电磁式微型冲击加载测试系统研制及在MEMS器件动态力学性能研究中的应用

MEMS fuze is usually served in harsh environment of undergoing high/low-temperature and high-g acceleration up to several tens thousands. Investigation of the security and reliability during the launching circumstances is relatively lagging behind, which restrict its development. The study on dynamic mechanical properties of MEMS material under high strain rate are difficult to carry on because of the lack of mini impact test systmes and techniques, which makes the further study of dynamic failure of the MEMS fuze run into a bottleneck. This project is devoting to developing mini impact test systems and techniques for investigating dynamic mechanical properties of MEMS fuze and its producing materials. The miniature high-g and high/low-temperature loading systems, and the mini SHP/TB systems will be developed based on multi-stage electromagnetic launching. The high speed microscopic optical measurement system and techniques will also be developed, which are for dynamic deformation analysis of micro devices under impact loading. Using the developed systems, the dynamic response of typical MEMS fuze and micro springs as well as its producing material under different accelerations and temperature will be investigated, and the mechanism of the failure mechanisms can be revealed, which will provide a solid foundation for the secure and reliable serving of MEMS fuze and its key devices.

MEMS引信服役在高达数万g的极端加速度与高低温环境中，其在服役环境下的可靠性研究相对滞后，制约着引信技术的进一步发展。由于微型冲击加载与测试系统和技术的缺乏，MEMS微器件的制作材料在高应变率下的动态力学性能研究难以开展，对MEMS引信及其关键微器件的动态特性深入研究陷入瓶颈。本项目立足于发展MEMS微器件及其制作材料动态力学性能研究的冲击加载、测试技术与系统。全面系统的开展基于电磁脉冲多级发射的微型高g值高低温加载环境系统、微型霍普金森拉压杆系统的研制工作；发展针对于高g值冲击载荷下微器件变形分析的高速显微光学测量技术与系统；利用研制的系统对MEMS微弹簧及其制作材料、典型MEMS引信安保机构的动态特性进行系统研究，分析MEMS引信安保机构和微弹簧在不同的高g值高低温载荷下的动态响应模式，揭示其失效机理，为MEMS引信及其关键微器件的安全可靠的服役提供坚实的基础。

微结构、微器件常常工作在数万g的极端加速度与高低温环境中，其在服役环境下的性能可靠性研究急需发展相应的实验技术与测试设备。本项目系统研究并开发了磁阻式微型动态实验研究平台。首先仿真分析了单级线圈发射模型的加速机理，优化了影响子弹发射速度的各个线圈参数。通过对电磁脉冲多级发射的新技术探索，实现了子弹多级自动接力发射。创新提出了光控多级多绕电磁驱动线圈阵列发射系统设计思路，对放电电流波形进行了优化设计，彻底解决了子弹发射过程中涡流减速力的影响，极大地提高了发射效率和发射安全性，实现了两级约30m/s的子弹最大出口速度，满足了绝大部分高应变率霍普金森杆实验对冲击速度的需求。. 基于优化参数自主研制了磁阻式微型 Hopkinson 拉杆/压杆装置、巧妙设计了拉压一体化三杆件系统、拉压双层多功能微型霍普金森杆系统、磁阻式微型高低温高G值冲击加载与测试系统等多套设备与系统；利用研制的系统实验研究了Kevlar纤维动态力学性能、获得了MEMS平面微弹簧制作材料（LIGA镍材料）在高应变率下的动态应力应变本构关系，以及钛镍形状记忆合金不同应变率下的应力-应变曲线以及剪切带演化行为。发展了MEMS 微弹簧动态变形过程中角点特征提取算法，实验表征了高g值加载下MEMS平面微弹簧的动态特性和失效行为；实验研究了典型MEMS引信安保机构在温度与冲击载荷耦合环境下的动态机动过程，为MEMS引信安保机构及其关键微器件在模拟服役环境下的安全可靠性评估提供了坚实的基础。. 在本项目执行期间，相关的工作共授权或申请国家发明专利8项、软件著作权1项，发表相关论文12篇、其中SCI 论文10篇。