高鈍感電起爆器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能研究?

楊艷羽 王科偉 黃金紅 張 健 費 月 劉凱旋

遼寧北方華豐特種化工有限公司(遼寧撫順，113003)

0 引言

火工品是一類小型、較敏感、裝有火炸藥的爆炸元件，在很小的外界能量激發(fā)下一次性燃燒或爆炸后釋放出大功率能量，獲得某種化學(xué)、物理效應(yīng)或機械效應(yīng)[1]。 用電能作為激發(fā)能源的電起爆器廣泛應(yīng)用于武器彈藥系統(tǒng)中[2]。 隨著武器裝備使用環(huán)境由傳統(tǒng)領(lǐng)域向深空、深海、極地等新領(lǐng)域擴展，要求電起爆器能夠在極端高(低)溫、高空低氣壓以及復(fù)雜強電磁環(huán)境下可靠作用。 因此，對電起爆器的安全性和可靠性也提出了更高的要求[3-4]。 鈍感型火工品主要是通過設(shè)計合理的防靜電結(jié)構(gòu)、橋路以及鈍感藥劑等方法提高可靠性和安全性。 羅婧等[5]研究發(fā)現(xiàn)，間接影響絕緣電阻性能的工序所造成的絕緣不合格現(xiàn)象具有隱蔽性強、檢測困難等特點。 姚洪志等[6]分析了橋絲焊點與管殼最小距離以及火工藥劑的介質(zhì)耐壓對靜電放電的影響。 姚則武等[7]解決了靜電放電試驗后電阻大幅降低的問題。 李便花等[8]通過調(diào)整絕緣套管材料及尺寸等方法設(shè)計了某電點火具的防靜電結(jié)構(gòu)，解決了產(chǎn)品靜電發(fā)火的問題。

在鈍感電起爆器設(shè)計中，橋帶式火工品通過集、散熱技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的安全性和發(fā)火性，但相關(guān)設(shè)計應(yīng)用較少。 選用合適的橋帶式電起爆器并優(yōu)化產(chǎn)品防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高絕緣電阻的穩(wěn)定性和可靠性是十分必要的。本文中，根據(jù)某雙橋鈍感電起爆器(以下簡稱產(chǎn)品)主要性能指標(biāo)的要求，對電起爆器的防靜電結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，提供了橋帶設(shè)計相關(guān)的計算方法，選擇了鈍感且能保障可靠發(fā)火的藥劑，并進行了絕緣電阻、安全電流、防靜電能力、作用時間、輸出能量及抗大電流沖擊等相關(guān)試驗驗證。

1 產(chǎn)品性能指標(biāo)及發(fā)火原理

1.1 產(chǎn)品性能指標(biāo)

產(chǎn)品應(yīng)該符合安全電流和防靜電能力等通用指標(biāo)要求。 在產(chǎn)品引線與殼體之間施加500 V、1 min的直流電流，絕緣電阻應(yīng)不小于20 MΩ。 給產(chǎn)品通入5 A 的直流電流，產(chǎn)品作用時間不得大于20 ms，橋路熔斷時間應(yīng)不大于60 ms，輸出壓力應(yīng)在1～5 MPa 范圍內(nèi)。 產(chǎn)品應(yīng)能夠承受16 A 直流電流的沖擊而不失效，并能正常發(fā)火。

1.2 產(chǎn)品發(fā)火原理

產(chǎn)品的發(fā)火原理:向產(chǎn)品通入恒定電流，橋帶發(fā)熱，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱藥劑；藥劑燃燒，迅速將藥劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，同時產(chǎn)生大量的高溫氣體并形成一定的氣體壓力，完成輸出做功[9]。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

某雙橋鈍感電起爆器的最大外徑為15 mm。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為電極塞部件設(shè)計、橋帶設(shè)計和裝藥部件設(shè)計3 個部分。 圖1 為該產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)三維示意圖。

圖1 產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)的三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of external structure of the product

2.1 電極塞部件設(shè)計

電極塞部件設(shè)計包含防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計和屏蔽線連接設(shè)計。

