火工品第十一章先进火工品技术a课件.ppt

1、先进火工品技术先进火工品技术国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and Technology王王 茜茜1.1.火工品总体发展趋势火工品总体发展趋势国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and Technology常规火工品常规火工品结构复杂结构复杂体积较大体积较大功能单一功能单一先进火工品先进火工品结构简化结构简化灵巧微小灵巧微小功能多样功能多样智能化智能化一体化一体化nMEMS火工技术火工技术n激光点火技术激光点火技术n激光起爆技术激光起爆技术n半导体（半导体（SCB）桥）桥n爆

2、炸网络爆炸网络n直列式火工品直列式火工品2.2.先进火工技术先进火工技术国内外现阶段国内外现阶段研究最多研究最多国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and Technology3.MEMS3.MEMS火工品技术火工品技术（1）MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems，微机电系统）微机电系统）采用微细加工技术和微装药技术将多个含能单元、采用微细加工技术和微装药技术将多个含能单元、微机械系统和微电子电路集成为具有多功能的含能模微机械系统和微电子电路集成为具有多功能的含能模块或含能芯片。块或含能芯片。国防科技

3、学院国防科技学院School of National Defence Science and Technology含能含能单元单元微机械微机械系统系统微电子微电子电路电路+=MEMS火工品火工品（2）MEMS火工品特点：火工品特点：国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and Technology特点特点微型化微型化集成化集成化多功能化多功能化高可靠性高可靠性高精度高精度批量化批量化低成本低成本（3）MEMS火工品制造技术火工品制造技术国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and T

4、echnologyI.体硅工艺体硅工艺UV甩胶甩胶光刻光刻显影显影刻蚀刻蚀基片光刻胶（3）MEMS火工品制造技术火工品制造技术国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and TechnologyII.牺牲层工艺牺牲层工艺（3）MEMS火工品制造技术火工品制造技术国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and TechnologyIII.LIGA工艺工艺4.4.典型典型 MEMSMEMS火工品火工品国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science

5、 and TechnologyI.含能桥箔含能桥箔(Energetic Bridge)4.4.典型典型 MEMSMEMS火工品火工品国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and TechnologyII.微推进芯片微推进芯片(Micro Thruster Chip)MEMS体工艺体工艺4.4.典型典型 MEMSMEMS火工品火工品国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and TechnologyIII.微型引信（微型引信（Micro Fuse）4.4.典型典型 MEMSMEMS火工品

6、火工品国防科技学院国防科技学院School of National Defence Science and TechnologyIV.微型火箭（微型火箭（Micro Rocket）特特点点光不受电磁波的影响光不受电磁波的影响光纤传输与电绝缘光纤传输与电绝缘结构简单结构简单系统质量轻系统质量轻排除桥腐蚀失效排除桥腐蚀失效后电阻效应后电阻效应12.1 激光点火激光点火（1）选择用光纤传输的激光作为点火能源的理由）选择用光纤传输的激光作为点火能源的理由（2）激光点火原理）激光点火原理 当激光作用于药剂表面时，一部分能量被反射，另一部分能量入射到药剂表面，并在极薄的表面药层内被吸收，这种吸收和反射主要

7、取决于药剂的光学性质。由于光热效应，药剂所吸收的激光能量转化为热量，使其表面温度上升，发生热分解，甚至出现不可逆的燃烧化学反应。典型的激光点火曲线典型的激光点火曲线（3）激光点火过程的三阶段）激光点火过程的三阶段含能材料吸收入射激光能量，因为光热效应，药剂表含能材料吸收入射激光能量，因为光热效应，药剂表面被加热；面被加热；含能材料因为被加热，发生凝聚相化学反应，温度继含能材料因为被加热，发生凝聚相化学反应，温度继续升高；续升高；不仅药剂表面发生凝聚相化学反应，而且表面上方也不仅药剂表面发生凝聚相化学反应，而且表面上方也存在气相化学反应，这一阶段认为点火已经发生。存在气相化学反应，这一阶段认为点

