添加四氧化三鉛且鋯粉過(guò)量的快燃速引燃條

閆　雷，王勝華，劉　亮，李　陽(yáng)

(1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710065；2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安　710065；3.中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 西安　714200)

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添加四氧化三鉛且鋯粉過(guò)量的快燃速引燃條

閆雷1,2，王勝華2，劉亮3，李陽(yáng)2

(1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065；2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065；3.中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 西安714200)

針對(duì)現(xiàn)有熱電池激活時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了添加四氧化三鉛且鋯粉過(guò)量的方法制備快燃速引燃條。在熱電池現(xiàn)有鋯-鉻酸鋇引燃條中加入四氧化三鉛且使鋯粉過(guò)量，形成鋯-鉻酸鋇-四氧化三鉛引燃條，以縮短電池激活時(shí)間。試驗(yàn)表明：在高低溫環(huán)境下，裝有快燃速引燃條的熱電池比現(xiàn)有熱電池的激活時(shí)間減小了約50%。

熱電池；激活時(shí)間；引燃條；四氧化三鉛；鋯粉

0　引言

熱電池因其具有高比能量、高比功率、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、便于長(zhǎng)期儲(chǔ)存等特點(diǎn)，在軍用電源中占有十分重要的地位。其工作原理為：外部信號(hào)引爆電點(diǎn)火頭，電點(diǎn)火頭發(fā)火點(diǎn)燃引燃條，引燃條向下燃燒，逐層點(diǎn)燃各加熱片，加熱片燃燒使得單體電池中電解質(zhì)熔融成離子導(dǎo)體，陽(yáng)極和陰極通過(guò)融熔鹽發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能，電流通過(guò)引流條輸送到蓋體上的導(dǎo)流柱，熱電池開(kāi)始輸出電流。熱電池的激活時(shí)間是指從輸入激活信號(hào)開(kāi)始到電池的工作電壓達(dá)到規(guī)定下限值所需要的時(shí)間?，F(xiàn)在熱電池的激活時(shí)間一般為0.5～2 s[1]。但隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展，特別是智能彈藥的研制，其對(duì)熱電池提出更快的激活時(shí)間，現(xiàn)在的技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足要求。激活時(shí)間是引燃條燃燒時(shí)間、加熱片燃燒時(shí)間和熱量傳遞到電解質(zhì)并使其熔化的三者之和[2]。采用燃速較快的引燃條，在電極或電解質(zhì)中加入適當(dāng)?shù)奶砑觿┛蓽p小電池的激活時(shí)間，采用煙火藥加熱劑的引燃條燃速遠(yuǎn)大于目前通用的鋯加熱劑、鐵加熱劑引燃條[3]。有文獻(xiàn)列舉了幾種快燃速燃燒藥劑的最大燃速[4]，但無(wú)具體配方。在熱電池鋯-鉻酸鋇加熱材料中引入四氧化三鉛，可調(diào)節(jié)加熱材料的線(xiàn)燃速[5]。因此針對(duì)現(xiàn)有熱電池激活時(shí)間較慢的問(wèn)題，本文提出在熱電池中裝配一種添加四氧化三鉛且鋯粉過(guò)量的快燃速引燃條以提高電池激活時(shí)間。

1　現(xiàn)有熱電池引燃條

現(xiàn)有的引燃條是由鋯粉、鉻酸鋇、石棉纖維等組成，線(xiàn)燃速一般在10 cm/s[1]。其中鋯粉為還原劑，鉻酸鋇為氧化劑，石棉纖維起吸附作用。相關(guān)單位研究了鋯-鉻酸鋇加熱紙的表征方法[6]及燃燒機(jī)理[7]，提出其反應(yīng)方程為：

Zr+BaCrO4=BaO+CrO+ZrO2+Q

(1)

鋯粉與鉻酸鋇的摩爾比例為1∶1。當(dāng)引燃條被點(diǎn)燃即發(fā)生連續(xù)的固-固態(tài)氧化還原反應(yīng)，形成燃燒至反應(yīng)結(jié)束，石棉纖維不參與反應(yīng)。其燃速與氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)速率成正比。將固態(tài)反應(yīng)物氧化劑與還原劑按一定比例混合后，在相互接觸的顆粒界面上，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成物會(huì)把初始的反應(yīng)物隔開(kāi)。氧化劑分解出的氧必須通過(guò)氧化膜擴(kuò)散到還原劑表面，燃燒反應(yīng)才能進(jìn)行下去。氧化劑的分解速率越快則整個(gè)反應(yīng)速率越快。其速率常數(shù)的表達(dá)式為：

k=A·exp(-Ea/Rτ)

(2)

式(2)中，k為速率常數(shù)，A為指數(shù)前因子，Ea為活化能。

同時(shí)總反應(yīng)速率的計(jì)算式為：

v=k[B]n

(3)

式(3)中，v為反應(yīng)速率，k為速率常數(shù)，[B]為還原劑含量，n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。

