等離子體技術(shù)在炸藥起爆中的應(yīng)用研究進(jìn)展

薛樂星，馮曉軍，王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

等離子體技術(shù)在炸藥起爆中的應(yīng)用研究進(jìn)展

薛樂星，馮曉軍，王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

介紹了爆炸橋絲等離子體技術(shù)，主要包括真空中、空氣中及水下爆炸橋絲等離子體技術(shù)；按照爆炸橋絲式和半導(dǎo)體橋式等離子體產(chǎn)生方式，綜述了等離子體技術(shù)在炸藥起爆中的應(yīng)用研究進(jìn)展，比較了不同等離子體起爆方式的優(yōu)缺點，分析了等離子體起爆炸藥機(jī)理。指出炸藥在等離子體起爆下的研究重點是高能炸藥在等離子體直接起爆下的特性研究，以及高能炸藥與等離子體相互作用的動力學(xué)研究。附參考文獻(xiàn)55篇。

等離子體技術(shù)；爆炸橋絲；半導(dǎo)體橋；起爆；炸藥

引 言

為解決鈍感炸藥的起爆問題，同時又要滿足不敏感武器系統(tǒng)的要求，傳統(tǒng)的起爆方式也在向高能不敏感化發(fā)展，并開發(fā)了激光起爆、等離子體起爆等對電、熱、射頻不敏感的起爆方式。等離子體起爆由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于小型化、起爆能力強(qiáng)等優(yōu)點得到了快速發(fā)展。等離子體具有豐富的活性基團(tuán)，包括原子、電子、離子、自由基、分子碎片及大量處于激發(fā)態(tài)的粒子，這些活性粒子有很高的反應(yīng)活性可以大幅降低反應(yīng)所需的活化能。另外，等離子體能量易于控制，可以通過控制電磁場來改變其能量、能流密度、運(yùn)動方向等。因此等離子體在民用和軍用方面得到廣泛應(yīng)用，如表面改性[1]、等離子體聚合[2]、制備納米粉末[3-4]、發(fā)動機(jī)點火[5-8]、Z-箍縮能量會聚[9-10]、火炸藥點火起爆等。

電爆炸是一種常見的用于起爆領(lǐng)域的等離子體源。由于電爆炸發(fā)生時間極短，可以產(chǎn)生極高能流密度的等離子體和沖擊波，因此具有良好的起爆能力?；鹫ㄋ庮I(lǐng)域應(yīng)用的電爆炸等離子體裝置主要有爆炸橋絲、半導(dǎo)體橋和爆炸箔[11-12]3類。本文主要介紹與炸藥直接作用的電爆炸等離子體技術(shù)及其在炸藥起爆中的應(yīng)用研究進(jìn)展，以及等離子體起爆炸藥的機(jī)理研究。

1 爆炸橋絲等離子體技術(shù)

爆炸橋絲等離子體發(fā)生裝置主要基于電阻電感電容(RLC)放電回路設(shè)計，即先通過高壓電源對儲能電容器充電，通過放電開關(guān)快速導(dǎo)通實現(xiàn)儲能電容器對爆炸絲快速放電，從而發(fā)生電爆炸產(chǎn)生等離子體。

1.1 空氣中爆炸橋絲等離子體技術(shù)

最初對爆炸橋絲的研究以空氣為介質(zhì)。電爆炸時會在橋絲表面產(chǎn)生強(qiáng)電場和沖擊波。對等離子體的診斷以電學(xué)和光學(xué)方法為主。

Novac等[14]測定的爆炸橋絲峰值電場強(qiáng)度可以達(dá)到40kV/cm。Murphy等[15]利用粒子圖像速度場儀測定了爆炸橋絲產(chǎn)生的沖擊波，直觀反映了沖擊波的速度場分布。Pikuz等[16]設(shè)計了一種簡單的空氣縫干涉儀來測定爆炸橋絲產(chǎn)生的等離子體的擴(kuò)散速度。趙軍平等[17]對不同直徑金屬絲電爆炸過程中產(chǎn)生的等離子體狀態(tài)作了光學(xué)診斷，發(fā)現(xiàn)在形成等離子體通道時，粗電爆絲先由表面形成，而細(xì)電爆絲則從中心向表面擴(kuò)展。此外細(xì)電爆絲產(chǎn)生的等離子體中，電子溫度和密度均高于粗電爆絲，等離子體通道也更穩(wěn)定。

