一種基于鉭核心的數(shù)碼電子雷管發(fā)火裝置

何 圣

（桂林電子科技大學，廣西 桂林，541000）

一種基于鉭核心的數(shù)碼電子雷管發(fā)火裝置

何 圣

（桂林電子科技大學，廣西 桂林，541000）

針對數(shù)碼電子雷管的應用環(huán)境，提出了一種不含敏感火工品藥劑的數(shù)碼電子雷管發(fā)火裝置設計。其包含一個鉭金屬顆粒燒結(jié)而成的多層結(jié)構(gòu)核心，可在一定脈沖電壓的沖擊下自燃，由此產(chǎn)生高溫高壓射流來實現(xiàn)雷管的起爆。該發(fā)火裝置具有很好的安全性和很高的發(fā)火能量輸出，適合在數(shù)碼電子雷管中應用。

數(shù)碼電子雷管；發(fā)火裝置；鉭芯；發(fā)火能量

現(xiàn)今行業(yè)內(nèi)使用的數(shù)碼電子雷管采用的電發(fā)火裝置均為傳統(tǒng)的熱橋絲式。橋絲式發(fā)火裝置由于采用了敏感的火工品藥劑，因而在生產(chǎn)、運輸、使用中存在很大的安全隱患。半導體橋發(fā)火裝置不含敏感火工品藥劑，其利用半導體電擊穿產(chǎn)生的高溫等離子噴射來實現(xiàn)發(fā)火，具有較高的安全性。但其需要的激發(fā)電能過大，當前數(shù)碼電子雷管儲能電容無法滿足，故至今也未能應用于數(shù)碼電子雷管領(lǐng)域。

本文提出了一種基于鉭核心的電發(fā)火裝置設計。這種發(fā)火裝置依靠一顆可由低壓電脈沖激發(fā)自燃的多層結(jié)構(gòu)鉭核心進行發(fā)火，兼具熱橋絲發(fā)火裝置對激發(fā)電能的要求較低、發(fā)火輸出能量高，以及半導體橋發(fā)火裝置不含敏感火工品藥劑、安全性高的優(yōu)點，在數(shù)碼電子雷管領(lǐng)域具有很大的應用潛力，本文對此發(fā)火裝置開展了相關(guān)的設計研究。

1 發(fā)火裝置主體結(jié)構(gòu)

發(fā)火裝置的主體外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)火裝置主體呈圓柱狀，便于沿同軸方向裝入雷管殼內(nèi)。外殼由合成樹脂材料制成，包裹著內(nèi)部長方體狀的鉭核心和金屬正負極引腳。在發(fā)火裝置上端面開有一個梯形凹槽，部分裸露出內(nèi)部的鉭核心。當鉭核心燃燒時，由于受到外殼的束縛，燃燒產(chǎn)生的高溫熔融碎屑射流會通過梯形凹槽開口向上定向噴射而出，點燃上方的雷管裝藥。

圖1 發(fā)火裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the ignition device

2 鉭核心構(gòu)造

鉭核心結(jié)構(gòu)與鉭電容核心[1]類似，外形示意圖如圖2所示。鉭核心成長方體狀，左后兩個正交面分別連接金屬正負極引腳。鉭核心的層結(jié)構(gòu)剖視圖如圖3所示。

圖2 鉭核心外形示意圖Fig.2 Sketch of the tantalum core

圖3 鉭核心構(gòu)造剖視圖Fig.3 Section of the tantalum core

多孔陽極鉭燒結(jié)塊由鉭粉顆粒壓模燒結(jié)而成，具有疏松的海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，是整個內(nèi)核的結(jié)構(gòu)主體，也是陽極主體，具有很大的表面積。

陽極引出鉭絲是內(nèi)核陽極的輸入端，材質(zhì)為實心鉭金屬，一端與正極引腳焊接在一起，另一端埋入固體燒結(jié)陽極塊并與其燒結(jié)成一體。五氧化二鉭層由多孔陽極鉭燒結(jié)塊經(jīng)氧化處理形成，覆蓋在多孔陽極鉭燒結(jié)塊海綿狀多孔結(jié)構(gòu)的表面，是內(nèi)核陽極與陰極間的隔離介質(zhì)。 二氧化錳陰極覆層包覆在五氧化二鉭層之上，是內(nèi)核的陰極主體。

