《微米纳米技术前瞻专刊》张国栋，赵玉龙，等：微起爆系统关键技术研究现状与发展建议

张国栋

张国栋，副研究员。中国微米纳米技术学会特种微纳器件与系统分会副秘书长。主要从事特种MEMS压力传感器、MEMS火工器件及性能测试技术研究。获陕西省技术发明奖一等奖1项。出版专著1部，发表论文10余篇，授权发明专利10余件。

赵玉龙

赵玉龙，教授，博士研究生导师。精密微纳制造技术全国重点实验室执行主任，陕西省微纳传感器工程技术中心主任。教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，科技部“中青年科技创新领军人才”，国家“百千万人才工程”入选者及国家有突出贡献中青年专家。主要从事微机电系统技术、传感器技术、微纳执行器及微纳制造领域基础理论和工程应用研究。获国家技术发明奖二等奖2项、省部级科技奖励7项。发表论文150余篇，授权发明专利100余件。

利用小型化、智能化、无人化的分布式集群作战平台对敌目标进行高效协同的精准打击已成为现代战争发展的基本特点与趋势。新一代单兵、小口径、无人作战等微型化智能装备已成为未来武器发展的重点。特种作战力量的单兵装备智能化及无人作战力量的察打一体等需求，均要求弹药系统小型化、轻量化。然而，常规弹药因受制于结构体积等约束，无法与新一代微型化智能装备相匹配。采用集成技术实现的微型弹药，可在有限体积内容纳多种传感器、执行器，以感知、探测和处理更多环境信息，完成复杂指令动作。微起爆系统作为微型弹药的关键组成部分，不仅能承受高动态等弹道环境，还能使弹药复杂结构小型化、模块化和通用化，作为标准模块嵌入弹药中，为弹药智能化、灵巧化提供了发展空间。因此，开展微起爆系统开发及应用研究对中国军事装备发展具有重要的科学意义和工程应用价值。

微起爆系统是微机电系统（Microelectromechanical System, MEMS）技术、微纳米材料技术、火工品技术与引信技术相结合的产物，主要由微爆轰能量引发、控制及传递模块组成。微爆轰能量引发模块主要包括微结构换能元和微纳结构起爆药，换能元将发火信息转换成激发能量，引发火工药剂产生燃烧或爆炸。微爆轰能量控制模块主要包括微安全与解除保险装置（简称微安保装置）和微控制电路。微安保装置通过接受环境信号或电信号，驱动解锁机构动作，实现微爆轰能量传递通道的打开或闭合；微控制电路主要完成信息识别、逻辑判断、解除安保、起爆时序控制等功能。微爆轰能量传递模块主要包括冲击起爆单元和微纳结构传爆药，能实现微爆轰能量的传递、放大与目标毁伤。微起爆系统的主要特点是结构微型化、模块集成化及控制智能化，并以MEMS工艺为主要制造手段。

典型微起爆系统通常采用飞片冲击起爆作为能量放大形式。如图1所示，Kaman公司研制的非硅基微起爆系统主要包括涂覆斯蒂芬酸铅的薄膜桥、装有叠氮化物的安保机构、飞片与超细六硝基茋（Superfine Hexanitrostilbene, HNS-Ⅳ）传爆药，其显著特点是将叠氮化物、安保机构及飞片一体化集成。如图2所示，陕西应用物理化学研究所解瑞珍等开发的微起爆系统集成了微起爆器、飞片、MEMS安保机构等。其中，安保机构隔爆滑块在解除保险状态下发生位移，从而形成爆轰通道；微起爆器爆轰剪切并驱动飞片，经传爆空腔加速形成的高速飞片冲击起爆传爆药。

图1 Kaman公司的微起爆系统

图2 微起爆系统结构示意图

主要针对基于飞片冲击起爆原理的微起爆系统，结合应用场景要求，从微结构换能元、微纳结构药剂、微安保装置、炸药驱动飞片等关键技术以及微起爆系统应用角度出发对国内外研究现状进行归纳总结。

微结构换能元作为能量起始单元，决定着微起爆系统的发火性能及安全性。国内外学者主要围绕高可靠性与高安全性，从换能元低能发火、输出增效和安全设计等方面展开研究，力求提升能量利用效率。微结构换能元研究路线如图3所示。