1.2 真空中爆炸橋絲等離子體技術(shù)

當(dāng)把爆炸橋絲置于真空中時，由于產(chǎn)生的等離子體不會受到介質(zhì)阻擋，可以快速擴(kuò)散，對電爆炸本質(zhì)特征可以更好地加以研究。

空氣中爆炸橋絲產(chǎn)生的等離子體在空間分布上呈現(xiàn)了很好的一致性，但Sarkisov等[18]捕捉到的真空中爆炸橋絲畫面顯示，陽極電爆炸時等離子體分布從陰極到陽極呈清晰的圓錐形，而陰極電爆炸時則僅在陰極和陽極附近存在少量等離子體，中間部分則很少。造成軸向等離子體分布不均一的原因，可能是電爆炸瞬間沿金屬絲表面的電場分布不均。Wang等[19]對鋁絲真空電爆炸作了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)電流增長速率越快，在等離子體形成前爆炸橋絲上沉積的能量越多。此外，電爆炸發(fā)生前后電流的分布也發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)移，等離子體形成后電流快速從高密度冷核即金屬絲向低密度熱等離子體轉(zhuǎn)移。Sinars等[20]對爆炸橋絲快速放電時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋絲沉積能量低于其所需的汽化能時橋絲未等離子體化部分呈泡沫狀。

1.3 水下爆炸橋絲等離子體技術(shù)

近年來國內(nèi)外對電爆炸等離子體的研究重點逐步轉(zhuǎn)向水下實驗，由于電爆炸介質(zhì)的改變導(dǎo)致橋絲沉積的能量以及產(chǎn)生的等離子體的結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變，對于研究電爆炸動力學(xué)過程有指導(dǎo)作用。

與空氣或真空中金屬絲電爆炸相比，水下金屬絲電爆炸的突出特點是由于水的難壓縮性導(dǎo)致等離子體無法迅速擴(kuò)散，徑向爆炸速度較慢，這意味著橋絲炸斷所需的時間更長，因此水下金屬絲電爆炸時可以沉積更高的能量。

Lebedev等[21]發(fā)現(xiàn)金屬絲水下電爆炸時電流密度可以達(dá)到107A/cm2以上，而在真空中時，由于等離子體快速擴(kuò)散很難實現(xiàn)如此高的能量。DeSilva等[22-23]對銅絲、鋁絲的水下電爆炸研究表明，微秒時間尺度的電爆炸可用于構(gòu)建電爆炸過程的狀態(tài)方程和建立電導(dǎo)率模型。Sheftman課題組對不同時間尺度的水下電爆炸做了研究，為了實現(xiàn)所需的納秒[24]、微秒[25]和亞微秒[26]時間尺度放電，電流分別采用了50kA 、300A和550A。測定電爆炸時的電壓、電流信號，將實驗得到的電阻與磁流體力學(xué)仿真模型相對比，發(fā)現(xiàn)微秒尺度時兩者可以很好的吻合，而納秒和亞微秒尺度下現(xiàn)有模型則需做一定的修正。

張寒虹等[27]利用高速攝影研究了水下電爆炸的物理過程。與空氣介質(zhì)相比，水中電爆炸時由于產(chǎn)生的高溫高壓等離子體會強(qiáng)烈地壓縮水，導(dǎo)致水中形成較強(qiáng)的沖擊波，并伴隨有空泡脈動。高速攝影拍攝到的電爆炸過程發(fā)現(xiàn)，高壓低電容條件下，放電初期金屬絲外層便有等離子體產(chǎn)生，大約幾十微秒后形成較為穩(wěn)定的等離子體。通過測定水介質(zhì)密度突變前沿的傳播速度得到水中沖擊波的傳播速度為1560～2190m/s，數(shù)倍于同等參量下空氣介質(zhì)中的絲沖擊波速度。