2　添加四氧化三鉛且鋯粉過(guò)量的快燃速引燃條

探討通過(guò)在引燃條中加入四氧化三鉛形成鋯-鉻酸鋇-四氧化三鉛引燃條，并使其中鋯粉含量過(guò)量，從而提高其線(xiàn)燃速，以減小電池的激活時(shí)間。

2.1原理

在現(xiàn)有的鋯-鉻酸鋇引燃條中加入四氧化三鉛形成鋯-鉻酸鋇-四氧化三鉛引燃條，其燃燒時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式為式(1)與式(4)同時(shí)進(jìn)行。

Zr+2Pb3O4=ZrO2+6PbO+Q

(4)

兩個(gè)反應(yīng)均為氧化還原反應(yīng)，其中鋯為還原劑，鉻酸鋇、四氧化三鉛為氧化劑。從式(2)可以看出氧化劑的反應(yīng)難易程度與它的活化能有關(guān)，同時(shí)分解溫度與活化能成正相關(guān)。所以通常知道其分解溫度的高低，即可判定該藥劑點(diǎn)燃的難易程度及燃燒反應(yīng)速度的快慢。分解溫度低則反應(yīng)活化能低，速率常數(shù)大，反應(yīng)速度快。鉻酸鋇、四氧化三鉛的分解溫度分別為1 400℃及500℃。加入四氧化三鉛降低了反應(yīng)活化能，增大了速率常數(shù)，加快了反應(yīng)速率，從而增加燃速。

增加還原劑鋯粉含量使其過(guò)量，可使氧更易與其接觸并反應(yīng),結(jié)合式(3)可以看出反應(yīng)速率與鋯粉含量成冪函數(shù)關(guān)系。同時(shí)加大鋯粉組分，雖有可能引起偏離化學(xué)計(jì)量平衡，但可使引燃紙的導(dǎo)熱性提高，有利于藥劑的燃燒反應(yīng)和加快熱量傳播，從而引起燃速的增加。

2.2快燃速引燃條配方優(yōu)化

根據(jù)燃速設(shè)計(jì)配比，計(jì)算出鋯粉、鉻酸鋇、四氧化三鉛和無(wú)機(jī)纖維的質(zhì)量，將無(wú)機(jī)纖維在水中分散成漿狀，制成鋯粉-鉻酸鋇-四氧化三鉛混合的懸濁液，倒入紙漿中，在專(zhuān)用造紙機(jī)上制成引燃紙并烘干備用[5]。

加熱材料線(xiàn)的線(xiàn)燃速通過(guò)RSY線(xiàn)燃速測(cè)定儀測(cè)試。將引燃紙裁剪成寬6mm，長(zhǎng)150～250mm的引燃條。將裁剪好的引燃條在燃速測(cè)定儀上依次拼接起來(lái)，總長(zhǎng)1 000mm。點(diǎn)火并計(jì)時(shí)至燃燒結(jié)束。即可通過(guò)式(5)計(jì)算出此種引燃條的燃速。引燃條配方及燃速測(cè)定值見(jiàn)表1。

v=s/t

(5)

式(5)中，v為燃速，s為引燃條長(zhǎng)度，t為燃燒時(shí)間。

將B配方與A配方比較，是將A中50%的鉻酸鋇置換為四氧化三鉛，兩組均保持化學(xué)計(jì)量平衡，引燃條燃速由5.6 cm/s升到8.3 cm/s，提高48%。C、D、E配方均為在B配方基礎(chǔ)上將鋯粉含量10%、30%、50%依次增加，結(jié)果顯示引燃條的燃速呈快速上升趨勢(shì)，其趨勢(shì)圖見(jiàn)圖1。以?xún)绾瘮?shù)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)并擬合的方程為：y=7.116x9.0737，與式(4)進(jìn)行對(duì)比，可驗(yàn)證原理推論基本符合事實(shí)。

圖1　鋯粉與氧化劑比例對(duì)引燃條燃速的影響Fig.1　Proportion of zirconium and oxidizer impact on burning rate of igniting tape

配方號(hào)氧化劑中各組份的摩爾分?jǐn)?shù)/%鉻酸鋇四氧化三鉛鋯粉∶氧化劑(摩爾比)燃速/(cm/s)備注A10001∶15.6原引燃條B50501∶18.3加入50%四氧化三鉛C50501.1∶115.4加入50%四氧化三鉛,鋯粉過(guò)量10%D50501.3∶160.6加入50%四氧化三鉛,鋯粉過(guò)量30%E50501.5∶1335.8加入50%四氧化三鉛,鋯粉過(guò)量50%

其中E配方引燃條與原引燃條(A配方)比較，是置換50%四氧化三鉛，并鋯粉過(guò)量50%。其燃速由5.6 cm/s升到335.8 cm/s，提高了5 892%，在幾種配方中提高最大。因此將E配方引燃條定為快燃速引燃條。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

