B/Ti薄膜点火元件电爆输出性能研究*

高 芬，曹维国

(中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900)

电爆炸点火元件，利用爆炸箔或者桥丝，在短脉冲电流刺激下产生等离子体引燃或引爆始发装药。电爆炸产生等离子体的性能，直接影响始发装药发火的可靠性。等离子体温度越高，持续时间越长，越容易起爆始发装药。增加爆炸箔桥区尺寸，可提高等离子体的温度和持续时间，然而，起爆大尺寸桥箔需要大电流脉冲输入，导致起爆系统的体积较大，难以实现武器系统的小型化。因此，降低电爆点火元件的发火能量，是起爆系统必然的发展趋势。

在点火元件中应用微小桥区尺寸金属箔，可以实现点火元件的低能等离子体化，但是，由于输入能量低，且单一金属桥箔换能过程存在能量损耗，因此，该类点火元件对下级装药的感度具有一定的选择性，要求装药感度很高。为了实现低能输入，高能输出，可在等离子体作用过程复合一个纳米含能材料的快速放热反应，增强等离子体的输出性能，提高低能电爆炸点火元件引燃引爆下级装药的可靠性。由于B/Ti复合含能材料具有反应速率高，能量高的特点，本文采用用B/Ti复合含能材料的反应放热实现金属桥箔的电爆炸输出增益。

B/Ti复合含能材料发生反应生成热可达 5517 J/g，反应过程可产生强烈火花，火花溅射距离多达数毫米甚至更远[1]，已经成功应用于汽车安全气囊的充气点火[2]和固体推进剂的非接触式点火[3]等。尽管B/Ti复合含能材料放热量大，是一种很有潜力的含能材料。然而，由于B的熔点高、导电性差，制备B/Ti很困难，国内外研究报道较少。国外利用直流溅射沉积和电子束蒸发沉积制备B薄膜，存在沉积效果差、安全性差和易爆炸等缺点[3]。刘玉杰利用射频磁控溅射法成功制备了B/Ti复合薄膜[4]，但是B薄膜沉积速率很低，仅1.38nm/min[5]。为提高制备效率，本文基于电泳沉积原理，以小尺寸Cu爆炸箔(0.04mm×0.04mm×1μm)为基底，在外加直流电源的作用下，实现了B和Ti纳米颗粒在溶液中的定向移动，在爆炸箔上沉积了约10μm厚的B/Ti复合含能薄膜，进而获得一种以B/Ti含能薄膜材料为基的电爆炸点火元件。根据小尺寸爆炸箔电爆特性，采用极短周期脉冲电流测试了电爆炸点火元件的性能特性参数。

1 B/Ti复合含能材料的表征

1.1 B/Ti复合含能材料表面形貌分析

B粉和Ti粉配制成胶体，利用电泳技术在不锈钢基板上沉积了B/Ti复合含能材料，如图1所示。

图1 电泳沉积的B/Ti复合含能材料

从图1观察到，沉积后的B/Ti复合含能材料整体呈黑色，颜色均匀，无两种物质的分颗粒感存在，表明硼粉与钛粉混合均匀，通过电泳技术实现B/Ti复合含能材料的制备方法可行。

为了进一步观察B/Ti复合含能材料的表观形貌，将制备好的B/Ti进行扫描电子显微镜(SEM)检测，如图2所示。将B/Ti复合含能材料放大500倍后的形貌显示与图2(a)的图片，从图片上看出，整个呈蓬松状，微小孔结构覆盖于整个表面，观察不到两种物质分别颗粒的存在，进一步表明利用电泳沉积的B粉与Ti粉混合均匀，没有出现利用人工或者机器混合粉末出现的缺点。图2(b)显示的图片为放大1万倍后的形貌，出现堆砌状，中间有空隙，呈现松散状。一种物质出现母体块状，另一种物质的颗粒以团簇的形式围绕在母体周围。这种现象与张开黎制备的Al/CuO纳米线复合含能材料两种物质的结合方式[6]相似，都是包围母体形成含能材料，以这种形式制备的含能材料更利于反应，反应更完全[7]。