图3 微结构换能元研究路线

换能元低能发火研究主要涉及基底与电阻材料优选、换能元发火结构优化等方面。换能元基底具有支撑结构、控制外界能量传递等作用。实验表明，基底的良好绝热性有利于控制热量聚集，实现较低输入能量发火；基底的良好导热性有利于提高安全电流值，实现安全点火。换能元基底材料的选择主要关注热量聚集、低能发火，很少考量热聚集与热散失的平衡关系。电阻材料作为能量转换的关键部件，其电学性能直接影响着发火能量大小。薄膜电阻材料主要有金属铬、金属铂、金属钛、多晶硅及氮化钽等，它们在换能过程中均可实现低电阻值，但还需进一步关注电阻材料与发火结构之间的匹配关系。此外，研究者开展了换能元发火结构优化设计。美国陆军武器装备研究发展与工程中心研究了蛇形、V形和菱形等多种换能元桥区结构参数及发火条件。解瑞珍等探究了换能元桥区尺寸参数之间的匹配关系。未来可建立换能元材料参数标准数据库，借助机器学习等先进手段优化发火结构。

国内外学者围绕换能元与装药界面的作用关系问题，对换能元进行了多种增效设计。例如，在桥区电阻上沉积金属薄膜，或沉积Al/Ni、B/Ti等异质反应薄膜，或采用纳米铝热剂（Al/CuO复合薄膜、Al/Co₃O₄复合薄膜、Al/PTFE复合薄膜等）替代换能元始发装药，进而结合桥区电阻释放的焦耳热与含能薄膜反应的化学能，以提升点火输出能力。上述增效设计通常采用磁控溅射等物理沉积法，而一些非金属氧化物基纳米铝热薄膜制备则受到限制。电泳沉积法为Al/Bi₂O₃等纳米铝热薄膜在换能元上的集成制备提供了新途径。此外，油墨直写等增材制造技术能满足多种含能薄膜与换能元的集成制备需求。未来可尝试基于宽带隙半导体材料探索新型换能机制。

为避免换能元在射频、静电等环境影响下发生意外作用，需根据应用环境要求采用不同结构来提高换能元安全性。例如，可通过集成安全控制芯片抵抗杂散电流、静电脉冲等影响。沈瑞琪等设计的由主点火桥和微电子解除安全点火桥组成的换能元可抵抗多种意外刺激，但需关注点火过程的安全性。此外，还可通过一体化集成PN结等元器件来提高静电安全性。Liu等基于TVS制造了一种新型TVS-mNiCr换能元，并通过了国家军用标准规定的静电性能测试。未来还需进一步加强换能元安全性设计研究，实现换能元的本质安全。

微纳结构药剂是采用与MEMS工艺相兼容的技术，如化学气相沉积、磁控溅射、原位合成等，在基底上形成具有微观有序结构（纳米管、带、棒、线等）的含能材料，它可实现毫克量级精确制备，也可与微结构换能元或微安保装置集成。微纳结构药剂主要指以叠氮化铜为代表的金属叠氮化物起爆药和以六硝基六氮杂异伍兹烷（2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitane, CL-20）为代表的含能油墨类传爆药。微纳结构药剂研究路线如图4所示。

图4 微纳结构药剂研究路线

叠氮化铜的常见制备手段是利用多孔铜前驱体与叠氮酸气体发生气固相原位反应。该反应过程要求叠氮酸气体与固相的金属或金属氧化物之间充分接触，故研究者致力于制备比表面积较大的多孔铜等铜前驱体。前驱体制备方法有氢气泡模板法、聚苯乙烯模板法、阳极氧化铝模板法、煅烧分解法、静电纺丝法、微控直写法等，均是通过调控前驱体孔隙率及粒径来提高叠氮化铜原位装药效率。Yu等探索了一种电化学辅助制备叠氮化铜方法，以解决原位合成反应效率低、反应过程危险等问题。

此外，研究者还将叠氮化铜与多种导电性优异的碳材料复合以提高叠氮化铜的静电安全性，主要途径有：①将叠氮化铜填充到一维碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）；②利用金属有机框架材料（Metal-organic Frameworks, MOFs）等前驱体得到被碳骨架包覆的叠氮化铜复合材料；③将叠氮化铜与石墨烯等其他碳材料复合。这类复合材料还需在高能与低感之间寻求平衡，以获得最佳性能。

微安保装置按解除保险的动作机构驱动方式不同可分为惯性力驱动、火药力驱动、电热驱动等。驱动方式应与典型搭载平台的环境要求相匹配。微安保装置研究路线如图5所示。

图5 微安保装置研究路线

惯性力驱动微安保装置可通过感应环境力（如后坐力、离心力）来控制保险滑块移动，从而将装置由安全状态转变为发火状态。但这类安保装置的机械机构难以感应环境的其他信息，从而限制了其应用范围。惯性力驱动微安保装置一般选用金属材料，并采用光刻、电镀、注塑（Lithographie, Galvanoformung and Abformung, LIGA）或精密机械加工，最后通过微组装平台集成。这无疑会增加装配误差和制造成本，还难以保证器件一致性。

