一種碳膜橋的點(diǎn)火特性研究

萬(wàn)早雁，張 琳，朱順官，易鎮(zhèn)鑫

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一種碳膜橋的點(diǎn)火特性研究

萬(wàn)早雁，張 琳，朱順官，易鎮(zhèn)鑫

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京，210094）

以類石墨碳膜為點(diǎn)火材料制作了碳膜電點(diǎn)火橋，研究了溫度對(duì)碳膜電點(diǎn)火橋阻值和發(fā)火性能的影響，并比較了兩種常用起爆藥劑的碳膜電點(diǎn)火橋的發(fā)火性能，同時(shí)對(duì)碳膜電點(diǎn)火橋進(jìn)行了腳-腳間抗靜電測(cè)試。結(jié)果表明：碳膜電點(diǎn)火橋是一類具有負(fù)溫度系數(shù)、發(fā)火區(qū)間小、散步精度高、安全性高且制作簡(jiǎn)便的點(diǎn)火件，具有極強(qiáng)的應(yīng)用前景。

碳膜點(diǎn)火橋；負(fù)溫度系數(shù)；發(fā)火性能；抗靜電

電火工品換能元的作用方式有兩種：一是熱傳導(dǎo)形式，如金屬橋絲；二是微對(duì)流形式，如SCB。金屬橋絲具有體積大、發(fā)火臨界能量高、作用時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，而半導(dǎo)體薄膜的換能元制作工藝復(fù)雜、成本高，特別是對(duì)藥劑與SCB界面匹配性要求高[1]。目前，國(guó)內(nèi)外少有文獻(xiàn)報(bào)道工藝簡(jiǎn)單的點(diǎn)火橋制備研究。

碳材料具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較大的電阻率，以及受電壓和頻率的影響小等優(yōu)點(diǎn)。早期曾將碳材料用于制造點(diǎn)火橋，如涂膜式雷管[2]是將石墨加聚苯乙烯的醋酸丁酯溶液粘結(jié)在電極上，固化形成半導(dǎo)電的薄膜，獲得的石墨型碳膜電阻較高（700~14 000Ω左右），需要較大的輸入電壓（100~300V）才能夠產(chǎn)生足夠的熱量點(diǎn)燃藥劑，而且它的內(nèi)電阻不是常數(shù)，起爆也與電流、電壓有關(guān)。為了發(fā)揮碳材料的導(dǎo)熱性和安全性方面的優(yōu)勢(shì)，本文采用一種新材料碳膜，其阻值為石墨型碳膜的1/1 000~1/100，以制備體積小、安全可靠且成本低廉的碳膜電點(diǎn)火橋[3]，并研究其性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 碳膜電點(diǎn)火橋結(jié)構(gòu)

碳膜電點(diǎn)火橋的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)火部分由陶瓷基底和碳膜之間呈“H”形的結(jié)構(gòu)組成。碳膜點(diǎn)火橋的尺寸為240μｍ×430μm，阻值為6.2Ω。本實(shí)驗(yàn)中，采用蘸藥的裝藥方式，藥量約為15mg。

圖1 碳膜點(diǎn)火橋的結(jié)構(gòu)

1.2 碳膜電點(diǎn)火橋的溫度特性

試驗(yàn)選取4種不同阻值的的碳膜點(diǎn)火橋，對(duì)每種阻值的點(diǎn)火橋進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，分別測(cè)量從室溫（20℃）到200℃溫度下的阻值變化。獲取電阻值數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及曲線擬合。

1.3 碳膜結(jié)構(gòu)表征

拉曼光譜是碳材料結(jié)構(gòu)表征常用的一種非破壞性方法。一般而言，非晶碳膜的Raman譜圖由位于1 350cm-1的D峰和1 560cm-1處的G峰構(gòu)成，它們通常被認(rèn)為是非晶碳膜的特征峰[4]。D峰與G峰的強(qiáng)度比I/I與薄膜中sp2和sp3鍵合碳相對(duì)含量相關(guān)，I/I值越大，薄膜中sp2鍵合碳含量就越高。采用Renishaw (in Via)激光共焦顯微拉曼光譜儀對(duì)碳膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，激光波長(zhǎng)為785nm（近紅外激光器），光譜測(cè)量范圍在100~4 000cm-1，最小步長(zhǎng)為0.1μm，激發(fā)功率(100%)為23mJ。