8、火已经发生。xRTEIeQZexTtTc22初始条件：t=0,T=T0(x0)边界条件：x=0，（t0）式中：I-炸药表面处激光束能量密度；-炸药对激光的吸收系数。0/xT（4）激光点火过程中的热平衡方程）激光点火过程中的热平衡方程（5）激光点火）激光点火/起爆系统的组成起爆系统的组成激光器聚焦透镜光纤耦合器激光点火/起爆器驱动电源保险与解除保险装置（6）激光点火器类型）激光点火器类型(a)插入式耦合 (b)接触式耦合 (c)间接式耦合 1点火药 2壳体 3光纤 4透窗132 131234阶跃光纤：纤芯的折射率是常数梯度光纤：纤芯折射率由轴心沿径向逐渐减小自聚焦特点（7）光纤类型）光纤类型激光

9、直接辐射直接辐射含能材料的原理示意图（8）激光与含能材料作用类型）激光与含能材料作用类型激光间接辐射间接辐射含能材料的原理示意图 激光束烧蚀烧蚀镀在透窗表面上的金属膜原理图（等离子体）（等离子体）（9）激光点火器设计）激光点火器设计1.激光点火器结构设计激光点火器结构设计 三种结构的优缺点2.激光点火器装药设计激光点火器装药设计 美军标MILSTD1901中B/KNO3 是直列式点火系统唯一的许用点火药，因此激光点火器装药首选B/KNO3。装药设计包括：配比、压药压力、粒度及掺杂等。（a）B/KNO3配比设计配比设计压力压力/MPa配比配比/W%掺杂掺杂/W%功率阈功率阈值值/W激光点火激光点

10、火时间时间/ms桥丝点火桥丝点火时间时间/ms10024:760.196.82810033:670.213.615.310043:570.254.415.610033:673%碳黑0.162.5配比对B/KNO3感度和点火时间的影响（b）B/KNO3装药粒度和压药压力设计装药粒度和压药压力设计压药压力压药压力/MPa12.537.7100粒度粒度/m202011.520阈值功率阈值功率/W0.460.29点火时间点火时间/ms3.73.43.6配比配比=33:67（c）其它点火药的激光点火特性）其它点火药的激光点火特性药剂药剂压力压力/MPa激光点火激光点火感度感度/W点火时间点火时间/msC

11、/S/KNO3700.0865.47Pb2Fe(CN)4/KClO4450.2820.42Zr/KClO4800.271.84（10）激光点火系统参数对点火特性的影响）激光点火系统参数对点火特性的影响1.激光功率、波长和脉宽（激光参数）对点火特性的影响激光功率、波长和脉宽（激光参数）对点火特性的影响 功率大，表示单位时间内激光器传递给药剂的能量多，药剂表面得热速率较大。因此，可以缩短点火时间。但是随着功率增大，存在一个最小值。药剂对激光能量的吸收具有波长选择性。对B/KNO3点火药，分别用808nm和980nm的激光进行试验，对应的功率阈值分别为0.32W和0.67W。如果点火时间小于激光的脉

12、宽，则脉宽的大小对点火时间没有影响；反之，则脉宽长，点火时间短。2.能量损耗对激光点火系统的影响能量损耗对激光点火系统的影响对于用光纤传输能量的激光点火系统来说，能量的损耗主要有：激光器光纤耦合损耗、光纤传输损耗、光纤光纤耦合损耗、光纤输出端面质量造成的损耗等。前两个主要取决于激光器和光纤的制造水平，因此，在设计系统时，重点考虑后两种损耗对激光点火性能的影响。3.光纤直径对点火特性的影响光纤直径对点火特性的影响光纤直径光纤直径/m点火阈值点火阈值/mJ能量密度能量密度/J.cm-2点火时间点火时间/ms偏差偏差/ms10019.40247.1326.033.5420042.98136.8825

