1、火工品INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：1003-1480（2023）01-0016-06Cu/Ni复合爆炸箔的制备及其电爆性能研究陈航，唐书缘，刘佳兴，周全，代波，任勇（西南科技大学 环境友好能源材料国家重点实验室，四川 绵阳，621010）摘要：采用磁控溅射、光刻及湿法刻蚀等工艺制备了厚度为 3m 的Cu 爆炸箔、Ni 爆炸箔以及 Cu/Ni 复合爆炸箔，采用 XRD、SEM 及EDS 对样品进行物相及截面形貌表征，并对爆炸箔电阻及其电爆性能进行测试。结果表明：随着Ni 元素的增加，复合爆炸箔电阻逐渐增大；在 1 000V 充电电压下，Cu 膜厚度为300nm、Ni
2、膜厚度为200nm、调制周期为 6 的Cu/Ni 复合爆炸箔（Cu300Ni200)6的爆发电流是Cu 爆炸箔的2.33 倍，是 Ni 爆炸箔的 1.56 倍；其爆发功率是Cu爆炸箔的3.81倍，是Ni 爆炸箔的1.45倍；其能量利用率为30.96%，是Cu爆炸箔的1.29倍，是Ni 爆炸箔的1.28倍。关键词：爆炸箔；Cu/Ni；电爆性能；磁控溅射中图分类号：TJ450.3文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2023.01.004Preparation and Study on ElectricalPerformance ofCu/Ni Exploding
3、FoilCHEN Hang，TANG Shu-yuan，LIU Jia-xing，ZHOU Quan，DAI Bo，REN Yong(State Key Laboratory of Environment-friendly Energy Materials,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,621010)Abstract：The Cu,Ni and Cu/Ni exploding foils with 3m thickness were prepared by magnetron sputtering,photoli
4、thography and wet etching.XRD,SEM and EDS were used to characterize the phase and cross-sectional morphology ofthe samples,the resistance and the electro explosive performance of the exploding foils were tested.The results show that withtheincreaseof Ni element,the resistanceof theexploding foil gra
5、dually increase.Under 1 000Vchargingvoltage,theexplosioncurrent of the(Cu300Ni200)6sample,which has 300nm thickness of Cu film and 200nm thickness of Ni film as a period and atotal of 6 periods,is 2.33 timesthat of theCu exploding foil,1.56 timesthat of theNi exploding foil,and the explosion power i
6、s3.81 times that of Cu explosion foil and 1.45 times that of Ni explosion foil.The energy utilization rate of the(Cu300Ni200)6sampleis30.96%,whichis1.29timesthatof theCu explosionfoiland1.28timesthatoftheNi explosionfoil.Keywords：Explodingfoil；Cu/Ni；Electroexplosiveperformance；Magnetronsputtering爆炸箔
7、起爆系统因其安全性好、环境适应性强、作用时间短等特点，被广泛应用于航空航天、武器弹药以及民用爆破等领域1-2。现有的爆炸箔起爆系统能量利用率低，需要依靠大容量电容以及较高电压起爆，不利于系统微型化发展。其中的爆炸箔起到将输入电能转换为飞片动能的作用，提高爆炸箔的能量利用率，有利于减小电容和起爆电压，从而实现系统小型化3。近年来，广大科研学者开展了大量提高爆炸箔的能量利用率研究。李艺、钱勇等4-5研究发现圆形桥翼爆炸箔电流能更为有效地被利用；周密、付秋菠等6-8开展了对爆炸箔厚度及桥区尺寸的研究，通过优化相关参数得到桥区尺寸与爆炸箔厚度的最优匹配值；同时，开展了大量对爆炸箔材料的研究，如 Cu、
8、Al9、Ni-Cr10-11、Al/Ni12-15、Al/CuO16-18以 及2023 年02 月2023 年第1 期收稿日期：2022-08-23作者简介：陈航（1994-），男，在读硕士研究生，从事新型火工品研究。通讯作者：任勇（1981-），男，研究员，从事微加工技术研究。基金项目：西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室自主课题（No.20fsky23,No.21fsky27）。火工品2023 年 02月17Cu/Al/Ni19-20等，研究表明多层膜结构有助于提升爆炸箔的等离子体输运能力。传统 Cu 爆炸箔能量利用率较低且易氧化，Ni 与Cu 同属于面心立方结构，并且 Ni 具有
