侵徹引信抗高過載復合灌封方法

張志遠,趙 彧,郭長月,崔 冬,常玉坤

(1.西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065;2.西北工業集團有限公司,陜西 西安 710043;3.機電動態控制重點實驗室,陜西 西安 710065)

0 引言

彈丸侵徹硬目標需要面臨瞬態強沖擊力學環境,引信作為彈丸的起爆控制系統,其安全性與可靠性面臨嚴峻考驗。隨著科學技術的不斷發展,武器系統性能的不斷提升,對引信抗高過載設計提出了更高要求。針對瞬態強沖擊力學環境下結構緩沖防護需求,國內外學者基于吸能減振原理從多角度開展了研究工作,如基于材料塑形變形的能量吸收[1],采用輕質、可持續吸能的新型減振材料[2-3],從材料的粘彈性特性角度實現能量的重復性吸收[4],可設計性的輕量化負泊松比結構[5-6],灌封防護[7]等,都可對瞬態強沖擊載荷起到緩沖防護效果。其中灌封防護是引信重要的抗沖擊設計方法。文獻[8]從環氧樹脂灌封料的溫度和應變角度對灌封固化過程開展了研究工作;文獻[9—10]通過建立仿真模型分析了灌封料對電子器件的防護性能;文獻[11]從灌封工藝角度開展了提升灌封結構的生產效率研究;文獻[12—13]從電子器件的沖擊響應角度開展了灌封料防護性能研究。以上均為基于傳統灌封方法開展的研究工作,在一定程度上可滿足抗過載防護性能,尚無涉及抗過載性能提升方面的灌封方法研究。隨著防御體系的不斷完善,防御結構越發堅固,武器打擊能力也相應增強,傳統引信灌封防護方法已不能滿足要求。本文針對上述問題,設計了引信復合灌封方法。

1 引信灌封方法與抗過載原理

引信灌封防護采用抗沖擊性能強、高粘結能力、膨脹系數小、耐高低溫以及絕緣能力強的高分子材料,將灌封料注入引信殼體,電路器件與灌封料固化為整體,加強了引信電路器件的系統整體性和抗沖擊性能,灌封示意圖如圖1所示。常用的灌封料如硅橡膠、環氧樹脂、電子灌封膠等,其導電性、固化性能經過大量產品驗證符合設計與應用要求,其抗過載性能在一定沖擊條件下也滿足指標要求。

圖1 傳統灌封方法

引信灌封防護的機理可用應力波傳播理論解釋。彈體碰撞硬目標時,應力波由彈體傳至引信殼體,再由引信殼體通過灌封料與引信殼體間界面傳至灌封體,最后由灌封體傳至電路板或電子器件。應力波經過不同介質可發生反射和透射,當符合衰減條件時,應力波由引信殼體傳至灌封料時發生應力波衰減,從而保護電路器件。應力波從一種介質傳遞至另一介質時,產生反射波和透射波,其與入射波關系[14]為

(1)

式(1)中,F為反射系數,表達式為F=(1-λ)/(1+λ);T為透射系數,表達式為T=2/(1+λ);λ為不同材料介質間的波阻抗比,可分為以下兩種情況討論:

1) 若F>0,則T>1,表現為反射加載,透射擾動的應力幅值強于入射擾動,該情況下應力波是由“軟材料”傳入“硬材料”的情況;

2) 若F<0,則T<1,表現為反射卸載,透射擾動的應力幅值弱于入射擾動,界面的應力波透射得到衰減,該情況下應力波是由“硬材料”傳入“軟材料”的情況,可起到減振緩沖作用。

引信殼體一般是由硬鋁合金或鋼加工而成,其硬度遠大于灌封料固化后的硬度,因此符合上述應力波是由“硬材料”傳入“軟材料”的情況,起到減振緩沖作用。基于上述分析,為了進一步衰減傳至電子器件的應力波,可增加應力波衰減歷程,即增加應力波傳播的界面。本文基于這一設想,開展由多種灌封料分層灌封的復合灌封方法研究。

