熱電池激活回路電阻變化測(cè)試與分析 ①

余福山，康二維，王軍平，孫現(xiàn)忠，張繼智，白銀祥

(西安北方慶華機(jī)電有限公司，陜西 西安 710025)

1 引言

熱電池屬于熱激活一次貯備化學(xué)電源，工作時(shí)通過武器系統(tǒng)給熱電池發(fā)火裝置輸入一個(gè)外加能量來實(shí)現(xiàn)激活。目前利用武器系統(tǒng)提供的電能使熱電池內(nèi)部的電點(diǎn)火頭發(fā)火從而點(diǎn)燃熱電池內(nèi)部的加熱系統(tǒng)使熱電池工作，這種電激活方式是熱電池的主要激活方式[1-4]。電激活熱電池激活回路電阻是指熱電池接受武器系統(tǒng)激活電能的兩個(gè)輸入端之間的電阻值，由熱電池的電纜線電阻、接線柱電阻、電點(diǎn)火頭引線和其橋絲電阻等構(gòu)成。激活回路作為熱電池的重要組成部分，其可靠性將直接影響熱電池工作的可靠性；同時(shí)其作為與武器系統(tǒng)對(duì)接的電氣接口，作用過程電阻的變化將直接影響武器系統(tǒng)點(diǎn)火電源工作的可靠性和安全性。

鑒于目前熱電池的技術(shù)更多集中于電極材料、保溫材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)熱電池激活回路電阻變化規(guī)律研究極少。本文設(shè)計(jì)了測(cè)試電路，對(duì)橋絲類電點(diǎn)火頭作用過程及采用其裝配的熱電池激活工作過程激活回路的電阻變化趨勢(shì)進(jìn)行了測(cè)試，并結(jié)合內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料的變化進(jìn)行機(jī)理分析，提出了電激活熱電池在激活和作用過程激活回路電阻隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可為兩個(gè)及以上單元熱電池組的激活電路的設(shè)計(jì)提供參考，有助于武器平臺(tái)激活電氣系統(tǒng)的安全、可靠點(diǎn)火電路的控制設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文采用某制式橋絲類電點(diǎn)火頭50個(gè)，該型電點(diǎn)火頭裝配熱電池20發(fā)進(jìn)行測(cè)試。其中熱電池電堆直徑40 mm，引燃條徑向長(zhǎng)度約40 mm，電點(diǎn)火頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，其性能參數(shù)見表1，熱電池結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，引燃條采用鋯系加熱紙裁制而成，加熱片為鐵加熱片。

圖1 電點(diǎn)火頭結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.1 Structural diagram of electric match.

表1 電點(diǎn)火頭性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of electric match.

圖2 熱電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of thermal battery.

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與條件

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

電點(diǎn)火頭的發(fā)火時(shí)間和電阻變化測(cè)試采用發(fā)火時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)；單元熱電池激活回路電阻變化測(cè)試儀器詳見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試儀器明細(xì)Table 2 Detail of test instruments used in the experiment.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)條件

數(shù)據(jù)采集儀采樣率設(shè)定為20 KS/s,采集單元5 ms一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行電阻采集。電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)間測(cè)試原理圖見圖3。單元熱電池選用-50 ℃～+70 ℃的測(cè)試溫度范圍，在環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行低溫、高溫恒溫2 h后進(jìn)行激活回路電阻值測(cè)試。單元熱電池激活過程激活回路電阻變化測(cè)試原理圖見圖4。通過測(cè)定電點(diǎn)火頭的阻值和測(cè)試線纜的線阻，調(diào)節(jié)直流電源的電壓值或者電流值，控制發(fā)火條件。

圖3 電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)間測(cè)試原理圖Fig.3 Test diagram of ignition time of electric match.

圖4 激活回路電阻變化測(cè)試原理圖Fig.4 Test diagram of resistance change of activation circuit.

