火工品第十一章先进火工品技术a课件.ppt

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块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。

或含能芯片国防科技学院国防科技学院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 TechnologyI.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 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，这一阶段认为点火已经发生初始条件：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/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/ms10019.40247.1326.033.5420042.98136.8825.583.35400105.7284.1734.494.67600235.8683.4232.724.74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Pb2Fe(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（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/mJ 1010101瞬发度/s101001010001010010100安全指标1A1W几类几类电雷管的发火性能对比表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7.6104cm 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。