2 引信復合灌封方法

復合灌封方法是將多種灌封料按一定次序依次灌封,使得兩個灌封層之間形成明顯的界面,利用不同灌封層對應力波的吸收能力不同,以及應力波通過多界面發生透射及反射現象,調節灌封體的波阻抗,衰減沖擊能量,達到提升抗高過載性能要求,進一步拓展傳統灌封方法的抗過載應用范圍。在滿足高過載防護基礎上,研究復合灌封方法對多次沖擊條件下引信過載敏感器件的防護能力,探討復合灌封方法在侵徹多層硬目標環境下的引信防護能力。

復合灌封方法研究中灌封料的選擇主要基于典型常用的灌封料,復合灌封的層數設計主要基于引信內部器件功能而選擇,如放置對環境敏感的傳感器,對抗過載要求高的信號處理器件、電路板等,分別置于不同的灌封層中。此外,灌封過程中應避免敏感器件或電路板跨灌封界面而受到拉伸或壓縮導致功能降階或失效,另一方面引信自身尺寸較小不宜設計過多層數。因此,本文結合引信內部器件種類數量、功能以及對過載環境要求,主要研究由三種灌封料構成的復合灌封方法及其抗過載性能。

針對三種灌封料灌封,結合前述分析設計圖2所示的灌封緩沖結構,滿足在過載傳遞方向上灌封料硬度由“硬”至“軟”的變化,達到最優的過載峰值衰減目標。因此,針對典型的硅橡膠、環氧樹脂以及電子灌封膠,在組合灌封條件下,依據應力波理論以及圖2所示的設計方法,“硅橡膠-環氧樹脂-電子灌封膠”組合方式符合灌封料硬度由“硬”到“軟”的過程,需同時滿足以下條件:F<0,T<1。此時的復合灌封設計滿足應力波衰減理論,可實現應力波衰減,滿足抗高過載需求。

圖2 復合灌封設計示意圖

3 試驗驗證

3.1 測試方法

通過開展引信傳統單一灌封方法與復合灌封方法的抗過載性能對比研究,分析復合灌封方法的抗過載性能。試驗中引信殼體、試驗工裝、傳感器等均滿足同尺寸、同型號要求。以工裝殼體過載為橋梁,通過不同灌封方式之間的橫向對比,評估其抗過載性能。過載測試系統包括加速度傳感器、電荷放大器、運算放大器、微控制器、USB通訊模塊、上位機以及上位機控制軟件,如圖3所示。該測試系統采用雙通道設計,同時采集灌封層內和工裝殼體過載。

圖3 測試系統組成示意圖

為了進一步驗證不同灌封方法抗過載性能及其評估方法的有效性,并探究復合灌封方法在多次沖擊環境下對引信過載敏感器件的防護能力,將過載敏感的引信用DC/DC器件為研究對象開展驗證試驗,灌封示意圖如圖4所示。以名義過載50 000g沖擊后測試DC/DC器件性能,若功能正常則繼續進行沖擊試驗,分析抗過載性能。

圖4 灌封示意圖

驗證“硅橡膠-環氧樹脂-電子灌封膠”組合灌封的抗過載性能,同時作為對照,開展“環氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠”灌封、“電子灌封膠-硅橡膠-環氧樹脂”灌封以及傳統單一灌封料灌封后的抗過載性能研究。驗證方案如表1所示,共包括6種灌封方法,具體過載值以測試為準,每種灌封方法完成6次沖擊并測試過載信號,分析討論不同灌封方法的抗過載性能。

表1 試驗方案

3.2 測試結果

通過馬歇特錘擊系統,獲得了傳統灌封方法與復合灌封方法的過載測試曲線。以硅橡膠灌封后的過載測試曲線為例,圖5分別給出了引信殼體和灌封層內的過載測試曲線,其中殼體過載為工裝承受的過載,灌封過載為灌封層內過載,用于表征灌封膠的抗過載性能,過載峰值分別為21 648g和9 140.13g,灌封層過載峰值衰減比例為57.78%。由于本文主要基于過載峰值衰減比例評價抗過載性能,因此其他測試結果均給出過載峰值。傳統灌封方法的過載峰值及衰減比例如表2所示,復合灌封方法的過載峰值及衰減比例如表3所示。