2.1.1 防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計

該產(chǎn)品的防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計有2 種方案。 方案I是在產(chǎn)品內(nèi)部采用間隔環(huán)和陶瓷墊結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品內(nèi)部形成環(huán)形靜電泄放通道。 方案II 是設(shè)計適合產(chǎn)品使用的防靜電板，從而實現(xiàn)靜電泄放的目的。將2 種不同思路的方案進行對比和試驗驗證。

1)方案I:在產(chǎn)品電極塞輸出端分別增加間隔環(huán)和陶瓷墊，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示。 通過增加間隔環(huán)和陶瓷墊的方式，可以從環(huán)形通道進行靜電泄放，能夠避免靜電的積累導(dǎo)致靜電從產(chǎn)品內(nèi)部進行泄放。 但由于產(chǎn)品尺寸限制，只能選用厚度為1 mm 的間隔環(huán)，裝配過程中存在變形甚至破裂的可能，從而導(dǎo)致陶瓷墊不平整。 該方案使產(chǎn)品藥劑預(yù)留的空間相對較少，對于保證產(chǎn)品能量的輸出有一定的影響。

圖2 不同方案的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagrams of different schemes

2)方案II:增加防靜電板。 防靜電板主要由3部分組成，分別是插針孔、金屬膜和基板。 圖2(b)為防靜電板的結(jié)構(gòu)示意圖。 基板為0.3 mm 厚的柔性電路板，在基板的表面鍍覆一層金屬膜，基板中心對稱分布2 個插針孔。 金屬膜由基板中心線對稱分布的2 個扇形組成，且扇形圓弧外周邊界為鋸齒狀。鋸齒尖端距防靜電板邊緣的距離應(yīng)在0.3 ～0.4 mm之間。 將產(chǎn)品的插針穿過防靜電板的2 個圓形插針孔中，插針通過插針孔內(nèi)壁與金屬膜進行連接，將產(chǎn)生的靜電通過金屬膜的尖角進行釋放。 為了提高插針孔與金屬膜接觸的穩(wěn)定性，對插針孔內(nèi)壁進行了金屬化處理。

插針孔的尺寸決定了防靜電板靜電泄放的能力。 為了找到最合適產(chǎn)品的插針孔尺寸，選取15 種不同插針孔直徑的防靜電接線板，進行了裝配以及防靜電能力試驗。 圖3 為不同尺寸插針孔防靜電能力試驗的結(jié)果。

圖3 不同尺寸插針孔防靜電能力試驗對比Fig.3 Comparison of anti-static ability tests for pin holes with different sizes

如圖3 所示:當(dāng)插針孔的直徑與插針直徑差在0.04 ～0.11 mm 之間，能夠滿足防靜電能力的要求。當(dāng)插針孔直徑與插針直徑差小于0.04 mm 時，裝配過程中容易破壞插針孔內(nèi)壁上的金屬層，導(dǎo)致防靜電功能不穩(wěn)定；當(dāng)插針孔直徑與插針直徑差大于0.11 mm 時，插針與防靜電板之間的縫隙過大，容易導(dǎo)致接觸不牢固，影響靜電釋放的穩(wěn)定性。

根據(jù)產(chǎn)品電極塞部件的2 種設(shè)計結(jié)構(gòu)，在相同條件下分別裝配了10 發(fā)成品。 針對產(chǎn)品絕緣電阻、安全電流和防靜電能力的性能要求，對電極塞部件的2 種設(shè)計方案進行了對比試驗。 表1 為2 種設(shè)計方案的試驗結(jié)果。

表1 電極塞部件2 種設(shè)計方案的試驗結(jié)果對比Tab.1 Comparison of experimental results between two designed electrode plug components

根據(jù)表1 的試驗結(jié)果可以看出:2 種方案均能夠達到絕緣電阻和安全電流的指標(biāo)要求，但方案I中有2 發(fā)產(chǎn)品未能夠滿足防靜電能力的要求。

根據(jù)電極塞部件2 種設(shè)計方案的對比結(jié)果可知，方案II 的絕緣電阻性能較好，防靜電能力也相對穩(wěn)定。 對于外形尺寸較小的產(chǎn)品，0.3 mm 厚的防靜電板能夠給藥劑預(yù)留出相對較大的空間，便于調(diào)整藥量范圍。 防靜電板裝配過程簡易，能夠提高生產(chǎn)效率。 因此，電極塞部件最后選用方案II。