13、.583.35400105.7284.1734.494.67600235.8683.4232.724.74激光器：1.06m钕玻璃激光器，脉宽2.4ms4.激光点火系统可靠性裕度确定激光点火系统可靠性裕度确定激光点火系统的可靠性大于0.999根据国外的经验，高可靠性下的刺激量的确定是通过裕度系数来保证的。对激光点火器而言，裕度系数为2时就能可靠发火。对系统而言，需考虑光纤损耗、接头损耗、耦合损耗对点火器的作用裕度后，才能得到系统作用可靠的激光能量。经折算，激光器功率约为点火器点火阈值的10倍时，激光点火系统才保证可靠作用。5.激光点火与桥丝点火性能的比较激光点火与桥丝点火性能的比较药剂药剂Pb

14、2Fe(CN)4/KClO4Ti/KClO4B/KNO3B/BaCrO 激光点火激光点火时间时间/ms0.421.22.838桥丝点火桥丝点火时间时间/ms4.164.1631.220 二极管激光器12.2 激光起爆技术激光起爆技术（1）高能炸药的激光起爆方式）高能炸药的激光起爆方式激光直接与高能炸药作用（与桥丝式电雷管在作用相似）；激光通过炸药表面的薄金属膜的快速加热而作用（与EBW式电雷管作用相似）；激光通过烧蚀一金属箔产生一高速飞片撞击高能炸药而作用（与EFI式电雷管作用相似）。激光起爆系统组成：激光器、光纤、激光雷管激光直接起爆炸药技术激光直接起爆炸药技术a)实施途径：一是用激光点燃起

15、爆药完成爆燃转爆轰(不采用)；二是采用全猛炸药的爆燃转爆轰结构b)关键：窗口材料选择及密封工艺 窗口材料的选择基于：材料的折射指数、雷管所需密封强度、窗口材料的热导率、窗口与壳体之间的热膨胀关系等。蓝宝石、P玻璃激光飞片雷管原理及设计12.3 半导体桥火工品技术半导体桥火工品技术（1）SCB火工品的作用机理火工品的作用机理 硅的电阻率与掺杂浓度和温度的关系硅的电阻率与掺杂浓度和温度的关系 通 电 SCB 桥 升 温 桥 熔 化 桥 汽 化 等 离 子 体 形 成 并 持 续 药 剂 发 火 微 对 流 传热 （2）半导体桥的结构和制造工艺）半导体桥的结构和制造工艺 铝膜层重掺杂多晶硅层SiO2

16、绝缘层硅基底 桥 硅基底 SCB制造工艺流程图制造工艺流程图（3）半导体桥火工品基本特点）半导体桥火工品基本特点安全电流高安全电流高桥材料的负温度系数，有利于降低发火能量桥材料的负温度系数，有利于降低发火能量桥热容小，有利于降低发火能量桥热容小，有利于降低发火能量瞬发度高瞬发度高常规桥丝雷管钝感桥丝雷管金属膜桥雷管半导体桥雷管发火能量/mJ1010101瞬发度/s101001010001010010100安全指标1A1W几类电雷管的发火性能对比表几类电雷管的发火性能对比表（4）半导体桥火工品设计）半导体桥火工品设计半导体桥设计半导体桥设计 桥电阻1，高掺杂71019个原子/厘米3，电阻率约为7

17、.6104cm 厚度：2m，L/W1:3.8 电阻为1欧姆 典型尺寸为100 m380 m2 m(a)(b)（C）(d)半导体桥芯片加工工艺和封装结构设计半导体桥芯片加工工艺和封装结构设计（1）半导体桥芯片加工工艺（2）半导体桥封装结构设计 陶瓷封装，SCB芯片放在陶瓷塞的凹槽内，采用多股焊丝用超声波焊接。1下半壶形铁芯；下半壶形铁芯；250匝初级线圈；匝初级线圈；3半导体桥；半导体桥；4聚酰亚胺薄片包覆聚酰亚胺薄片包覆1匝次级线圈；匝次级线圈；5上半壶形铁芯；上半壶形铁芯；6药柱药柱 导弹点火器导弹点火器通过线圈将导弹上的高压变低压，而引燃点火药通过线圈将导弹上的高压变低压，而引燃点火药（5