9、良好的机械性能以及不易被氧化的特性。为此，本研究采用磁控溅射、光刻及湿法刻蚀工艺制备Cu、Ni以及Cu/Ni复合爆炸箔，并对制备的爆炸箔的电爆性能进行研究。1实验样品制备实验设计 6 组样品，分别为纯 Cu 爆炸箔、纯 Ni爆炸箔以及 Cu/Ni 复合爆炸箔，其中 Cu/Ni 复合爆炸箔以 500nm 为周期，共 6 周期，其结构表示为(CuxNi500-x)6，其中 x 代表单层 Cu 膜厚度，分别为 400，300，200，100 nm，6 组样品总膜厚均为 3m，样品结构如图 1 所示。图1爆炸箔结构示意图Fig.1Structurediagramof explodingfoils首先将
10、32mm32mm1mm的ZTA陶瓷反射片分别置于丙酮、去离子水、酒精中，超声清洗 15min后用氮气吹干，再将反射片用离子刻蚀进行轰击，进一步去除表面的杂质，同时有利于增强爆炸箔与反射片的结合力。采用 JGP560 型磁控溅射进行 Cu 膜和Ni 膜生长，然后对得到的样品进行爆炸箔图形制备，主要步骤包括：匀胶、前烘、曝光、后烘、显影、刻蚀、清洗等21，最后通过裁切得到单个爆炸箔样品。爆炸箔设计尺寸为0.25mm(L)0.32mm(W)3m(d)。2样品表征2.1X 射线衍射分析利用日本Rigaku公司生产的SmartLab型X射线衍射仪，对制备的不同爆炸箔样品在 2080进行扫描，得到的衍射图
11、谱如图2 所示。图2不同爆炸箔XRD图Fig.2XRDfiguresof different explodingfoils由图 2 可知 2值 43.316、50.448、74.124分别对应 Cu 的(111)、(200)和(220)晶面，2值 44.507、51.846、76.37分别对应 Ni 的(111)、(200)和(220)晶面。并且可以看出 Cu、Ni 膜以多晶形式存在，具有较好的结晶度，同时可以看出样品没有 CuO 和 NiO的衍射峰，说明样品几乎未被氧化。从图 2(b)可以看出随着周期内Cu 膜厚度的减小、Ni 膜厚度的增加，Cu 衍射峰强度逐渐减小，Ni 衍射峰强度逐渐增强
12、。2.2扫描电镜及能谱分析采用德国CarlZeiss公司生产的Sigma300型场发射扫描电子显微镜，对复合爆炸箔截面进行结构表征，结果如图 3 所示。由图 3 可以看出复合爆炸箔清晰的多层结构，且膜厚以及周期内 Cu 与 Ni 的厚度与实验设计一致。（a）(Cu400Ni100)6（b）(Cu300Ni200)6图3爆炸箔截面SEM图Fig.3Cross-sectionSEMimageof explodingfoils同时对复合爆炸箔截面元素分布进行EDS测试，测试结果如图4 所示。由图 4 可以看出爆炸箔明显的层状元素分布，但是 Cu 膜与 Ni 膜之间存在一定的扩Cu(Cu400/Ni1
13、00)6(Cu300/Ni200)6(Cu200/Ni300)6(Cu100/Ni400)6Ni3m203040506070802/I/a.u.Ni(111)Ni(200)Ni(220)I/a.u.20 30 40506070 802/Cu(111)Ni(111)Cu(200)Ni(200)Cu(220)Ni(220)(Cu100Ni400)6(Cu200Ni300)6(Cu300Ni200)6(Cu400Ni100)6（a）Cu 爆炸箔203040506070802/I/a.u.Cu(200)Cu(220)Cu(111)（b）Cu/Ni爆炸箔（c）Ni 爆炸箔陈航等：Cu/Ni 复合爆炸箔的
14、制备及其电爆性能研究182023 年第1 期散现象，其主要原因为磁控溅射时间较长，较高的温度导致界面之间元素扩散。图4爆炸箔截面EDS 图Fig.4Cross-sectionEDSimageof explodingfoil2.3爆炸箔电阻测试采用 Tonghui TH2512B+型直流低电阻测试仪测试 Cu/Ni 复合爆炸箔、纯 Cu 爆炸箔以及纯 Ni 爆炸箔的电阻，测试结果如表 1 所示。表 1不同爆炸箔电阻Tab.1Theelectricalresistanceof differentexplodingfoils样品测试数量平均电阻/mCu514.91(Cu400Ni100)6522.1
15、7(Cu300Ni200)6527.96(Cu200Ni300)6540.48(Cu100Ni400)6561.32Ni583.47由表 1 可以看出，纯 Cu 爆炸箔电阻最小，纯 Ni爆炸箔电阻最大，Cu/Ni 复合爆炸箔随着周期内 Ni厚度的增加电阻逐渐增大。3电爆炸性能测试3.1试验装置电爆炸性能试验装置如图 5 所示，主要包括高压脉冲功率源、爆炸箔起爆装置以及信号采集装置。图 5 中高压脉冲功率源可提供 02 600V 高压，为 0.2F 电容器充电，同时为爆炸箔起爆装置提供脉冲高压。信号采集装置主要包括电压、电流信号采集装置以及数据存储装置，其中电压采用Agilent10076B型高
16、压探头采集，电流采用 PINTECH DK-3500 型柔性电流探头采集，采集到的电压、电流信号用TektronixMDO4104C 型示波器记录储存。图 5电爆炸试验装置示意图Fig.5Schematicdiagramof electroexplosivetestdevice3.2起爆回路电阻、电感测试在起爆回路中引出了部分电缆，以确保试验安全性以及避免仪器损坏，但是电缆的引入增加了起爆回路的总电感和总电阻，使得功率源输出能量部分浪费在起爆回路中，从而导致系统能量利用率降低。所以，在测试电爆炸参数前对起爆回路短接，得到在充电电压为 2 000V、电容为 0.2F 时回路电流随时间的变化曲线，如图 6 所示。图6起爆回路短路电流曲线Fig.6Detonatingcircuitshort-circuit currentcurve由图6可以看出电流曲线满足美军标MIL-DTL-23659D 中指出的脉冲功率源短路放电时，电流至少包含 5 个等间隔振幅逐渐减小的波形。根据 R-L-C 电路放电理论推导出计算公式22：式（1）（2）中：L 为电感，nH；T 为电流曲线震荡周期，s；C 为电容，