2 等離子體起爆炸藥研究進(jìn)展

電爆炸產(chǎn)生等離子體的過程通常都在微秒甚至納秒時間尺度內(nèi)，會產(chǎn)生極高的能流密度、沖擊波以及大量活性粒子，當(dāng)其作用于炸藥時便可實現(xiàn)起爆。目前電爆炸等離子體技術(shù)在炸藥起爆領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要分為爆炸橋絲、半導(dǎo)體橋和爆炸箔3類炸藥起爆領(lǐng)域的等離子體技術(shù)。

2.1 爆炸橋絲等離子體起爆炸藥

傳統(tǒng)熱橋絲式火工品作為一種常見的點火、起爆裝置有著廣泛的應(yīng)用[28]。但熱橋絲對靜電、射頻等較為敏感，容易發(fā)生炸藥誤起爆，難以適應(yīng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜的戰(zhàn)場，為了滿足不敏感武器系統(tǒng)的發(fā)展需求，爆炸橋絲作為一種不敏感起爆裝置得到了發(fā)展。

潘邦金[29]以金爆炸橋絲作為等離子體源直接起爆多種高能炸藥，包括雙(2,2,2-三硝基乙基)硝銨(HOX炸藥)、奧克托金(HMX)、黑索金(RDX)和太安(PETN)。爆炸橋絲沉積的能量為1.25J時，HOX炸藥和PETN對爆炸橋絲的感度更高，可實現(xiàn)100%起爆；HMX則感度較低，起爆概率不足45%；而RDX則對等離子體非常鈍感，沉積能量1.25J時完全無法起爆。此外炸藥晶型和粒度對起爆效果也有很大影響，柱狀晶型藥和超細(xì)粒度藥更易被起爆。

張振濤等[30]研制了基于RLC電路的 40kV脈沖等離子體起爆裝置。爆炸橋絲采用長200mm、直徑0.2mm的銅絲。通過高速相機(jī)捕捉爆炸絲爆炸后形成的等離子體的擴(kuò)散過程，結(jié)果表明，等離子體的徑向整體擴(kuò)散過程速度一致性好。由于爆炸橋絲屬于線爆炸，當(dāng)其用于起爆炸藥時可以實現(xiàn)很高的同步性。湯鐵鋼等[31]設(shè)計了基于等離子體起爆的爆炸膨脹環(huán)實驗裝置。銅絲貫穿柱狀太安中心，由于銅絲產(chǎn)生的等離子體有很高的軸向同步性，因此起爆太安同步性較高，可以產(chǎn)生高同步性的力場，從而有效避免了由于同步性差導(dǎo)致的樣品管受力不均，降低了發(fā)生翻轉(zhuǎn)的概率，提高了實驗數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性。Lee等[32]利用爆炸橋絲產(chǎn)生的沖擊波測試了軍用Ti-6Al-4V合金的動態(tài)形變和抗沖擊性能。

對橋絲式火工品靜電感度的測試主要集中在數(shù)萬伏以內(nèi)的低電壓，然而隨著武器系統(tǒng)作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜，橋絲可能遇到幾十萬伏的高壓靜電。

李志鵬等[33-34]研究了爆炸橋絲式火工品在高壓靜電下的放電響應(yīng)。結(jié)果表明隨著放電電壓的升高，爆炸絲會逐漸發(fā)生熔化直至發(fā)生電爆炸，并有明顯的燒蝕痕跡。然而即使在250kV的靜電作用下，雖然橋絲發(fā)生電爆炸但并沒有引燃或起爆太安，原因可能是實驗采用的電爆絲尺寸及電阻太小，電爆炸產(chǎn)生的等離子體量較少，不能迅速膨脹產(chǎn)生足夠能量的沖擊波，因此不能起爆太安。鐘敏等[35]對比了熱橋絲和爆炸橋絲的靜電響應(yīng)，結(jié)果表明爆炸橋絲的50%發(fā)火靜電電壓高于200kV，遠(yuǎn)大于其50%熔斷電壓56.33kV，即爆炸橋絲即使由于靜電熔斷也不會輕易起爆炸藥。相反，熱橋絲的熔斷電壓高于發(fā)火電壓，即熱橋絲一旦熔斷則一定會起爆炸藥?？梢园l(fā)現(xiàn)，爆炸橋絲表現(xiàn)出非常優(yōu)異的抗靜電性能。