电热驱动微安保装置主要利用硅材料受热后的弹性形变来实现位移输出，其与MEMS工艺相兼容，且具有小型化、易集成等特点。然而，受硅材料脆性限制，机构在阻挡爆轰时不能保持完整。为提高结构强度，Hu等提出一种硅/金属复合隔断，并通过微雷管集成验证了复合隔断的抗爆能力。

火药力驱动微安保装置利用固体含能材料产生的高温高压气体推动滑块，使装置由安全状态变为发火状态。该类装置具有输出动力强、不受环境力约束、小尺寸可实现大位移等特点，但与MEMS工艺兼容性不高，通常需在器件制作完成后才可进行含能材料填充。

多原理共同驱动的微安保装置可增加发火信号多样性，进一步扩展其在多种环境下的应用前景。例如，胡腾江等结合机械力解保与电热力解保提出一种低重力加速度（g）值惯性延时电热安保装置，可在10 g环境力作用下延时输出1.5 mm位移，为低环境力解保提供了一种新途径。

面向复杂作战环境中的信息识别智能化及发火控制精准化需求，微安保装置将朝着大位移输出、主动解保控制、功能高度集成、安全可恢复等方向发展。硅基微安保装置因其为电信号控制、结构设计可拓、与MEMS工艺相兼容等特点，能很好地适应上述发展趋势。

基于飞片冲击起爆原理的微起爆系统的能量传递过程包括爆炸驱动飞片和飞片冲击起爆炸药。炸药驱动飞片技术研究路线如图6所示。在第1个过程中，起爆药装药量和尺寸、飞片材料和尺寸、加速膛材料和尺寸等参数对飞片速度及形貌具有重要影响。这些参数并不独立，而是存在一定的匹配关系。然而，由于微尺度效应约束以及缺乏系统性深入研究，目前尚未形成炸药、飞片与加速膛之间的普适性适配规律。

图6 炸药驱动飞片技术研究路线

为进一步衡量飞片冲击起爆炸药的能力，需定量表征飞片速度和完整性。获取飞片速度的方法有经验公式、仿真计算和试验测试。经验公式主要采用Gurney公式等。这些模型并不具普适性，尤其在微尺度装药爆轰驱动飞片方面，需要根据具体结构设计与实验结果对模型进行修正，进而减小计算误差。采用经验公式仅能得到单个数据，无法获得飞片速度-时间历程。仿真计算主要采用LS‐DYNA等动力学软件模拟爆炸驱动飞片过程，获得飞片材料、厚度和直径对飞片速度及形态的影响规律。但该方法需解决微装药Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程参数的标定问题。基于显含化学反应的状态方程拟合、基于γ律状态方程拟合、基于圆筒试验拟合等常规方法并不适用于微尺度原位装药，目前只能采用半试验、半理论计算来拟合。试验测试主要采用光子多普勒测速系统、任意反射面速度干涉仪（Velocity Interferometer System for Any Reflector, VISAR）等。这些方法只能获得飞片速度-时间历程，飞片形貌还需采用高速扫描摄像技术、阴影成像技术、面成像VISAR技术、全息技术、纹影技术等手段进一步表征。但是，这些手段针对微尺度飞片测试时均存在一定限制。

常规的飞片速度与形貌表征方法对微起爆系统的微装药特性具有一定局限性。未来还需进一步构建微尺度测试方法，从微尺度效应层面出发，建立微尺度装药驱动飞片规律和能量传递规律。

目前，国外微起爆系统可满足MIL-STD 331和JOTP-052等标准，已在多种武器弹药上进行了验证。例如，法国Nexter公司采用MEMS技术改进了MR251引信中的微起爆系统，并已在40 mm空爆弹上完成验证；美国Kaman公司研制的一种非硅基微起爆系统已应用于20 mm榴弹、迫击炮和火炮等；美国L3 Harris公司将MEMS微起爆系统应用于M762A1/M767A1引信，并完成了空气炮与YPG 155 mm炮测试。

国内已完成微起爆系统在典型平台上的功能验证。例如，西安交通大学联合陕西应用物理化学研究所开发的微起爆系统实现了低压起爆、智能控制、毁伤功能的高度集成，已在微型无人机、某82 mm无坐力弹、某64 mm空爆防暴弹等典型平台得到成功应用。解瑞珍等设计的非硅基微起爆系统已在某微小型机载平台和弹药平台完成了性能验证。

总体来说，国外微起爆系统技术发展迅速，已在系统设计、集成制造工艺、测试与评估、应用验证等方面获得全方位突破。而国内微起爆系统技术起步较晚，以北京理工大学、南京理工大学、西安交通大学和陕西应用物理化学研究所等为代表的高校和科研院所在微起爆系统技术领域投入大量研究，形成了MEMS起爆器、MEMS点火器等多种器件级样机，但存在技术成熟度不高、系统集成度不强等问题。