3 結(jié)果與討論

3.1 電點(diǎn)火頭作用過程電阻測(cè)試結(jié)果與分析

在自然環(huán)境中，按照?qǐng)D3的測(cè)試線路對(duì)電點(diǎn)火頭發(fā)火時(shí)間和電阻值變化進(jìn)行了測(cè)試，50個(gè)電點(diǎn)火頭的平均發(fā)火時(shí)間、發(fā)火時(shí)間極差、電阻值變化測(cè)試結(jié)果見表3。從表3可以發(fā)現(xiàn)，電點(diǎn)火頭的發(fā)火時(shí)間均值為2.208 ms，發(fā)火過程電點(diǎn)火頭阻值增大了0.748 Ω，作用后橋絲斷開，其阻值變?yōu)闊o窮大。

表3 50個(gè)電點(diǎn)火頭發(fā)火過程測(cè)試數(shù)據(jù)均值Table 3 Mean valves of test data of 50 electric match of ignition processes.

按照電點(diǎn)火頭的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理，激活加電過程時(shí)序如圖5所示，分為橋絲升溫過程、點(diǎn)火藥的吸熱反應(yīng)延滯期、燃燒和橋絲熔斷過程，將加電作用過程分解為橋絲升溫時(shí)間(AC時(shí)間段)和點(diǎn)火藥爆發(fā)延滯期(CE時(shí)間段)比僅用發(fā)火時(shí)間來描述更能準(zhǔn)確地反映電點(diǎn)火頭作用過程。首先，橋絲通電發(fā)熱，變化點(diǎn)在橋絲與藥劑處，遵循金屬與合金材料的電阻變化規(guī)律，其計(jì)算公式為：

R=R0(1+aT)

(1)

式中，R為橋絲溫度變化后的電阻值，R0為橋絲初始電阻值，a為材料的電阻溫度系數(shù)，T為溫度變化值。鎳鉻合金絲的電阻溫度系數(shù)為正值，橋絲加電發(fā)熱溫度升高電阻增大，在高溫作用下藥劑爆燃，沖擊波作用下橋絲斷開，生成物殘?jiān)蛲鈬鷶U(kuò)散，點(diǎn)火頭作用后電阻趨于無窮大，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合，某電點(diǎn)火頭作用過程實(shí)測(cè)見圖6。

圖5 電點(diǎn)火頭作用機(jī)理和時(shí)序示意圖Fig.5 Action mechanism and sequence diagram of electric match.

圖6 自然環(huán)境下某電點(diǎn)火頭作用過程實(shí)測(cè)圖Fig.6 Measured diagram of action process of the electric match under natural environment.

3.2 不同環(huán)境溫度激活回路電阻測(cè)試結(jié)果與分析

在-50 ℃～+70 ℃的貯存溫度范圍內(nèi)，每隔30 ℃對(duì)20發(fā)熱電池激活回路電阻進(jìn)行測(cè)試，在-50 ℃和+70 ℃兩個(gè)邊界溫度條件下，測(cè)得的電池激活回路的電阻值變化范圍：0.051 Ω～0.079 Ω，平均值為0.065 Ω。

推測(cè)變化原因：激活回路組成的導(dǎo)線、橋絲合金材料電阻隨溫度的變化而引起。組成激活回路的導(dǎo)線材料電阻溫度系數(shù)詳見表4。從表中物理參數(shù)可知，電點(diǎn)火頭鎳鉻合金電阻與金屬導(dǎo)線的電阻相比高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，-50 ℃和+70 ℃兩個(gè)邊界溫度條件下熱電池激活回路電阻的變化主要是由電點(diǎn)火頭橋絲的阻值變化引起?？紤]到鎳鉻合金絲0 ℃～100 ℃溫度范圍內(nèi)其電阻溫度系數(shù)為常數(shù)，本文在-50 ℃和+70 ℃兩個(gè)邊界溫度區(qū)間也近似以常數(shù)處理，

ΔR=R-R0

(2)

式中，R為溫度變化后電阻值，R0為50個(gè)電點(diǎn)火頭電阻的平均值。依據(jù)公式(1)及(2)，可知鎳鉻合金絲電阻平均變化值ΔR：

R=3.188 Ω×(1+1.6×10-4/℃×120 ℃)=3.249 Ω；

ΔR=(3.249-3.188)Ω=0.061 Ω；

這與測(cè)試的激活回路電阻變化均值0.065 Ω非常接近。

表4 激活回路導(dǎo)線電阻和溫度系數(shù)Table 4 The wire resistance and temperature coefficient of activation circuit.