18、）SCB火工品介绍火工品介绍 点火装置点火装置起爆装置起爆装置 1-电容器电容器 2-耐蚀管壳耐蚀管壳 3-输出开关输出开关 4-盖片盖片 5-炸药炸药 6-SCB 7-微微电子代码模块电子代码模块 8-光电代码发火信号光电代码发火信号 9-接地接地 10-输入电源输入电源灵巧灵巧SCB雷管雷管装药为氮化铅、泰装药为氮化铅、泰安，药量安，药量3080mg 1-触发电路触发电路 2-电子开关电子开关 3-SCB 4-绝缘塑料飞片绝缘塑料飞片 5-圆筒圆筒 6-炸药炸药 7-输入电路输入电路 8-飞片装置飞片装置SCB冲击片雷管原理图冲击片雷管原理图 1、5-密封盘密封盘 2-挡板挡板 3-发射药

19、柱发射药柱 4-波纹弹垫波纹弹垫 6-点火药柱点火药柱 7-电极塞电极塞 8-外壳外壳半导体桥推冲器半导体桥推冲器用于精确制导导弹弹道末端修正弹道用于精确制导导弹弹道末端修正弹道动力源装置动力源装置装药为装药为TiH1.65/KClO4时，桥丝式和半导体桥推冲器性时，桥丝式和半导体桥推冲器性能对比能对比桥尺寸/m 发火能量/mJ5分钟不发火电流/A静电试验/25kV作用时间/s热桥丝推冲器48100032.61.1通过3400半导体桥推冲器110038022.721.39通过60半导体桥推冲器24714020.451.3通过100半导体桥推冲器3236720.231.0通过150（6）SCB火

20、工品的发展趋势火工品的发展趋势一是降低制造成本；二是钝感化；三是小型化，满足现代小型引信的发展要求；四是安全、精确。SCBRSCBMcSCB半导体桥膜技术半导体桥膜技术 发火能量发火能量3mJ多晶硅桥膜多晶硅桥膜可反应半导体桥膜技术可反应半导体桥膜技术发火能量发火能量3mJ多晶硅多晶硅-多层金属桥膜多层金属桥膜（W-Si，W-Ti-Si）芯片级半导体桥膜技术芯片级半导体桥膜技术发火能量发火能量3mJ集成静电、电磁旁路集成静电、电磁旁路（集成齐纳二极管旁路）（集成齐纳二极管旁路）新型新型SCB桥桥（光电半导体桥火工系统（光电半导体桥火工系统-光起爆电发火系统）光起爆电发火系统）作用原理：作用原理

21、：火工品内部的微型电路和光电转换装置，将来自光纤的光能转换成电能，利用半导体桥使药剂点火。优点：优点：系统的每一个动作都可以有独立的保险/解除保险装置；系统具有钝感化、质量轻等特点；能控制多个有次序事件的作用并且作用迅速；满足直列式点火系统的安全性要求等。12.4 爆炸网络技术爆炸网络技术（1）概念及分类）概念及分类爆炸网络是一种由爆炸元件构成、通过爆轰信号传递起爆指令的火工系统。爆炸元件指的是能够传递和调制爆轰信号的装药体或装药结构。装药载体的不同：可以分为刚性网络和柔性网络根据功能不同，可分为爆炸逻辑网络、同步起爆网络和异步起爆网络 常用的有：爆炸逻辑网络、刚性同步起爆网络（2）爆轰波拐角