2.1.2 屏蔽線連接設(shè)計

產(chǎn)品尾部屏蔽線和電極塞插針進行點對點焊接時，接觸面積較小使得焊錫量相對較少，焊點不能完全包裹屏蔽線的線芯，導(dǎo)致受力點抗彎折能力較差，容易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。 因此，需要設(shè)計適合產(chǎn)品使用的接線板。

接線板主要由焊線槽、插針孔、基板、阻焊層和銅層組成。 圖4 為接線板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 接線板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of the terminal block

圖4 中，基板為1 mm 厚的柔性電路板，基板中心對稱分布2 個插針孔和2 個焊線槽。 在插針孔與焊線槽中間有近似扇形的阻焊層。 基板中間的銅層用于連接插針和焊線槽。 為了增加焊接時插針焊點和屏蔽線焊點的焊錫量，在焊線槽表面和插針孔內(nèi)壁進行金屬化處理，使得焊接更牢固。 使用焊線槽后屏蔽線的焊點更容易包裹屏蔽線的線芯，不容易出現(xiàn)彎折斷裂現(xiàn)象。

2.1.3 裝配方法

將電極塞的插針依次穿過墊片、防靜電板和接線板。 將電極塞的插針焊接在接線板的基板上，屏蔽線的線芯焊接在接線板的焊線槽上。 圖5 為電極塞部件局部結(jié)構(gòu)示意圖。

Fig.5 Schematic diagram of local structure of the electrode plug component

2.2 橋帶設(shè)計

產(chǎn)品是雙橋電起爆器，電極塞部件焊電橋表面離產(chǎn)品殼體輸出口的距離較大，屬于深槽焊接，焊接橋絲難度較大。 由于產(chǎn)品有橋路熔斷時間的指標(biāo)要求，因此，優(yōu)先考慮使用橋絲式火工品。 然而，使用橋絲式火工品存在焊接工藝耗時長、不能滿足雙橋的電阻差小于等于0.2 Ω 的要求等問題；因此，考慮使用激光點焊技術(shù)進行橋帶焊接，能夠有效地解決該問題。

將橋帶設(shè)計為Z 字型，橋帶厚度為0.02 mm，橋帶寬度為0.32 mm。 橋帶選用Cr20Ni80 鎳鉻合金帶，電阻率為1.09 ×10-6Ω·m，密度為8 400 kg/m3，比熱為460 J/(kg·℃)，溫度系數(shù)為0. 001 5℃-1，熔點為1 400 ℃。 接觸藥劑導(dǎo)熱系數(shù)為14.76 W/(m·K)。 橋帶電阻為(1.0 ±0.1)Ω。 但由于橋帶設(shè)計為Z 字型，電流是按照最近路徑進行傳導(dǎo)的，因此，實際電阻測量值會小于理論計算電阻。

橋帶有效長度是指將橋帶等效成一字型的理論長度，選擇橋帶的形狀和材料后，可計算橋帶的有效長度

式中:R為橋帶電阻；ρ1為電阻率；S為導(dǎo)體材料橫截面積。

根據(jù)式(1)可估算出橋帶有效長度約為5.7 ×10-3m。

為了使橋帶達到橋路熔斷時間不大于60 ms 的要求，使用橋帶升溫數(shù)學(xué)模型進行計算[10]。 橋帶升溫方程左邊為橋帶升溫吸熱速率，右邊為橋帶通入電流的產(chǎn)熱速率減橋帶向接觸藥劑的散熱速率:

式中:V為橋帶體積；ρ2為橋帶材料密度；c為橋帶材料比熱容；t為通電時間；I為輸入電流；α為橋帶材料電阻溫度系數(shù)；λ為接觸藥劑的導(dǎo)熱系數(shù)；T為橋帶溫度；T0為初始環(huán)境溫度；r1為橋帶表面到橋帶中心的距離；r2為接觸藥劑外表面到橋帶中心的距離。

將初始條件T｜t ＝0＝T0代入式(2)中，可以得到不同輸入電流下橋帶升溫曲線，見圖6。

圖6 不同輸入電流下橋帶的升溫曲線Fig.6 Temperature rise curves of bridge band under different input currents