3.3 激活過程激活回路電阻測(cè)試結(jié)果與分析

激活過程熱電池激活回路加載的電壓隨時(shí)間變化曲線見圖7，激活回路電阻隨時(shí)間變化曲線見圖8。從曲線的電壓變化和電阻變化可知，激活過程熱電池激活回路電阻的主要變化有三個(gè)階段：①回路電阻微升階段(0點(diǎn)到a點(diǎn)時(shí)間段)、②回路電阻開路階段(ac時(shí)間段)、③回路電阻隨機(jī)變化階段(cd及de時(shí)間段)。

①回路電阻微升階段(0點(diǎn)到a點(diǎn)時(shí)間段)：從圖7曲線數(shù)據(jù)可知，電點(diǎn)火頭從加電到作用持續(xù)時(shí)間2.43 ms(圖7的CD段)，作用后點(diǎn)火頭電阻趨于無窮大。由圖2熱電池激活回路內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，電點(diǎn)火頭發(fā)火部分處于空腔之中，電點(diǎn)火頭又是熱電池中的首發(fā)部件，激活回路加電點(diǎn)火頭發(fā)作用過程的持續(xù)時(shí)間和電阻變化與電點(diǎn)火頭在自然環(huán)境的作用規(guī)律一致。

②回路電阻開路階段(ac時(shí)間段)：通過對(duì)圖7和圖8曲線對(duì)比可知，電點(diǎn)火頭加電2.43 ms后，回路電阻急劇增大，40 ms左右(圖8中b點(diǎn))出現(xiàn)回路阻值的最大值達(dá)到9 423.5 Ω，隨后開始下降，85 ms左右下降到3 000.0 Ω。

圖7 熱電池電點(diǎn)火頭熔斷時(shí)間測(cè)試圖Fig.7 Measured diagram of fusing time of electric match in thermal battery.注：(AB為未加載電壓段，CD為橋絲升溫和點(diǎn)火藥反應(yīng)燃爆段，EF為橋絲熔斷段)Add:(AB is the unloaded voltage section,CD is the bridge wire heating and ignition charge reaction explosion section,EF is the bridge wire fusing section)

圖8 發(fā)火過程激活回路電阻變化曲線Fig.8 The curve of resistance changes of activation circuit of ignition processes.

對(duì)此，結(jié)合熱電池及相關(guān)藥劑作用過程，本文認(rèn)為造成此現(xiàn)象的因素一是與熱電池電點(diǎn)火頭點(diǎn)燃引燃條、引燃條沿徑向傳火的過程相關(guān)。二是與引燃條產(chǎn)生的熱量有關(guān)。熱電池引燃條通常設(shè)計(jì)采用鋯系加熱紙，寬度7 mm～8 mm。徑向尺寸依據(jù)電堆的直徑而定，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所用熱電池電堆直徑為40 mm，引燃條徑向長(zhǎng)度40 mm，其質(zhì)量約200 mg，熱值按1 882.8 J/g計(jì)算，產(chǎn)生熱量376.6 J。持續(xù)時(shí)間等于引燃條燃燒時(shí)間，按照鋯系引燃條燃速200 mm·s-1[5]，引燃條單邊作用距離為20 mm,作用時(shí)間為20 mm/200 mm·s-1=0.10 s。此燃燒過程產(chǎn)生的熱量低，不足以導(dǎo)致電點(diǎn)火頭捻合引線處絕緣材料熱分解破損進(jìn)而使其短路。通過上述分析可知，熱電池內(nèi)部引燃條傳火作用時(shí)間約100 ms，激活回路電阻的變化與電點(diǎn)火頭在自然環(huán)境下作用的電阻變化規(guī)律相似。

