms橋絲點(diǎn)火時(shí)間/ms10024:760.196.82810033:670.213.615.310043:570.254.415.610033:673%碳黑0.162.5配比對(duì)B/KNO3感度和點(diǎn)火時(shí)間的影響（a）B/KNO3配比設(shè)計(jì)壓力/MPa配比/W%摻雜/W%功25（b）B/KNO3裝藥粒度和壓藥壓力設(shè)計(jì)壓藥壓力/MPa12.537.7100粒度/μm202011.520閾值功率/W0.460.29點(diǎn)火時(shí)間/ms3.73.43.6配比=33:67（b）B/KNO3裝藥粒度和壓藥壓力設(shè)計(jì)壓藥壓力/MPa126（c）其它點(diǎn)火藥的激光點(diǎn)火特性藥劑壓力/MPa激光點(diǎn)火感度/W點(diǎn)火時(shí)間/msC/S/KNO3700.0865.47Pb2[Fe(CN)4]/KClO4450.2820.42Zr/KClO4800.271.84（c）其它點(diǎn)火藥的激光點(diǎn)火特性藥劑壓力/MPa激光點(diǎn)火感度/27（10）激光點(diǎn)火系統(tǒng)參數(shù)對(duì)點(diǎn)火特性的影響1.激光功率、波長(zhǎng)和脈寬（激光參數(shù)）對(duì)點(diǎn)火特性的影響功率大，表示單位時(shí)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(diǎn)火時(shí)間。但是隨著功率增大，存在一個(gè)最小值。藥劑對(duì)激光能量的吸收具有波長(zhǎng)選擇性。對(duì)B/KNO3點(diǎn)火藥，分別用808nm和980nm的激光進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的功率閾值分別為0.32W和0.67W。如果點(diǎn)火時(shí)間小于激光的脈寬，則脈寬的大小對(duì)點(diǎn)火時(shí)間沒有影響；反之，則脈寬長(zhǎng)，點(diǎn)火時(shí)間短。（10）激光點(diǎn)火系統(tǒng)參數(shù)對(duì)點(diǎn)火特性的影響1.激光功率、波長(zhǎng)282.能量損耗對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)的影響對(duì)于用光纖傳輸能量的激光點(diǎn)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(gè)主要取決于激光器和光纖的制造水平，因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，重點(diǎn)考慮后兩種損耗對(duì)激光點(diǎn)火性能的影響。2.能量損耗對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)的影響對(duì)于用光纖傳輸能量的激光點(diǎn)293.光纖直徑對(duì)點(diǎn)火特性的影響光纖直徑/μm點(diǎn)火閾值/mJ能量密度/J.cm-2點(diǎn)火時(shí)間/ms偏差/ms10019.40247.1326.033.5420042.98136.8825.583.35400105.7284.1734.494.67600235.8683.4232.724.74激光器：1.06μm釹玻璃激光器，脈寬2.4ms3.光纖直徑對(duì)點(diǎn)火特性的影響光纖直徑/μm點(diǎn)火閾值/mJ能304.激光點(diǎn)火系統(tǒng)可靠性裕度確定激光點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性大于0.999根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，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(duì)激光點(diǎn)火器而言，裕度系數(shù)為2時(shí)就能可靠發(fā)火。對(duì)系統(tǒng)而言，需考慮光纖損耗、接頭損耗、耦合損耗對(duì)點(diǎn)火器的作用裕度后，才能得到系統(tǒng)作用可靠的激光能量。經(jīng)折算，激光器功率約為點(diǎn)火器點(diǎn)火閾值的10倍時(shí)，激光點(diǎn)火系統(tǒng)才保證可靠作用。4.激光點(diǎn)火系統(tǒng)可靠性裕度確定激光點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性大于0.315.激光點(diǎn)火與橋絲點(diǎn)火性能的比較藥劑Pb2[Fe(CN)4]/KClO4Ti/KClO4B/KNO3B/BaCrO

激光點(diǎn)火時(shí)間/ms0.421.22.838橋絲點(diǎn)火時(shí)間/ms4.164.1631.220二極管激光器5.激光點(diǎn)火與橋絲點(diǎn)火性能的比較藥劑Pb2[Fe(CN)43212.2激光起爆技術(shù)（1）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12.2激光起爆技術(shù)激光起爆系統(tǒng)組成：激光器、光纖、激光33激光直接起爆炸藥技術(shù)實(shí)施途徑：一是用激光點(diǎn)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(qiáng)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(jì)激光直接起爆炸藥技術(shù)3412.3半導(dǎo)體橋火工品技術(shù)（1）SCB火工品的作用機(jī)理