2.2 半導(dǎo)體橋等離子體起爆炸藥

半導(dǎo)體橋火工品作為傳統(tǒng)熱橋絲火工品的替代技術(shù)而得到發(fā)展。與爆炸橋絲火工品原理相似，半導(dǎo)體橋火工品將等離子體源由金屬絲替換為半導(dǎo)體材料。由于半導(dǎo)體在常溫下電阻大，因此半導(dǎo)體橋?qū)o電、雜散電流、射頻的感度低于熱橋絲，同時由于半導(dǎo)體電路可編程，易于小型化，因此半導(dǎo)體橋炸藥起爆技術(shù)得到了快速發(fā)展。

對半導(dǎo)體橋的研究早期集中在等離子體密度、電子密度[36-37]等參數(shù)的測定，Park等[38]對比了單晶硅和多晶硅半導(dǎo)體橋，發(fā)現(xiàn)單晶硅半導(dǎo)體橋的等離子體密度峰值出現(xiàn)要早于多晶硅半導(dǎo)體橋，通過有限元模擬分析其原因可能是單晶硅導(dǎo)熱性更好、半導(dǎo)體橋更早斷裂所致。Guo等[39]研究了靜電對半導(dǎo)體橋的損傷效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過靜電作用后半導(dǎo)體橋感度更高，點火電壓、點火能量均會降低，點火延時也有所增加。

Tappan等[40-41]成功將納米鋁熱劑沉積到半導(dǎo)體橋上，得到的復(fù)合起爆器起爆可靠性高，納米顆粒團(tuán)聚直徑小，但有機(jī)溶劑處理納米鋁熱劑的過程對靜電感度較高。Nellums等[42]以水為溶劑，將納米鋁熱劑直接沉積到半導(dǎo)體橋起爆器上，由于水溶劑可以起到鈍化作用，此方法降低了納米鋁熱劑加工過程的熱感度和靜電感度，但水溶液中需要加入磷酸二氫銨以抑制納米鋁粉與水的反應(yīng)。納米鋁熱劑復(fù)合半導(dǎo)體橋的能量密度得到了顯著提高。

雖然高能復(fù)合半導(dǎo)體橋可以提高半導(dǎo)體橋等離子體起爆器的起爆能力，但在實際使用中，半導(dǎo)體橋的作用對象基本都是起爆藥或火藥。

馬鵬等[43]以半導(dǎo)體橋為等離子體源直接起爆多種起爆藥，以最低全發(fā)火電壓表征其等離子體感度，感度順序依次為苦味酸鉛>疊氮化鉛>斯蒂芬酸鋇>硝酸肼鎳。王治平等[44]利用半導(dǎo)體橋以不足1J的點火能量直接起爆太安，由于點火能量很低，起爆機(jī)理推測為熱作用點燃隨后燃燒轉(zhuǎn)爆轟。王文[45]研究了半導(dǎo)體橋等離子體點火特性，建立了全面反映等離子體對藥劑作用的模型，測定了藥劑表面處的離子濃度和等離子體到達(dá)藥劑表面處的能量通量。張文超等[46]采用高速數(shù)字存儲示波器對電容激勵下的半導(dǎo)體橋電爆過程的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行了測量，得到了橋上不同電壓時半導(dǎo)體橋區(qū)不同時刻的汽化率、熔化率和電離率。