1.4 碳膜電點(diǎn)火橋發(fā)火特性

試驗(yàn)選取阻值為3.0Ω、6.2Ω、9.0Ω、20.0Ω的碳膜換能元，起爆藥為斯蒂芬酸鉛和疊氮肼鎳，采用蘸藥的方式，藥量約15mg，形成試驗(yàn)樣品。試驗(yàn)方法采用的是Neyer’s D-最優(yōu)化法，試驗(yàn)樣本量為15。

1.5 低溫發(fā)火試驗(yàn)

采用GJB 150.4A-2009，試驗(yàn)選取30發(fā)6.2Ω蘸有斯蒂芬酸鉛的樣品，分為2組進(jìn)行平行試驗(yàn)，放入已恒溫在﹣(40±2)℃的低溫箱中保持4h之后，取出樣品，在5min中內(nèi)按規(guī)定對(duì)其進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)。利用D-最優(yōu)法計(jì)算得到發(fā)火電壓，并與室溫下的發(fā)火電壓進(jìn)行對(duì)比，分析低溫環(huán)境對(duì)點(diǎn)火橋的可靠性[5]造成的影響。

1.6 碳膜電點(diǎn)火橋腳-腳抗靜電性能

靜電測(cè)試裝置主要由靜電火花感度測(cè)試儀（JGY- 50III）組成，儲(chǔ)能電容為500pF，電阻為5 000Ω，試驗(yàn)采用GJB 5309.14-2004(K)方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 電點(diǎn)火橋的溫度特性

選取5.60Ω、8.89Ω、19.56Ω和38.06Ω阻值的碳膜點(diǎn)火橋，經(jīng)大量統(tǒng)計(jì)其誤差均小于±5%。每種阻值的樣品進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，每組典型樣品的溫度特性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 碳膜電點(diǎn)火橋溫度系數(shù)

Tab.1 CFB temperature coefficient

表1中2為相關(guān)系數(shù)，其平均值為0.95，說(shuō)明溫度與點(diǎn)火橋阻值呈高度的線性相關(guān)關(guān)系。從表1中可以看出，碳膜電點(diǎn)火橋?yàn)樨?fù)溫度系數(shù)，溫度的變化對(duì)點(diǎn)火橋的阻值大小影響較小，但這種特性恰恰有利于低溫下的發(fā)火，即低溫狀態(tài)時(shí)，藥劑的可點(diǎn)燃性會(huì)有所下降，而橋膜的阻值變大，能夠提高發(fā)火感度，從而保持低溫下的良好發(fā)火感度，相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了此推論。

2.2 碳膜電點(diǎn)火橋的結(jié)構(gòu)表征

利用Gaussian函數(shù)對(duì)碳膜的Raman光譜（圖2所示）進(jìn)行擬合，確定每個(gè)分峰的位置和I/I信息。

圖2 碳膜的Raman譜圖

由圖2可見(jiàn)，波數(shù)在1 594cm-1有G峰特征峰，1 360 cm-1處有D峰特征峰，ID/IG=1.053，sp2雜化鍵含量高于sp3雜化鍵，因而導(dǎo)電性能良好，可初步判定該碳膜為類石墨型碳膜。且由于sp2雜化鍵形成π鍵和其反鍵態(tài)，帶隙為0.25~2.00eV，使得非晶碳膜具有一定的半導(dǎo)體特性。驗(yàn)證了碳膜電點(diǎn)火橋?yàn)樨?fù)溫度系數(shù)的結(jié)論。

2.3 不同條件下碳膜電點(diǎn)火橋的發(fā)火特性對(duì)比

采用Neyer’s D-最優(yōu)化法，在蘸有斯蒂芬酸鉛、疊氮肼鎳兩種藥劑的條件下，對(duì)不同阻值的碳膜電點(diǎn)火橋進(jìn)行50%發(fā)火電流和發(fā)火電壓的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3~4所示。

圖3 兩種藥劑的電點(diǎn)火橋恒流發(fā)火試驗(yàn)

圖4 兩種藥劑的點(diǎn)火橋電容發(fā)火試驗(yàn)

由圖3可以看出，對(duì)于同一阻值的橋膜，蘸有疊氮肼鎳的發(fā)火電流均比斯蒂芬酸鉛的低。表明碳膜電點(diǎn)火橋?qū)ΟB氮肼鎳的恒流發(fā)火感度較好，兩種藥劑的電點(diǎn)火橋在恒流源下的發(fā)火性能都很穩(wěn)定。隨著碳膜電點(diǎn)火橋電阻的增大，全發(fā)火電流和不發(fā)火電流都呈逐漸減小的趨勢(shì)，而且全發(fā)火電流和不發(fā)火電流的區(qū)間很小，比橋絲式火工品的散布精度高。由圖4可以看出隨著電阻的增大，發(fā)火電壓先下降后上升。蘸有疊氮肼鎳的6.2Ω的點(diǎn)火橋感度較高，而蘸有斯蒂芬酸鉛的9.0Ω的點(diǎn)火橋感度高，這與橋區(qū)本身的尺寸有關(guān)系。

