【摘 要】
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冲击片雷管具有安全性高、时间控制精度高、响应速度快等特点,能有效提升武器系统在复杂战场环境中的生存能力及作战效能,对我国国防建设有重要意义。然而,冲击片雷管的换能效率较低、起爆阈值高,极大地制约了其更广泛的工程化应用。面向当前武器系统安全性和作战效能迫切需要提升这一需求,针对冲击片雷管换能效率低这一瓶颈,本论文从冲击片雷管换能元这一能量转换载体出发,提出将氢爆含能薄膜作为一类含能换能元提高换能效率
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冲击片雷管具有安全性高、时间控制精度高、响应速度快等特点,能有效提升武器系统在复杂战场环境中的生存能力及作战效能,对我国国防建设有重要意义。然而,冲击片雷管的换能效率较低、起爆阈值高,极大地制约了其更广泛的工程化应用。面向当前武器系统安全性和作战效能迫切需要提升这一需求,针对冲击片雷管换能效率低这一瓶颈,本论文从冲击片雷管换能元这一能量转换载体出发,提出将氢爆含能薄膜作为一类含能换能元提高换能效率及驱动性能,以MgAlHx储氢薄膜为研究对象,系统地开展了MgAlHx薄膜的制备及表征、MgAlHx薄膜的电爆和光爆等离子体流场特性及驱动效应、基于MgAlHx薄膜的激光冲击片雷管设计与性能研究等几个方面的研究。论文的主要工作如下:采用反应磁控溅射沉积MgAlHx薄膜,获得了溅射功率、氩氢工作气流量比、工作气压、靶材成分和基底温度等对薄膜沉积的影响规律,并通过调整氩氢混合工作气体的流量比成功制备了不同氢含量的MgAlHx薄膜样品。中子反射试验测试结果表明,MgAlHx薄膜样品的氢含量最高可达11at.%。XRD分析结果表明,当氢含量较小时,氢在MgAlHx薄膜中主要以Mg H2形式存在,随着氢含量增大,MgAlHx薄膜中将出现Mg H2、Mg（Al H4）2等金属氢化物。对Al、Mg Al、MgAlH0.11和MgAlH0.25爆炸箔的电爆炸过程进行了高速摄影和等离子体发射光谱测试,结果表明,在爆炸箔材料中加入氢会增强爆炸箔在脉冲电流作用下的电离程度,而MgAlHx爆炸箔的电爆等离子体电子温度、电子密度等随薄膜中氢的含量增加而升高。采用PDV法测量了充电电压为3k V、4k V和5k V条件下四种爆炸箔驱动飞片的速度历程,结果表明,MgAlH0.25爆炸箔的飞片的末速度最高,可分别达到1967.0m/s、2444.8m/s和2944.8m/s。在相同的充电电压条件下,四种爆炸箔驱动飞片末速度的关系为:MgAlH0.25>MgAlH0.11>Mg Al>Al,可知采用MgAlHx爆炸箔可提升电冲击片雷管换能效率。采用高速摄影和发射光谱法测试了Al、Mg Al、MgAlH0.11和MgAlH0.25薄膜的光爆炸过程,结果表明,氢的引入也会增强薄膜在激光作用下的电离程度,光爆等离子体电子温度、电子密度等随氢的含量增加而升高。利用时间分辨阴影技术获得了四种薄膜的光爆等离子体羽流演变过程,结果表明,MgAlH0.11和MgAlH0.25薄膜的冲击波能量利用率较之Mg Al分别提升了18.5%和76.6%。四种薄膜的PDV测速试验结果表明,MgAlH0.11和MgAlH0.25薄膜驱动飞片末速度较之Mg Al薄膜分别提升6%和15%,较之Al薄膜提升38%和50%。因此,MgAlHx薄膜具有更强的激光驱动性能,可有效解决激光冲击片雷管换能效率低这一瓶颈。研究了激光光束形貌的匀化方法及其对光纤耦合和驱动飞片特性的影响,设计并制备了光束整形元件,获得了能量分布较均匀的激光光斑,使得光纤耦合阈值提高29%以上,最大耦合能量达到59m J。整形匀化后激光和光纤输出激光驱动飞片可达到的速度相当,相比于原始激光提升可达68%。同时,光纤传输激光形成的飞片更为完整和平整。基于Al、Mg Al、MgAlH0.11和MgAlH0.25四种薄膜设计了光纤传能激光冲击片雷管样机,开展了激光冲击片雷管的起爆特性研究。结果表明,采用MgAlHx含能薄膜可有效提高换能元的换能效率并降低炸药的起爆阈值,Al、Mg Al、MgAlH0.11和MgAlH0.25四种薄膜驱动飞片起爆CL-20炸药的最低起爆能量密度分别约为14.2J/cm2、12.4J/cm2、10.6J/cm2和8.8J/cm2,验证了MgAlHx薄膜在冲击片雷管中的应用可行性。
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