如圖6 所示，當(dāng)輸入電流為5 A 時，橋帶熔斷時間在4.5 ～9.0 ms 之間。

2.3 裝藥部件設(shè)計

在電極塞部件的輸出端用環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)一個階梯狀裝藥塊。 該裝藥塊內(nèi)分別裝壓引燃藥和主裝藥，引燃藥緊貼著電極塞部件的輸出端。

硼/硝酸鉀點火藥是一種性能優(yōu)良的高能點火藥，具有高輸出性和可靠性等優(yōu)點[11-14]。 因此，選擇硼/硝酸鉀點火藥為產(chǎn)品的主裝藥。 根據(jù)硼/硝酸鉀點火藥幾何形狀和規(guī)格尺寸的不同，選擇3 種規(guī)格(B1 型、C7 型和D8 型)的硼/硝酸鉀點火藥進行感度試驗對比。

3 種硼/硝酸鉀點火藥的組成成分均為硼粉、硝酸鉀和黏合劑，且硼粉中無定形硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為90% ～92%。 其中，B1 型和D8 型點火藥的黏合劑為不飽和聚酯樹脂、環(huán)烷酸鈷和過氧化甲乙基酮；而C7 型點火藥的黏合劑只有不飽和聚酯樹脂。 B1 型點火藥的硝酸鉀為600 目下；C7 型和D8 型點火藥的硝酸鉀為200～320 目。

感度試驗的硼/硝酸鉀點火藥藥量均為20 mg，測試數(shù)量均為25 發(fā)。 機械撞擊感度試驗、摩擦感度試驗和火焰感度試驗分別采用的儀器為CGY-1 型機械撞擊感度儀、MGY-1 型擺式摩擦感度儀和HGY-1 型火焰感度儀。 感度試驗均采用爆炸概率法進行計算，得到了試樣的發(fā)火率。 表2 為3 種硼/硝酸鉀點火藥感度試驗的結(jié)果。

表2 3 種硼/硝酸鉀點火藥的感度試驗結(jié)果Tab.2 Sensitivity test results of three kinds of boron/potassium nitrate ignition

如表2 所示，D8 型硼/硝酸鉀點火藥的火焰感度最高，能夠保證產(chǎn)品穩(wěn)定發(fā)火。 因此，產(chǎn)品的主裝藥選用D8 型硼/硝酸鉀點火藥。 產(chǎn)品總藥量

式中:p為輸出壓強；V1為測壓器容積；F為火藥力；X為熱損失修正系數(shù)。

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)定的輸出壓力范圍和藥劑的相關(guān)參數(shù)，可以計算出該產(chǎn)品所使用的總藥量范圍。

在安全電流1 A、1 W、5 min 不發(fā)火的鈍感火工品設(shè)計中，引燃藥常選用起爆藥或混合藥劑。 選用三硝基間苯二酚鉛、三硝基間苯二酚鋇和鋯/高氯酸鉀這3 種藥劑作為引燃藥，在相同藥量和裝配條件下分別裝配5 發(fā)產(chǎn)品，與D8 型硼/硝酸鉀點火藥裝壓入產(chǎn)品后，進行安全電流試驗。 表3 為3 種引燃藥的安全電流的試驗結(jié)果。

表3 3 種引燃藥的安全電流試驗結(jié)果Tab.3 Safety current test results of three ignition charges

如表3 所示，鋯/高氯酸鉀和硼/硝酸鉀配合使用能夠滿足安全電流的要求。 將鋯/高氯酸鉀和硼/硝酸鉀配合使用的方案進行發(fā)火試驗，產(chǎn)品可靠發(fā)火，且輸出能量也可滿足產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)要求。

3 主要性能指標(biāo)驗證

3.1 主要性能指標(biāo)的測量和試驗方法

該產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)測量和試驗方法均符合《火工品試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的要求[15]。

防靜電能力試驗采用JGY 靜電感度儀測量電起爆器對模擬人體靜電的感度情況。 發(fā)火模式為腳-殼模式，將產(chǎn)品殼體作為連接的一極，將產(chǎn)品的2 條引線進行短路作為連接的另一極，進行靜電放電試驗。

