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半导体桥点火数值模拟与试验研究

祝逢春  
【摘要】:本研究的主要目的是研究一种可用于导弹、火箭弹点火的半导体桥点火技术,以解决目前导弹、火箭弹点火具抗电磁环境性能差的问题。本文比较全面综述了SCB火工品的研究和发展状况;比较系统分析了SCB火工品的作用机理;建立了一维两相流模型,计算了SCB点燃粒状炸药的微观对流传质、传热过程;设计并制作了几种SCB芯片,测试了SCB芯片消耗的能量;对发火电路进行了研究,优化了发火电路。本研究主要结论如下: (1)数值模拟计算得出:(a)加热炸药主要是靠SCB产生的等离子体在冷凝时释放的潜热;炸药表面温度高达2000K,大大高于炸药着火温度,持续时间也足以使炸药着火;(b)当保持半导体桥长宽不变,厚度增加时,炸药表面温度增加,有利于炸药的着火;(c)当空隙率增大,即装填密度减小时,炸药表面温度易于升高,但如果密度过小,因炸药不能自持燃烧不利于着火;(d)不同性质的炸药,对粒子表面温度的影响不大,导温系数大的炸药材料,计算的表面温度稍高一些。 (2)采用改进的掺杂多晶硅结构的SCB芯片,能满足低电压点火要求;采用无氧的多晶硅扩散掺杂工艺制作SCB芯片能保持电阻稳定一致,能满足阻值要求,而且这种扩散工艺导致芯片杂质浓度的梯度正好有利于SCB点火装置发火能的降低。 (3)采用铝电极包覆掺杂多晶硅的结构,并采用先刻蚀芯片台阶后掺杂的工序而制作出来的芯片,接触电阻和临界发火能量会更低;多层金属电极的SCB芯片,制作工艺相对复杂,成本也比较高,但性能好,性价比也高。 (4)在发火电路中,选择场效应管做触发器可以减小开关损耗,采用钽电容作为储能电容放电效果较好,减短引线长度可以有效地减少引线阻抗,设计补偿电路并专门制作印刷电路板,可改善电缆的寄生参数的影响,对提高SCB火工品输入能量的利用率有重要的作用。 (5)试验结果表明:设计的SCB点火装置可满足低电压钝感点火的要求;设计、优化并制作的点火电路具有良好的点火性能;选择的几种药剂能被低电压点燃;综合测试证明了方案合理性的同时还优选出结构更优良的SCB点火装置;在测试结果分析中对SCB点火装置作用过程的理论模型有了更加深入的理解。


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