3.1 微起爆系统基础理论、结构设计、仿真模拟等协同研究

微起爆系统包含多个模块，每个模块均涉及诸多基础理论、结构设计、仿真模拟、性能测试等方面的问题。国内相关高校及科研院所针对基础性问题展开了大量研究。然而，有些研究的同质化问题较为突出，缺乏创新视角和深度挖掘，难以形成独特竞争力。此外，各研究机构之间缺乏有效合作与交流机制，从而使得研究力量分散，难以形成规模效应和协同创新。例如，缺乏微起爆系统各模块的数据库，且尚未充分考虑微起爆系统各部分之间的耦合与交互关系。这些现象不仅造成了资源浪费，也阻碍了中国微起爆系统科研水平的整体提升。因此，充分协调国内在微起爆系统基础理论、结构设计、仿真模拟、数据库建设、创新设计等方面的研究，对快速建立面向工程应用的微起爆系统技术体系至关重要。

在未来陆海空天一体化广域战场下，复杂多样且深度耦合的自然环境、战场环境及人工环境对高精度智能化武器弹药的研发周期提出了更高要求。微起爆系统的技术成熟度会直接影响其在武器弹药领域的推广及应用。加快推进微起爆系统在多平台、多场景、多模式下的应用验证，能够及时暴露设计、制造及应用过程中的缺陷，解决潜在问题，从而为进一步优化改进提供有力依据。此外，在早期研发阶段往往会投入大量资源，提高微起爆系统的技术成熟度并加快应用验证，有助于降低项目研发成本和风险。因此，有必要在突破微起爆系统各个模块设计、工艺、集成、测试与可靠性等层面关键技术，提升整体技术成熟度的同时，加快其在反鱼雷、微无人车等多种平台上应用验证。

3.3 微起爆系统批量制造工艺的安全性、自动化水平

安全、高效的批量制造工艺是微起爆系统得以大规模应用的关键前提。首先，微纳结构药剂组件通常存在一定的安全风险，在批量制造过程中，微小意外可能引发严重安全事故。借助严格的安全措施及先进的技术手段能够有效提升安全化水平，最大程度地降低事故发生率，进而确保制造过程的稳定性和可靠性。其次，提升自动化程度能够降低人为因素带来的风险，保证每个产品在质量和性能方面的一致性，且有利于维护制造工艺的机密性，降低技术泄露风险。最后，安全化和自动化水平的提升有助于提高整体生产效率，大幅缩短生产周期，从而满足国防领域对于紧急批量化的需求。因此，构建微起爆系统自动化柔性装配生产线，建立工艺参数实时监控及反馈系统，是实现制造过程智能控制与安全控制、满足批量化制备安全构建的必由之路。

1）统筹组织国内优势单位联合攻关，加大专项投入力度，建立面向工程应用的微起爆系统技术体系

微起爆系统具有微型化、集成化等特点，涉及电子、机械、材料、物理、化学等多种学科领域。在推动微起爆系统工程化应用过程中要解决诸多基础科学问题以及突破相关技术瓶颈。因此，亟待从国家层面统筹规划国内优势单位，组建跨学科研究开发团队，制定相关技术标准，并对关键技术进行联合攻关。此外，坚持“开发一代、储备一代、研究一代”原则，设立专项资金支持，围绕微起爆系统发展过程中涉及的问题，稳定支持一批基础研究和应用研究课题，并进一步引导相关领域研究人员形成特色研究方向，逐渐构建微起爆系统技术体系。

2）建立常态化技术路演机制，搭建高校、企业、研究所之间的对接平台，推动微起爆系统的多场景、多模式应用

微起爆系统的先进性已在微型无人机等搭载平台得到验证，但在国防战略需求的其他应用场景还有待进一步挖掘。由于微起爆系统所处领域的特殊性，在从事相关研究的高校、企业、研究所之间存在严重的信息不对称问题。政府相关部门应积极主导搭建多方技术信息对接平台，建立常态化技术路演机制等政策，实现微起爆系统需求方与供应方之间的畅通交流，加快微起爆系统应用验证，从而进一步推动微起爆系统的多场景应用。

3）深度融合军品制造标准、高校专利技术与企业制造优势，实现微起爆系统低成本、高可靠的批量化柔性制造

微起爆系统的工程化应用必然要求低成本与高可靠性。为实现这一目标，首先，利用中国完善的工业制造体系，吸纳社会企业的优势制造力量，切实提高微起爆系统的批量化柔性制造能力，并保证其按期交付能力。其次，严格按照相关保密政策与国家军用标准体系把控整个生产制造流程，相关部门应加强政策研究与资源支持，为突破产业链瓶颈，保证军品高质量制造及良好售后提供支撑。最后，基于对接平台积极协调融合高校的先进专利技术，为微起爆系统的性能提升和升级换代奠定基础。