③回路電阻隨機(jī)變化階段(cd及de時(shí)間段)：從圖8曲線看到，85 ms左右激活回路電阻值開始下降(cd時(shí)間段)，到100 ms左右時(shí)接近于短路狀態(tài)(d點(diǎn))，隨后又逐漸上升，為開路和短路間的隨機(jī)值(de時(shí)間段)。

對(duì)此，結(jié)合熱電池及相關(guān)藥劑作用過程，本文認(rèn)為造成此現(xiàn)象的原因如下：一是與導(dǎo)線絕緣材變化有關(guān)。熱電池內(nèi)部加熱片點(diǎn)燃后，內(nèi)部溫度迅速升高到500 ℃以上，電點(diǎn)火頭的捻合導(dǎo)線絕緣材料聚氯乙烯170 ℃開始燒蝕分解，導(dǎo)線絕緣性下降，電堆在高溫下膨脹，在縱向產(chǎn)生壓力進(jìn)一步使電點(diǎn)火頭捻合導(dǎo)線容易搭接，致使激活回路電阻從接近開路狀態(tài)下降甚至短路。二是與藥劑作用產(chǎn)物有一定關(guān)系。電點(diǎn)火頭藥劑三硝基間苯二酚鉛的爆炸反應(yīng)如下：

2C6H(NO2)3O2Pb·H2O→9CO+3CO2+3H2O+3N2+2Pb。

另外，由反應(yīng)可知：電點(diǎn)火頭的燃爆反應(yīng)產(chǎn)物有金屬鉛殘?jiān)?，其熔點(diǎn)只有327.5 ℃，電池內(nèi)部的高溫下會(huì)使金屬殘?jiān)廴冢S機(jī)性附著在引線上也會(huì)導(dǎo)致引線之間出現(xiàn)搭接造成回路電阻下降。

表5 20發(fā)熱電池作用24 h激活回路阻值測(cè)量值Table 5 The measured valves of activation circuit of 20 thermal batteries after action for 24 h.

然后隨著熱電池內(nèi)部反應(yīng)的進(jìn)行，直至結(jié)束，其內(nèi)部溫度和壓力的逐步降低，每個(gè)單元熱電池作用后電點(diǎn)火頭捻合導(dǎo)線的接搭程度、金屬殘?jiān)母街Y(jié)構(gòu)狀態(tài)因個(gè)體差異，激活回路電阻會(huì)出現(xiàn)短路、阻值增大甚至接近開路的不同結(jié)果。為進(jìn)一步驗(yàn)證此結(jié)論，對(duì)已完成工作的20發(fā)熱電池放置24 h后，對(duì)其激活回路電阻進(jìn)行跟蹤測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見表5，可知激活回路阻值的變化規(guī)律與上述分析及文獻(xiàn)報(bào)道基本相符[6]。

4 結(jié)論

通過對(duì)某制式橋絲類電點(diǎn)火頭及采用其裝配的熱電池激活回路電阻的測(cè)試，及變化機(jī)理分析，給出了貯存過程、使用過程熱電池激活回路電阻的變化趨勢(shì)，結(jié)論及建議如下：

1)熱電池激活回路電阻值在激活前隨貯存溫度的微小變化，在高、低溫貯存極限條件下，阻值極差不會(huì)超過激活回路電阻的2%，通過阻值測(cè)定可以判定電池工作與否。

2)激活回路電阻在激活過程有三個(gè)變化階段：一是阻值微增過程；二是阻值近似開路過程；三是阻值在開路和短路之間的隨機(jī)值。

3)建議：由于熱電池作用過程激活回路電阻變化的不確定性，建議在熱電池激活回路設(shè)計(jì)時(shí)使用限流電阻或熔斷電阻，在滿足線路功率要求的情況下，能夠保證武器系統(tǒng)點(diǎn)火電源的可靠性和安全性。