硅的電阻率與摻雜濃度和溫度的關(guān)系12.3半導(dǎo)體橋火工品技術(shù)硅的電阻率與摻雜濃度和溫度的關(guān)35火工品第十一章先進(jìn)火工品技術(shù)a課件36（2）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（2）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SiO237SCB制造工藝流程圖SCB制造工藝流程圖38（3）半導(dǎo)體橋火工品基本特點(diǎn)安全電流高橋材料的負(fù)溫度系數(shù)，有利于降低發(fā)火能量橋熱容小，有利于降低發(fā)火能量瞬發(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/μs10～10010～100010～10010～100安全指標(biāo)<1A1W1A1W1A1W>1A1W幾類電雷管的發(fā)火性能對(duì)比表（3）半導(dǎo)體橋火工品基本特點(diǎn)安全電流高常規(guī)橋絲雷管鈍感橋絲雷39（4）半導(dǎo)體橋火工品設(shè)計(jì)半導(dǎo)體橋設(shè)計(jì)橋電阻1Ω，高摻雜7×1019個(gè)原子/厘米3，電阻率約為7.6×10－4Ω·cm厚度：2μm，L/W＝1:3.8電阻為1歐姆典型尺寸為100μm×380μm×2μm(a)(b)（C）(d)（4）半導(dǎo)體橋火工品設(shè)計(jì)半導(dǎo)體橋設(shè)計(jì)(a)(40半導(dǎo)體橋芯片加工工藝和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（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(jì)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。半導(dǎo)體橋芯片加工工藝和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）半導(dǎo)體橋芯片加工工藝411－下半壺形鐵芯；2－50匝初級(jí)線圈；3－半導(dǎo)體橋；4－聚酰亞胺薄片包覆1匝次級(jí)線圈；5－上半壺形鐵芯；6－藥柱導(dǎo)彈點(diǎn)火器通過線圈將導(dǎo)彈上的高壓變低壓，而引燃點(diǎn)火藥（5）SCB火工品介紹點(diǎn)火裝置1－下半壺形鐵芯；2－50匝初級(jí)線圈；3－半導(dǎo)體橋；通過線圈42起爆裝置1-電容器2-耐蝕管殼3-輸出開關(guān)4-蓋片5-炸藥6-SCB7-微電子代碼模塊8-光電代碼發(fā)火信號(hào)9-接地10-輸入電源靈巧SCB雷管裝藥為氮化鉛、泰安，藥量30~80mg起爆裝置1-電容器2-耐蝕管殼3-輸出開關(guān)4-蓋片5431-觸發(fā)電路2-電子開關(guān)3-SCB4-絕緣塑料飛片5-圓筒6-炸藥7-輸入電路8-飛片裝置SCB沖擊片雷管原理圖

1-觸發(fā)電路2-電子開關(guān)3-SCB4-絕緣塑料飛片544

1、5-密封盤2-擋板3-發(fā)射藥柱4-波紋彈墊6-點(diǎn)火藥柱7-電極塞8-外殼半導(dǎo)體橋推沖器用于精確制導(dǎo)導(dǎo)彈彈道末端修正彈道動(dòng)力源裝置

45裝藥為TiH1.65/KClO4時(shí)，橋絲式和半導(dǎo)體橋推沖器性能對(duì)比橋尺寸/μm發(fā)火能量/mJ5分鐘不發(fā)火電流/A靜電試驗(yàn)/25kV作用時(shí)間/μs熱橋絲推沖器Φ48×100032.61.1通過3400半導(dǎo)體橋推沖器1100×380×22.721.39通過60半導(dǎo)體橋推沖器247×140×20.451.3通過100半導(dǎo)體橋推沖器323×67×20.231.0通過150裝藥為TiH1.65/KClO4時(shí)，橋絲式和半導(dǎo)體橋推沖器46（6）SCB火工品的發(fā)展趨勢(shì)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)發(fā)火能量~3mJ多晶硅橋膜可反應(yīng)半導(dǎo)體橋膜技術(shù)發(fā)火能量~3mJ多晶硅-多層金屬橋膜（W-Si，W-Ti-Si）芯片級(jí)半導(dǎo)體橋膜技術(shù)發(fā)火能量>3mJ集成靜電、電磁旁路（集成齊納二極管旁路）（6）SCB火工品的發(fā)展趨勢(shì)SCBRSCBMcSCB半導(dǎo)體橋47新型SCB橋（光電半導(dǎo)體橋火工系統(tǒng)---光起爆電發(fā)火系統(tǒng)）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(diǎn)火。優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的每一個(gè)動(dòng)作都可以有獨(dú)立的保險(xiǎn)/解除保險(xiǎn)裝置；系統(tǒng)具有鈍感化、質(zhì)量輕等特點(diǎn)；能控制多個(gè)有次序事件的作用并且作用迅速；滿足直列式點(diǎn)火系統(tǒng)的安全性要求等。新型SCB橋（光電半導(dǎo)體橋火工系統(tǒng)---光起爆電發(fā)火系統(tǒng)）4812.4爆炸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（1）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(hào)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(hào)的裝藥體或裝藥結(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)12.4爆炸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（1）概念及分類49（2）爆轟波拐角現(xiàn)象

（2）爆轟波拐角現(xiàn)象50拐角效應(yīng)和聚波效應(yīng)拐角效應(yīng)和聚波效應(yīng)示意圖ABCEFO拐角效應(yīng)和聚波效應(yīng)示意圖ABCEFO51（3）爆炸邏輯元件和網(wǎng)絡(luò)爆炸邏輯零門爆炸邏輯零門原理：利用小尺寸裝藥爆轟波傳播的拐角效應(yīng)，由兩個(gè)裝藥尺寸相同的相互垂直的通道構(gòu)成。（3）爆炸邏輯元件和網(wǎng)絡(luò)爆炸邏輯零門原理：52爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)是由零門和其它爆炸線路組成的具有邏輯判斷和運(yùn)算功能的爆炸網(wǎng)絡(luò)，它采用類似電路的方法實(shí)現(xiàn)了爆炸的邏輯功能。特點(diǎn)：自選擇性：通過內(nèi)部邏輯判斷實(shí)現(xiàn)輸出方式的選擇；減少保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的數(shù)量：少輸入可產(chǎn)生多選擇輸出；抗干擾性：炸藥通道不受外界電磁環(huán)境的干擾。類型：?jiǎn)屋敵觥⒍噙x一輸出兩類。單輸出：二入一出、三入一出多選一輸出：四入八出

爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)53（4）幾種典型的爆炸邏輯網(wǎng)

（4）幾種典型的爆炸邏輯網(wǎng)5412.5直列式點(diǎn)火起爆序列（1）直列式點(diǎn)火起爆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列的電發(fā)火的起爆器應(yīng)符合下列要求：1.滿足MIL-