2.4 碳膜電點(diǎn)火橋在低溫下的發(fā)火性能

將蘸有斯蒂芬酸鉛的6.2Ω碳膜電點(diǎn)火橋在-40℃存放4h后，即刻進(jìn)行脈沖放電發(fā)火性能測(cè)試，在放電電容47μF下得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 6.2Ω碳膜電點(diǎn)火橋-LTNR低溫發(fā)火試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Low temperature ignition test of CFB-LTNR with 6.2Ω

由表2可見(jiàn)，相對(duì)于常溫條件，低溫環(huán)境(-40℃)中的碳膜電點(diǎn)火橋的發(fā)火電壓略有降低，降低幅度約2.9%~6.5%，即低溫條件下碳膜電點(diǎn)火橋的感度有微小的提高。原因在于碳材料具有負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度降低后，碳膜的電阻略有升高，因此感度有所上升，說(shuō)明碳膜電點(diǎn)火橋有望應(yīng)用于低溫環(huán)境中。

2.5 碳膜電點(diǎn)火橋腳-腳間抗靜電測(cè)試

用GJB 5309.14-2004(K)方法對(duì)碳膜電點(diǎn)火橋在斯蒂芬酸鉛裝藥條件下進(jìn)行腳-腳間抗靜電試驗(yàn)，結(jié)果20發(fā)樣品均沒(méi)有發(fā)火，說(shuō)明碳膜電點(diǎn)火橋可以耐受30kV、串聯(lián)5 000Ω、500pF的靜電放電，抗靜電能力良好。

3 結(jié)論

本文研究了基于一種新型碳材料的的碳膜電點(diǎn)火橋的性能，結(jié)果表明：（1）碳膜的電阻隨溫度降低而增大，具有較小的負(fù)溫度系數(shù)。（2）對(duì)于6.2Ω蘸有斯蒂芬酸鉛的碳膜電點(diǎn)火橋，在47μF電容放電條件下，99.9%發(fā)火電壓為21.68V，0.1%發(fā)火電壓為20.56V；恒流發(fā)火條件下，99.9%發(fā)火電流為398mA，0.1%發(fā)火電流為380mA?？梢钥闯鎏寄る婞c(diǎn)火橋的不發(fā)火區(qū)間與全發(fā)火區(qū)間小，比橋絲式火工品的散布精度高。（3）6.2Ω蘸有斯蒂芬酸鉛的碳膜電點(diǎn)火橋在-40°C放置4h后，感度略有提高（2.9%~6.5%），說(shuō)明碳膜電點(diǎn)火橋有望應(yīng)用于低溫環(huán)境；（4）碳膜電點(diǎn)火橋可以耐受30kV、串聯(lián)5 000Ω、500pF的靜電放電，抗靜電能力良好。

[1] 周蓉,岳素格,等.半導(dǎo)體橋SCB的研究[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),1998, 19(11):857-860.

[2] 葉迎華.火工品技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.

[3] Philip N.Martin.US. R. Electric actuated explosion detonator: US,6497180B1[P]. 2002-12-24.

[4] Ferrari, A .C,Robertson, J. Raman Spectroscopy in Carbons: from Nanotubes to Diamond[M]. Chemical Industry Press. 2007.

[5] 朱順官,張琳,李燕,等.碳晶膜電點(diǎn)火橋特性研究[J].火工品,2015(3):1-4.

Study on the Performance of Carbon Film Ignition Bridge

WAN Zao-yan，ZHANG Lin，ZHU Shun-guan，YI Zhen-xin

（School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094）

Carbon film ignition bridge (CFB) has been prepared by using carbon film as ignition materials, the impact of the temperature on the CFB’s ignition performance and resistance was studied, and the ignition sensitivity of two kinds of explosives frequently used was compared, at the same time, the electrostatic discharge test was carried out. The results show that CFB is one kind of easy-making ignition component, which also has negative temperature coefficient, narrow ignition range and high security, and possesses expansive application prospect.

Carbon film ignition bridge；Negative temperature coefficient；Ignition performance；Antistatic

1003-1480（2017）02-0006-03

TJ450.3

A

2017-02-01

萬(wàn)早雁（1992-），女，在讀碩士研究生，主要從事新型火工品換能元研究。