聚四氟乙烯墊圈包覆于陽極引出鉭絲與多孔陽極鉭燒結(jié)塊的外部接合處，主要起絕緣作用，防止五氧化二鉭層以外的覆層與陽極引出鉭絲接觸發(fā)生短路。同時聚四氟乙烯良好的韌性和可成型性可起到局部結(jié)構(gòu)加強的作用，減少陽極引出鉭絲受力彎曲，造成此處燒結(jié)塊崩落這類情況的發(fā)生。

石墨涂層涂覆在長方體鉭核心除陽極引出鉭絲所在面外的5個外表面上，作為陰極的引出，為二氧化錳陰極覆層提供電氣連接。銀漿涂層涂覆在石墨涂層之上，為其提供可粘接或焊接的表面。銀粘接劑層用于粘接或焊接銀覆層與負極引腳。正極引腳和負極引腳是外界電壓輸入到內(nèi)核的橋梁，一般為鎳鐵合金材質(zhì)。正極引腳與陽極引出鉭絲焊接在一起；負極引腳小面積粘接或焊接于內(nèi)核表面上，且位置必須保證能使引腳與內(nèi)核的接合縫通過外殼上的梯形凹槽裸露出來，如圖1所示。

3 作用原理

3.1 發(fā)火原理

五氧化二鉭層（Ta2O5）的晶化方向使其具有半導體特性，在給核心施加較低正向電壓時，其兩側(cè)的陽極（Ta）與陰極（MnO2）不導通，只存在微小的漏電流，電荷在兩極上聚集，整體呈現(xiàn)電容性。然而五氧化二鉭層在生成過程中由于受雜質(zhì)和晶化方向的影響，不會生成得很均勻，某些部位覆層會比較薄，或有尖銳棱角，又或是存在雜質(zhì)、裂隙。這些部位對電場的承受能力較其它部分弱，是氧化層的薄弱處。當施加的正向電壓繼續(xù)增加并超過一定閥值時，五氧化二鉭層的薄弱處由于無法承受增加的場強，繼而發(fā)生擊穿，漏電流增大，擊穿處溫度升高。當溫度超過380℃，擊穿處緊鄰的二氧化錳會受熱分解，生成三氧化二錳（Mn2O3）和氧氣（O2）。

若此時施加的電壓消失，或電流大小受到一定的限制，那么擊穿處的升溫就會受限，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理破壞。同時由于生成的三氧化二錳電阻率很大，相當于對擊穿處進行了絕緣補強修復，使得漏電流快速降低直至消失，擊穿處實現(xiàn)自愈[2]，如圖4所示。

圖4 鉭核心自愈機理示意圖Fig.4 Self healing principle of the tantalum core

若對施加的電壓電流不加限制，任由擊穿處溫度繼續(xù)升高，就會發(fā)生閃火擊穿效應[3]。當溫度超過480℃時，五氧化二鉭就會由于高溫作用從不定形態(tài)轉(zhuǎn)化為導電晶態(tài)，使擊穿電流進一步增大，加劇升溫擴散。周圍的二氧化錳層結(jié)構(gòu)被迅速分解，自愈的速度已無法跟上破壞的速度。隨后五氧化二鉭層在高溫下發(fā)生物理破壞出現(xiàn)裂隙，由陰極（MnO2）分解產(chǎn)生的無法外散的高濃度氧氣（O2）通過裂隙與陽極（Ta）相接觸，在高溫下發(fā)生化合反應并劇烈燃燒，釋放大量熱量，溫度可達1 000℃以上。這樣的高溫將引發(fā)周圍結(jié)構(gòu)的連鎖反應，燃燒會迅速擴散整個內(nèi)核，直至陽極燃燒殆盡。鉭核心的多孔結(jié)構(gòu)包含有大量空穴，其中的氣體在劇烈燃燒產(chǎn)生的高溫下急速膨脹形成高壓。受到半封閉外殼的束縛，高溫高壓氣體會裹挾著部分崩落的高溫熔融狀態(tài)鉭顆粒物從未封閉的開口處噴出數(shù)個厘米距離，可有效點燃作用范圍內(nèi)的雷管起爆藥。