除了爆炸橋絲和半導(dǎo)體橋直接利用等離子體外，爆炸箔是一類間接利用等離子體起爆炸藥的裝置。

Da Silva等[47]設(shè)計了用于測定爆炸箔等離子體分布的軟X射線干涉儀，可以得到空間分辨微米級的高密度等離子體分布場。通過與馬赫-曾德干涉儀聯(lián)用可以測定等離子體中的電子密度。Baksht等[48]研究了爆炸箔等離子體通道的形成過程，發(fā)現(xiàn)金屬汽化后，會重新在尚未完全汽化的橋箔表面結(jié)晶，而這些結(jié)晶在放電過程中會首先被擊穿，對等離子體通道的形成起著至關(guān)重要的作用。黃娜等[49]制備了可用于沖擊片雷管的Cu/Al/Ni復(fù)合金屬爆炸箔，通過高速攝影觀測到其電爆炸時產(chǎn)生的等離子體場的擴(kuò)散速度快于純銅爆炸箔。通過測定電爆炸過程中的電壓電流曲線，發(fā)現(xiàn)復(fù)合金屬箔可以承載更大的爆發(fā)電流，這就意味著其可以沉積更多能量。復(fù)合金屬箔對于改善沖擊片雷管的性能起到很大作用。

由于爆炸箔起爆器體積較大、成本較高，因此開發(fā)基于微芯片的微型爆炸箔是其發(fā)展趨勢。Scholtes課題組[50]對爆炸箔起爆器進(jìn)行了長期的研究。通過對等離子體部分的優(yōu)化，將爆炸箔起爆器的效率從40%提高到90%，為小型化提供了基礎(chǔ)。

3 等離子體起爆炸藥機(jī)理研究進(jìn)展

對等離子體起爆炸藥機(jī)理的研究可以分為兩部分，一方面是對電爆炸產(chǎn)生的等離子體的研究，包括等離子體溫度場，壓力場等參數(shù)的測定。另一方面是等離子體與炸藥的相互作用機(jī)理。

等離子體具有高溫高壓等特點，但不同的發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體的溫度壓力特征差別很大。對于半導(dǎo)體橋等離子體而言，由于其起爆能量小，產(chǎn)生的沖擊波較弱，因此目前普遍認(rèn)為半導(dǎo)體橋起爆技術(shù)屬于微對流作用機(jī)理[51]。即當(dāng)半導(dǎo)體橋通以脈沖電流時，硅橋材料因焦耳熱迅速氣化并在電場作用下形成4100～6000K的弱等離子體放電，等離子體迅速擴(kuò)散到炸藥中，使其受熱達(dá)到著火溫度而發(fā)火。

對于能量較高的爆炸橋絲等離子體，一般認(rèn)為其起爆炸藥的機(jī)理屬于沖擊起爆。對爆炸橋絲起爆炸藥機(jī)理的研究，核心在于橋絲產(chǎn)生的等離子體與炸藥之間相互作用產(chǎn)生爆轟波的過程。但是這一過程非常復(fù)雜，必須將其拆分為多個過程分步研究。

Lee課題組基于爆炸橋絲起爆太安實驗，對爆炸橋絲的起爆機(jī)理作了系統(tǒng)性研究，將起爆過程分為3個步驟進(jìn)行表征：橋絲能量輸入、橋絲能量輸出、橋絲等離子體與炸藥相互作用。首先，研究基礎(chǔ)是爆炸橋絲能量沉積和能量轉(zhuǎn)化效率[52]。通過測定爆炸橋絲上流過的電流和橋絲兩端的電壓得到了橋絲上輸入的能量。研究結(jié)果表明，橋絲能量輸入可分為橋絲爆炸前、后兩部分，對炸藥起爆起主要作用的是橋絲爆炸前的能量輸入。隨著輸入總能量的增加，橋絲爆炸前的能量沉積隨之增加，但是橋絲爆炸所需的時間、效率(橋絲爆炸前能量輸入占總能量比例)降低，因此爆炸橋絲存在一個最優(yōu)的輸入能量，此時效率和性能可以實現(xiàn)均衡。其次，研究了爆炸橋絲的能量輸出[53]。以橋絲爆炸后的等離子體擴(kuò)散速度與沖擊波速度和壓力來表征爆炸橋絲的能量輸出。隨著起爆電壓增加，橋絲產(chǎn)生的等離子體的擴(kuò)散速度也隨之增加，為了進(jìn)一步模擬真實使用場景，開展了水下爆炸橋絲實驗，在水約束條件下，等離子體產(chǎn)生的的沖擊波強(qiáng)度經(jīng)推算可達(dá)1.5GPa，而文獻(xiàn)中同等條件下，太安炸藥爆轟增長距離只需10μm，因此沖擊起爆是較為可信的爆炸橋絲等離子體起爆炸藥機(jī)理。最后，研究核心是等離子體與炸藥的相互作用[54]。為了進(jìn)一步驗證等離子體與炸藥的相互作用主要以沖擊波形式實現(xiàn)，對比了不同密度太安在爆炸橋絲起爆和典型沖擊起爆下的特征，二者表現(xiàn)出很好的一致性，從而佐證了沖擊起爆機(jī)理。