表3 復合灌封方法抗過載測試

圖5 引信殼體和灌封層內過載曲線

由表2可知,采用傳統灌封方法,硅橡膠膠層內過載峰值相比于殼體衰減比例在50%～70%范圍內,電子灌封膠膠層內過載峰值相比于殼體衰減比例在15%～30%范圍內,環氧樹脂膠層內過載峰值相比于殼體衰減比例在10%～20%范圍內。顯然,硅橡膠灌封后對過載峰值的衰減比例較高,這與工程中高過載條件下硅橡膠的緩沖能力較強相符合,表明本文試驗結果符合工程實際。

由表3可知,采用硅橡膠-環氧樹脂-電子灌封膠灌封后,膠層內過載峰值相比于殼體衰減比例可達80%以上,采用環氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠灌封后其過載峰值衰減比例分布在15%～30%范圍內,采用電子灌封膠-硅橡膠-環氧樹脂灌封后,灌封層對過載峰值衰減不明顯。

上述6種灌封工藝方案下過載峰值衰減比例分布如圖7所示,定義50%線為過載峰值衰減比例達到50%,70%線為過載峰值衰減比例達到70%,將坐標平面劃分為三個抗過載性能分布區域,可明顯觀察出不同灌封方法的抗過載性能:

圖7 不同灌封方式過載衰減比例分布

1) Ⅰ區域:位于50%線以下,包含了電子灌封膠灌封、環氧樹脂灌封、環氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠灌封、電子灌封膠-硅橡膠-環氧樹脂灌封;

2) Ⅱ區域:位于50%線和70%線之間,包含了硅橡膠灌封;

3) Ⅲ區域:大于70%線區域,包含了硅橡膠-環氧樹脂-電子灌封膠灌封。

由圖7中不同灌封方法的過載衰減比例分布可見,不同灌封方法體現了不同的抗過載性能,在基于傳統灌封料基礎上,通過優化灌封工藝方案所設計的復合灌封方法可進一步提升傳統灌封工藝的抗過載性能。

表4為灌封DC/DC后的沖擊試驗結果,采用環氧樹脂、電子灌封膠、環氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠、電子灌封膠-硅橡膠-環氧樹脂灌封時,DC/DC失效的沖擊次數分布在3～5次,硅橡膠灌封后的失效沖擊次數為7次,而采用硅橡膠-環氧樹脂-電子灌封膠灌封后沖擊10次仍可正常工作。該結果與前述不同灌封方法下的過載測試結果相吻合,表明針對同等體積的引信殼體,采用不同的灌封工藝,灌封層內過載峰值相對于引信殼體的衰減比例具有顯著差異,特別是本文所設計的“硅橡膠-環氧樹脂-電子灌封膠”復合灌封方法,不僅可將過載峰值衰減約80%,滿足多次沖擊條件下引信關鍵器件的可靠性要求,以及多層樓宇結構、多層地下防護結構場景應用需求,為侵徹多層硬目標引信的抗過載防護設計奠定了基礎。

表4 試驗結果

4 結論

本文針對引信抗過載設計需求提出引信復合灌封方法。該方法采用多種灌封膠組合分層的灌封方式,并基于過載同步測試系統獲得了不同灌封方法的過載峰值衰減特性。其中,采用電子灌封膠灌封、環氧樹脂灌封、環氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠灌封以及電子灌封膠-硅橡膠-環氧樹脂灌封灌封時,過載峰值衰減比例小于50%,僅滿足3～5次高過載沖擊環境;采用硅橡膠灌封時過載峰值衰減比例在50%～70%范圍內,滿足7次高過載沖擊環境;采用硅橡膠-環氧樹脂-電子灌封膠灌封時過載峰值衰減可達80%左右,并滿足至少10次高過載沖擊環境。結果表明,“硅橡膠-環氧樹脂-電子灌封膠”復合灌封方法可滿足侵徹多層硬目標引信的抗高過載防護要求。