3.2 射流控制

鉭核心燃燒后生成的五氧化二鉭互相粘連，具有相當結(jié)構(gòu)強度，它使得燃燒后的鉭核心仍可保持著原有的多孔結(jié)構(gòu)，不會輕易塌縮碎裂。在外殼的束縛下，高壓氣體很難粉碎鉭核心，它只能使一小部分鉭燒結(jié)塊熔化崩落為碎屑，參與形成射流。如果碎屑崩落處于與外殼開口位置不重合或偏差過大，碎屑噴出受到阻擋，就會嚴重影響射流的形成，極易導致雷管發(fā)火失敗。故必須對碎屑崩落點的位置進行嚴格控制。

由鉭核心的發(fā)火原理可知，鉭核心的燃燒是由一點而起，再向外擴散。起燃點處的鉭最先開始燃燒熔化，這時相較于周圍還沒有起燃的結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)強度是最弱的，壓力將會向這個部位聚集，使起燃點處的鉭燒結(jié)塊發(fā)生粉碎崩落。所以起燃點與碎屑崩落點具有很穩(wěn)定的位置一致性。

起燃點發(fā)生的位置并非是隨機，它與陰陽兩極間的分布阻抗有著密切關(guān)系。某位置分布阻抗越小，發(fā)生擊穿時通過的電流就越大，就越有可能成為起燃點。鉭核心陰極材料二氧化錳的電導率遠小于陽極材料的鉭金屬，故決定兩極分布阻抗的主要因素為陰極材料二氧化錳。在擊穿電流流經(jīng)的所有通路中，經(jīng)由負極引腳與鉭核心貼合面附近的二氧化錳覆層通路是阻抗最小的，若此處被擊穿，必然會成為起燃點。然而擊穿點的位置實際上具有相當?shù)碾S機性，不一定會先發(fā)生在此處。若擊穿點先發(fā)生在另一位置，由于擊穿電流流過的二氧化錳通路較長，阻抗較大，就會觸發(fā)自愈效應，而非起燃。隨后在一連串各種位置的擊穿、自愈后，擊穿點會不斷向負極引腳與鉭核心貼合面附近聚集，最終在此處引發(fā)起燃。由此可見，負極引腳與鉭核心貼合面附近是起燃點、碎屑崩落點的可靠發(fā)生位置。將這一區(qū)域如圖1中所示的方式通過外殼缺口暴露于外，將可以有效確保熔融碎屑射流的形成。同時在確保合適通路阻抗的前提下，適度縮小負極引腳與鉭核心貼合面積（如圖2所示），可以進一步強化這一效果。射流形成示意圖如圖5所示。

圖5 射流形成示意圖Fig.5 Formation of the jet

4 試驗情況

鉭核心發(fā)火裝置在開放空間的發(fā)火瞬間如圖6所示。在初步10 000次雷管外開放空間實驗中，發(fā)火裝置的可靠發(fā)火率為99.90％，釋放的射流可以碳化并擊穿前方放置的雙層A4打印紙。將發(fā)火裝置搭配專用的數(shù)碼電子雷管電路，封入常規(guī)雷管殼內(nèi)，組成了實裝的數(shù)碼電子雷管，如圖7所示。

圖6 裝置發(fā)火效果Fig.6 Fire of the ignition device

以20發(fā)雷管為1組，延時5s進行起爆試驗，10 000發(fā)雷管起爆成功率為98.70％，排除電路故障、缺陷因素，發(fā)火裝置的發(fā)火成功率為99.75％。

由以上試驗結(jié)果，可以初步驗證鉭核心發(fā)火裝置已經(jīng)具備相當?shù)膶嵱眯浴５l(fā)火裝置樣品均為手工制作，大部分工藝標準無法滿足，距離99.96％可靠性的行業(yè)目標還有距離，相信日后在采用標準工藝加工后，發(fā)火裝置的可靠性還有很大提升空間。