22、现象）爆轰波拐角现象 1233=602=901=120拐角效应和聚波效应拐角效应和聚波效应拐角效应和聚波效应示意图ABCEFO（3）爆炸逻辑元件和网络）爆炸逻辑元件和网络爆炸逻辑零门爆炸逻辑零门爆炸逻辑零门爆炸逻辑零门原理原理：利用小尺寸装药爆轰波传播的拐角效应，由利用小尺寸装药爆轰波传播的拐角效应，由 两个装药两个装药尺寸相同的相互垂直的通道构成。尺寸相同的相互垂直的通道构成。爆炸逻辑网络爆炸逻辑网络 爆炸逻辑网络是由零门和其它爆炸线路组成的具有逻辑判断和运算功能的爆炸网络，它采用类似电路的方法实现了爆炸的逻辑功能。特点：特点：a)自选择性自选择性：通过内部逻辑判断实现输出方式的选择；b)减

23、少保险机构的数量减少保险机构的数量：少输入可产生多选择输出；c)抗干扰性抗干扰性：炸药通道不受外界电磁环境的干扰。类型：类型：单输出、多选一输出两类。a)单输出：单输出：二入一出、三入一出b)多选一输出：多选一输出：四入八出 （4）几种典型的爆炸逻辑网几种典型的爆炸逻辑网 12.5 直列式点火起爆序列直列式点火起爆序列（1）直列式点火起爆序列直列式点火起爆序列 在传爆通道中无隔爆装置的序列。在传爆通道中无隔爆装置的序列。用于非隔断式爆炸序列的电发火的起爆器应符合下列要用于非隔断式爆炸序列的电发火的起爆器应符合下列要求：求：1.满足MIL-I-23659B类起爆器所列的相应特性；2.不能被低于5

24、00V的电压不安全起爆或性能衰变；3.当电子保险和解除保险装置暴露于闪电、特定的电磁辐射、静电放电、电磁脉冲和核辐射环境中时不应被起爆。目前的主要应用是目前的主要应用是冲击片起爆冲击片起爆技术。技术。（2）冲击片雷管结构）冲击片雷管结构主要由金属箔、飞片、加速膛、炸药柱等组成12346164325(1)(2)具有保险与解除保险功能的冲击片雷管原理图具有保险与解除保险功能的冲击片雷管原理图1爆炸箔；爆炸箔；2飞片；飞片；3隔板；隔板；4滑动装置；滑动装置；5加速膛；加速膛；6炸药柱炸药柱（3）冲击片雷管具有以下特点）冲击片雷管具有以下特点 起爆阈值能量高(数千伏)，抗静电、杂散电流、射频环境；不

25、含起爆药和松装猛炸药；电爆炸箔起爆器耐高温、低温等自然环境，作用时间小于1s；桥箔是印刷电路元件，可以大批量自动化生产，制造成本低。（4）影响冲击片雷管性能的主要因素）影响冲击片雷管性能的主要因素桥箔材料及厚度桥箔材料及厚度 常用的桥箔材料为铝或铜，厚度为4m75m 飞片材料及厚度飞片材料及厚度 聚酰亚胺膜，飞片厚度与桥箔厚度有一定的匹配关系。通常飞片厚度约为桥箔厚度的5倍10倍加速膛加速膛 设计加速膛时，要考虑材料、直径和长度等因素；直径一般为桥箔宽度的1.5倍，加速膛最佳长度为桥箔厚度的50倍100倍。起爆药剂起爆药剂 HNS12.7 未来火工技术的发展趋势未来火工技术的发展趋势（1）含能材料及其特种材料的分子设计、合成、装备和性能表征（2）光、电、磁、声和物质的多物理场相互作用（3）含能材料的能量激发、转换、传递和控制（4）微、纳米及机电一体化火工集成技术（5）极端条件下的实验和性能评估技术（6）软杀伤机理及技术