1.2 B/Ti复合含能材料DSC分析

对电泳法制备的B/Ti复合含能材料以不同的升温速率( 10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min 和 50 ℃/min)进行了DSC测试。测试样品量约为 20 mg，测试在动态氮气氛围下进行，氮气流量为 30 mL/min。在实际的应用中，由于不同的点火方式有不同的升温速率故研究升温速率对改材料的影响具有实际的意义。图3显示为不同升温速率下的获得的DSC放热曲线，观测到不同升温速率下的曲线的放热峰的峰形相似，但是峰值温度与放热起始温度不同。图3中的DSC放热曲线只有一个放热峰，没有吸热峰，表明反应完全，反应起始温度为976～1023 ℃，比硼(2076 ℃)和钛(1678 ℃)的熔点都低。B/Ti含能材料在升温速率为 50 ℃/min 下，放出的热量最大，可达 1259 J/g，与利用磁控溅射制备的B/Ti纳米复合薄膜的放热量相当[4]。 随着升温速率的提高，B/Ti复合含能材料呈现出明显的热滞期，即当升温速率从 10 ℃/min 提高到 50 ℃/min，该含能材料的初始反应温度提高了 47 ℃(从 975.7 ℃ 提高到 1022.6 ℃)，说明B/Ti含能材料的燃点对升温速率较敏感，这一结论在其它纳米含能材料颗粒中也得到同样的结果[8]。

图3 B/Ti复合含能材料在不同

2 Cu/B/Ti点火元件电爆性能研究

采用磁控溅射法制备了尺寸为 0.04 mm×0.04 mm×0.001 mm 的铜桥箔，在铜微桥箔(桥区和桥翼)的基础上利用电泳技术沉积了 10 μm 厚的B/Ti复合含能材料，如图4所示。整个桥区和桥翼呈现黑色，表明B/Ti复合含能材料通过电泳技术成功地沉积在Cu桥上。

采用短脉冲电流放电单元对Cu/B/Ti点火元件进行了电爆性能研究，电容放电单元电容容量为 25 nF，输入电压为 400 V，总输入能量为 2 mJ，周期为 211 ns，测试电路如图5所示。利用电流环测试发火电路中的电流，在桥区下面沉积了两根“胡须”，测试桥区两端的电压，获得其电压-电流特征曲线。

图5 Cu桥箔电爆特性曲线测试示意图

当开关在触发高压作用下瞬间导通后，电容器快速放电，产生脉冲大电流，桥箔两端电压随之增大，桥箔受热快速熔化气化，气化完成时，电压出现一尖峰达到最大值，相应电流曲线出现“凹坑”，这个时刻为桥箔电爆炸时刻。图6显示为Cu/B/Ti电爆炸点火元件在 400 V 输入电压，电容容量为 25 nF 的条件下的电压-电流特征曲线。从图6中看出，电流、电压曲线在 40 ns 时几乎同时达到顶峰，说明电容器储能充足，桥箔结构与电压匹配较好，铜桥箔能量利用率高。

Cu/B/Ti电爆炸点火元件进行发火测试试验，电压为 400 V，电容容量为 25 nF，图7显示了Cu/B/Ti复合桥箔的发火情况。当桥区电流密度骤然增大，产生热量使Cu桥箔熔化气化产生等离子体，在这过程中B/Ti含能材料发生反应，增强等离子体的输出能力。从图7中明显地看出，有强烈的火花出现，而且伴有反应物的喷出，说明B/Ti含能材料发生了反应。整个喷射的火焰可达数毫米，保证即使次级装药与点火元件有微小间隙也能可靠点燃下级装药，实现点火的功能。而桥丝式点火元件和半导体点火元件则要求被点燃药剂必须与桥丝和半导体桥贴紧，研究表明，即使有微小空隙的存在也极有可能造成哑火[9-10]。

图6 Cu/B/Ti桥箔电压-电流特征曲线

图7 Cu/B/Ti复合桥电爆实物图

3 结论

a)采用电泳技术沉积的B/Ti含能薄膜材料呈蓬松状，颜色均匀，无分颗粒存在； SEM表观相貌表征表明B/Ti含能薄膜材料中一种物质呈线块装母体，而另外一种物质颗粒成团簇装包围在块体周围。

b)不同升温速率的DSC热分析表明，B/Ti含能薄膜材料的反应起始温度为 976 ℃～1023 ℃，远比硼与钛的熔点低，只有一个反应放热峰，放出的热量为 1259 J/g。

d)在尺寸为 0.04 mm×0.04 mm×0.001 mm 的Cu微桥箔上沉积 10 μm 厚的B/Ti含能薄膜材料，制备的Cu/B/Ti电爆炸点火元件。在电容容量 25 nF，输入电压 400 V 的条件下，Cu/B/Ti电爆炸点火元件电流、电压曲线在 40 ns 时几乎同时达到顶峰，表明桥箔结构与电压匹配较好，铜桥箔能量利用率高。

e)制备的Cu/B/Ti电爆炸点火元件电爆过程中发出强烈的火光，火焰高度达数毫米，反应后桥区断开，反应完全。