圖7 數(shù)碼電子雷管Fig.7 The digital electronic detonator

5 有益特性

5.1 抗高溫誤燃

鉭金屬化學性質(zhì)穩(wěn)定，鉭燒結(jié)塊在空氣中不會被明火點燃，在高溫、高濃度氧氣中才會發(fā)生燃燒。若用一般明火對裸露的鉭核心進行外部灼燒，由于升溫的方向是由外而內(nèi)，所以二氧化錳覆層的分解也是由外而內(nèi)，生成的氧氣會迅速散失。同時受到致密五氧化二鉭層的保護，陽極鉭暴露于氧氣中的時間被大為延后。當陽極鉭與氧氣接觸時，氧氣的濃度已經(jīng)不足以支撐其燃燒，只能將其表面氧化，不會有引燃效果。鉭核心外部包裹的合成樹脂外殼具有很強的隔溫阻燃作用，可以進一步增強發(fā)火裝置的抗高溫誤燃能力。

5.2 抗電脈沖干擾誤燃

發(fā)火裝置靜態(tài)時呈電容性，還擁有自愈效應，可有效抵抗一般的電傳導、電磁輻射、人體靜電產(chǎn)生的干擾電脈沖，不易發(fā)生誤燃。當給發(fā)火裝置施加負向電壓時，由于在此狀態(tài)下五氧化二鉭層和二氧化錳覆層電導率不佳，會呈現(xiàn)出幾十至幾百歐姆的電阻，極大限制了漏電流的大小，這使得發(fā)火裝置負向鈍感性遠高于正向，更不易發(fā)生誤燃。

5.3 環(huán)境適應性強

發(fā)火裝置整體為固態(tài)結(jié)構(gòu)，有很高的物理強度，可以有效抵御各種震動、碰撞。得益于鉭核心各層結(jié)構(gòu)材質(zhì)的高熱穩(wěn)定性，發(fā)火裝置可長時間穩(wěn)定工作于-45～170℃的環(huán)境下。

5.4 儲存、運輸、裝配安全方便

發(fā)火裝置不含敏感火工品藥劑，可以如同一般電子元器件一樣進行儲存、運輸、電路板焊接裝配，無需專門的防爆措施。

5.5 發(fā)火能量輸出大

發(fā)火裝置噴射的高溫熔融射流溫度高，持續(xù)時間較長，引燃性強。

6 結(jié)語

鉭核心發(fā)火裝置設計經(jīng)過初步實驗，已經(jīng)取得了良好的效果，實現(xiàn)了由小型電容提供15～30V電脈沖下的可靠發(fā)火。相信在進一步完善生產(chǎn)工藝、提高性能后，鉭核心發(fā)火裝置將可以成為雷管電發(fā)火裝置中的一股新興力量。

[1]廉軍.片式鉭電容的結(jié)構(gòu)及制造工藝[J].電子工業(yè)專用設備，2000,29(3):60-63.

[2]潘齊鳳.片式鉭電容器浪涌電流失效研究[D].成都:電子科技大學,2012.

[3]J. D. Prymak and M. Prevallet. Scintillation testing of solid electrolytic capacitors [C].Proceedings of the 26th Symposium for Passive Components, CARTS′06, Orlando, FL, USA: Electronic Components Industry Association, 2006.

[4]劉家欣,肖大雛,王賓如.片狀鉭電容器失效分析[J].電子元件與材料,2004,23(3):3-6.

A Ignition Device of Digital Electronic Detonator Based on Tantalum Core

HE Sheng
(Guilin University of Electronic Technology, Guilin，541000)

According to the application environment of digital electronic detonator, a kind of electronic ignition device design without sensitive charge was proposed. The device contains a core which is sintered by tantalum metal particles and has a multilayer structure. The core can be ignited under a impulse of certain voltage, and then the jets with high temperature and pressure produced by combustion of the core would initiate the detonator. This ignition device has high security and high output energy, and is particularly suitable for the application of digital electronic detonator.

Digital electronic detonator；Ignition device；Tantalum core；Impulsing energy

TJ450.3

A

1003-1480（2016）06-0005-04

2016-10-09

何圣（1982 -），男，工程師，主要從事電子電路設計工作。