發(fā)火試驗中，連接發(fā)火觸發(fā)同步裝置和壓力傳感器，給產(chǎn)品施加發(fā)火電流，壓力傳感器輸出一個和壓力變化相對應(yīng)的電信號，測得輸出壓力隨通電時間變化的曲線，見圖7。 發(fā)火觸發(fā)同步裝置的取樣電阻自動測得橋帶自通電(t＝0 ms)至熔斷(t＝6 ms)時橋路兩端的電壓變化曲線，見圖8。

圖7 輸出壓力-通電時間變化曲線Fig.7 Curves of output pressure-time

圖8 橋帶自通電至熔斷時橋路兩端電壓的變化曲線Fig.8 Variation curve of voltage at both ends of the bridge circuit from power on to bridge belt melting

結(jié)合圖7 和圖8，對產(chǎn)品發(fā)火后輸出的曲線相應(yīng)位置進行測量，分別記錄從通電到開始發(fā)火的時間、從開始發(fā)火到峰值壓力的時間、橋路熔斷時間以及輸出壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2 主要性能指標(biāo)驗證

裝配10 發(fā)產(chǎn)品進行絕緣電阻、防靜電能力和安全電流試驗，試驗結(jié)果均符合要求。 給產(chǎn)品通入5 A 的直流電流，檢驗產(chǎn)品是否能夠可靠發(fā)火并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。 表4 為10 發(fā)產(chǎn)品發(fā)火性能摸底試驗的結(jié)果。

表4 10 發(fā)產(chǎn)品發(fā)火性能試驗結(jié)果Tab.4 Results of the ignition performance test for ten products

根據(jù)表4 數(shù)據(jù)知:輸出壓力在要求的1～5 MPa范圍內(nèi)。 產(chǎn)品平均作用時間為7.37 ms，符合不得大于20 ms 的要求；橋路的平均熔斷時間為5. 76 ms，符合不大于60 ms 的要求。

為了檢驗產(chǎn)品的安全性和發(fā)火可靠性，裝配10發(fā)產(chǎn)品進行了安全性及發(fā)火可靠性摸底試驗，結(jié)果見表5。

表5 產(chǎn)品安全性及發(fā)火可靠性試驗結(jié)果Tab.5 Test results of safety and ignition reliability for products

根據(jù)表5，經(jīng)過產(chǎn)品安全性試驗驗證，1.5 A、2.25 W、5 min 情況下產(chǎn)品均未發(fā)火，相比安全電流所要求的1 A、1 W、5 min 條件，具有一定的裕度。在抗大電流沖擊和小電流發(fā)火的極限條件下，產(chǎn)品仍然能進行可靠發(fā)火。

4 結(jié)論

采用增加防靜電板和接線板、合理的橋帶以及鈍感的藥劑設(shè)計，能夠使產(chǎn)品同時滿足絕緣電阻、安全電流、防靜電能力、作用時間、輸出能量及抗大電流沖擊等要求。

通過研究得到以下結(jié)論:

1)采用防靜電板設(shè)計的產(chǎn)品絕緣電阻性能較好，防靜電能力相對穩(wěn)定。 對于外形尺寸較小的產(chǎn)品，0.3 mm 厚的防靜電板能夠給藥劑預(yù)留出相對較大的空間，便于調(diào)整藥量范圍。 防靜電板裝配過程簡易，能夠提高生產(chǎn)效率。

2)采用接線板設(shè)計使屏蔽線的焊點更容易包裹屏蔽線的線芯，能夠解決屏蔽線彎折斷裂現(xiàn)象。

3)當(dāng)橋帶厚度為0. 02 mm、寬度為0. 32 mm時，能夠滿足橋路熔斷時間不大于60 ms 的要求。

4)鋯/高氯酸鉀引燃藥和硼/硝酸鉀點火藥配合使用，能夠滿足安全電流1 A、1 W、5 min 的鈍感要求。 D8 型硼/硝酸鉀點火藥的火焰感度高，能夠保證產(chǎn)品發(fā)火可靠。 為鈍感電起爆器設(shè)計提供了技術(shù)支持。