楊春霞等[55]研究了等離子體射流點火雙基藥的作用機(jī)理。通過對比常規(guī)點火和等離子體點火后樣品表面的X射線能譜，發(fā)現(xiàn)等離子體點火后樣品表面沉積了大量的鋁和銅粒子，這些粒子有助于熱量從火藥表層傳到內(nèi)部。進(jìn)一步通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)點火相比，等離子體點火后樣品表面形成了大量孔洞和氣泡，增加了點傳火通道。

目前，國內(nèi)外對等離子體起爆機(jī)理研究主要還集中在熱力學(xué)角度，對于更微觀的動力學(xué)反應(yīng)歷程的研究還很少，是下一步研究的重點。

4 結(jié)束語

電爆炸等離子體技術(shù)在炸藥起爆領(lǐng)域已得到了較為廣泛的應(yīng)用，表現(xiàn)出鈍感、起爆能力強(qiáng)、易于小型化、安全等特點，但起爆對象還局限在起爆藥、太安等高感度炸藥，對高能炸藥的起爆研究還較少，可靠性較低。今后其發(fā)展的重點應(yīng)是：

(1)開展高能不敏感炸藥在等離子體直接起爆下的特性研究。一方面可以拓寬等離子體起爆的應(yīng)用范圍，更重要的是可以加深對炸藥特性，包括能量輸出、爆轟特性等的認(rèn)識。此外，等離子體直接起爆高能炸藥是一種無藥起爆方式，有助于不敏感武器系統(tǒng)的發(fā)展。

(2)開展高能炸藥的等離子體起爆機(jī)理動力學(xué)研究。電爆炸等離子體不僅會產(chǎn)生高溫、高壓、沖擊波，同時也含有大量活性粒子，可能改變炸藥爆炸的反應(yīng)路徑。開展等離子體直接起爆高能炸藥的反應(yīng)動力學(xué)研究，對加深等離子體強(qiáng)起爆能力的理解至關(guān)重要。

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Progress of Study on the Application of Plasma Techniques in Explosive Initiation

XUE Le-xing,FENG Xiao-jun,WANG Xiao-feng

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)

The plasma techniques of exploding bridge wire,mainly including exploding bridge wire plasma techniques in vacuum,air and underwater were introduced,and according to the mode of plasma produced by exploding bridge wire mode and semiconductor bridge mode,the research progresses on the application of plasma techniques in explosive initiation were summarized.The advantages and disadvantages of different kinds of plasma initiation modes were contrasted.The mechanism of initiating the explosives by plasma was analyzed.It was pointed out that the key points of the research in the future on explosives initiated by plasma should be studied on the characteristics of high energy explosives under the direct initiation of plasma,as well as the chemical kinetics of the interaction between high energy explosives and plasma.With 55 references.

plasma technique; exploding bridge wire; semiconductor bridge; initiation; explosive

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.002

2016-03-26；

2016-05-05

國防重大基礎(chǔ)科研項目(No.004040205)

薛樂星(1991-)，男，碩士研究生，從事軍用混合炸藥技術(shù)研究。E-mail: xue_l_x@163.com

王曉峰(1967-)，男，博士，博士生導(dǎo)師，研究員，從事炸藥及裝藥技術(shù)研究。E-mail: wangxf_204@163.com

TJ55;O53

A

1007-7812(2017)01-0007-07