將原引燃條(A配方)及快燃速引燃條(E配方)裁剪后各裝配8發(fā)試驗(yàn)熱電池，并進(jìn)行高低溫放電試驗(yàn)，測(cè)試不同引燃條對(duì)電池激活時(shí)間的影響。試驗(yàn)電池為鋰硅合金-二硫化鐵體系，采用鐵加熱劑，6單元疊層裝配，電點(diǎn)火頭激活，并對(duì)電池進(jìn)行高低溫放電試驗(yàn)，從0 V至7 V的電壓上升時(shí)間為激活時(shí)間，用HIKO8855數(shù)據(jù)采集儀記錄放電曲線(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出低溫狀態(tài)下原引燃條、快燃速引燃條的試驗(yàn)電池激活時(shí)間的平均值分別為：0.373 s和0.183 s，減小了0.190 s(50.9%)，高溫狀態(tài)下原引燃條、快燃速引燃條的試驗(yàn)電池激活時(shí)間的平均值分別為：0.343 s和0.160 s，減小了0.173 s(50.4%)，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較小，說(shuō)明快燃速引燃條在高低溫環(huán)境下均可有效減小激活時(shí)間。

將裝有原引燃條與快燃速引燃條的電池在低、高溫狀態(tài)下，選取1號(hào)、9號(hào)與5號(hào)、13號(hào)的激活段放電曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2、圖3。

從圖2、圖3可以看出無(wú)論是高溫低溫，激活段曲線(xiàn)都可分為平線(xiàn)段及斜線(xiàn)段。平線(xiàn)段為引燃條的傳火過(guò)程，斜線(xiàn)段為加熱片燃燒及電解質(zhì)熔融電極開(kāi)始反應(yīng)的時(shí)間。因兩種電池中除引燃條外其余因素均相同，所以圖中斜線(xiàn)段的斜率基本相同，而平線(xiàn)段縮短一半，是由于引燃條燃速增加所致。綜上所述，快燃速引燃條可有效減小熱電池激活時(shí)間，解決現(xiàn)有熱電池激活時(shí)間偏長(zhǎng)的問(wèn)題。

表2　放電試驗(yàn)狀態(tài)及結(jié)果

圖2　低溫條件下的激活時(shí)間比較Fig.2　Comparison of activation time of low temperature

圖3　高溫條件下的激活時(shí)間比較Fig.3　Comparison of activation time of high temperature

4　結(jié)論

本文提出了添加四氧化三鉛且鋯粉過(guò)量的快燃速引燃條。在熱電池現(xiàn)有鋯-鉻酸鋇引燃條中加入四氧化三鉛且使鋯粉過(guò)量，形成鋯-鉻酸鋇-四氧化三鉛引燃條，以減小熱電池激活時(shí)間。試驗(yàn)表明，低溫狀態(tài)下原引燃條、快燃速引燃條的試驗(yàn)電池激活時(shí)間的平均值分別為：0.373s和0.183s，減小了0.190s(50.9%)，高溫狀態(tài)下原引燃條、快燃速引燃條的試驗(yàn)電池激活時(shí)間的平均值分別為：0.343s和0.160s，減小了0.173s(50.4%)，解決了現(xiàn)有熱電池激活時(shí)間偏長(zhǎng)的問(wèn)題。

[1]陸瑞生，劉效疆. 熱電池[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.

[2]陳茂斌. 熱電池用加熱材料的性能研究[J].電子技術(shù)參考,2001,1(2):27-31.

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[4]CallawayJ.熱電池用煙火加熱劑[J].火工情報(bào),2003(1):110-116.

[5]王勝華,閆雷,李陽(yáng).引入四氧化三鉛的鋯-鉻酸鋇加熱材料[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2013, 35(6):57-50.

[6]董靜,劉仕偉. 鋯粉加熱紙性能表征方法研究[J]. 電源技術(shù),2008(10):693-695.

[7]種晉. 鋯粉加熱紙燃燒機(jī)理研究[J]. 電源技術(shù),2009(7):590-595.

A Fast Burning Igniting Tape Added with Lead Tetraoxide and Excess Zirconium

YAN Lei1,2, WANG Shenghua2, LIU Liang3,LI Yang2

(1.Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory,Xi’an 710065, China;2.Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China;3. Norin co. Group Test and Measuring Academy, Xi’an 714200, China)

For the problem that the activating time is too longer in thermal battery, a fast burning igniting tape added with lead tetraoxide and excess zirconium was present. The fastr burning igniting tape added with lead tetraoxide and exsess zirconium at conventional igniting tape which was composed of zirconium and barium chromate, thus to decreasing activating time of thermal battery. Test results showed that the activating time of thermal battery decreased 50% .

thermal battery; activating time; igniting tape; lead tetraoxide; Zirconium

2016-02-03

閆雷(1983—)，男，陜西周至人，工程師，研究方向：引信電源。E-mail:89574331@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0093-03