馬健行 王彥君 陳華東 徐建勇 黃寅生 毛 立

①南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司(四川瀘州，646000)

③上海美同安防工程科技有限公司(上海，200090)

引言

在電火工品中應(yīng)用的換能元主要有橋絲(BW)[1]、金屬薄膜(MF)[2-3]和半導(dǎo)體橋(SCB)[4]。其中，橋絲主要由鎳鉻合金構(gòu)成；金屬薄膜有鎳鉻合金膜、鉑膜[5]；半導(dǎo)體橋也分為多晶硅半導(dǎo)體橋[6]、含能半導(dǎo)體橋[7]等。Jiang 等[8]設(shè)計(jì)了一種V 型金屬膜，測(cè)試結(jié)果表明，金屬膜點(diǎn)火元件滿足1A、1 W、5 min 條件下不點(diǎn)火的安全要求。任小明等[9]制備了鎳鉻薄膜換能元，并對(duì)其發(fā)火性能進(jìn)行了測(cè)試。樊志偉等[10]對(duì)半導(dǎo)體橋裸橋及涂斯蒂芬酸鉛(LTNR)時(shí)的電爆發(fā)火特性進(jìn)行了研究。

點(diǎn)火元件是實(shí)現(xiàn)起爆、點(diǎn)火和做功等功能的重要火工品部件，其藥劑的理化因素、點(diǎn)火條件與藥劑的匹配關(guān)系等均可影響點(diǎn)火過程。在電雷管的相關(guān)研究中，橋絲材質(zhì)及尺寸、藥頭質(zhì)量及藥劑組分、橋絲焊接狀態(tài)、藥劑與橋絲接觸狀態(tài)等均是影響點(diǎn)火元件發(fā)火性能的因素。但目前對(duì)于點(diǎn)火元件的研究較多地局限于單一換能元配合點(diǎn)火藥劑的點(diǎn)火特性，對(duì)不同換能元搭配不同點(diǎn)火藥劑的點(diǎn)火關(guān)系少有研究。

密閉爆發(fā)器試驗(yàn)是測(cè)量火藥在定容高壓下燃燒過程中壓力變化規(guī)律的一種裝置。利用密閉爆發(fā)器對(duì)同種發(fā)射藥在不同點(diǎn)火條件下的燃燒過程進(jìn)行研究，可分析點(diǎn)火條件對(duì)發(fā)射藥燃燒性能的影響。張小兵等[11]改變了點(diǎn)火能量與電能密度，探究了不同條件下等離子體點(diǎn)火對(duì)發(fā)射藥燃燒的影響。李煜等[12]對(duì)不同點(diǎn)火強(qiáng)度下可燃藥筒的燃燒特性進(jìn)行了研究。

在本文中，以單一種類發(fā)射藥為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)不同種類的點(diǎn)火元件進(jìn)行點(diǎn)火，探究不同點(diǎn)火元件對(duì)發(fā)射藥燃燒性能的影響，從而研究點(diǎn)火藥與典型換能元的匹配關(guān)系。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

點(diǎn)火藥分別為Pb(SCN)2/KClO3及Zr/Pb3O4，黏合劑為硝化棉。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，選用較易點(diǎn)燃的5.8 系雙基發(fā)射藥，形貌為黃色細(xì)小顆粒，如圖1 所示。

換能元分別為橋絲和金屬薄膜。橋絲選用直徑0.04 mm、電阻率897 Ω/m 的鎳鉻合金絲，長(zhǎng)度為2.4 mm。金屬薄膜的發(fā)熱層材料為鎳鉻合金，厚度3～6 μm，長(zhǎng)0.8 mm，寬0.18 mm；載體層為耐高溫玻璃纖維布，表面涂有聚酰亞胺改性環(huán)氧樹脂作為膠體層，背面設(shè)有銅箔焊接層；載體層與發(fā)熱層之間使用高溫壓合工藝進(jìn)行黏接固化[13]。具體點(diǎn)火元件實(shí)物如圖2；金屬薄膜換能元的結(jié)構(gòu)見圖3。

使用安捷倫34410A 型數(shù)字萬用表測(cè)量2 種不帶藥劑的點(diǎn)火元件的電阻，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表1中可以看出，金屬薄膜電阻的標(biāo)準(zhǔn)差(0.018 Ω)明顯小于橋絲電阻的標(biāo)準(zhǔn)差(0.106 Ω)，其電阻分布較為集中。

表1 兩種點(diǎn)火元件的電阻Tab.1 Resistance of two ignition elements

1.2 試驗(yàn)儀器及原理

試驗(yàn)裝置由恒流源、密閉爆發(fā)器、壓力傳感器、電荷放大器和示波器等組成。密閉爆發(fā)器標(biāo)稱容積為25 mL；采用量程10 MPa、精度0.3%的ZQ-Y 型壓力傳感器以及HY1001 型電荷放大器；示波器型號(hào)為泰克MDO3054；恒流源為DC9801 型智能雷管電參數(shù)測(cè)試儀。

作為點(diǎn)火系統(tǒng)，恒流源通電激發(fā)密閉爆發(fā)器內(nèi)的點(diǎn)火元件；點(diǎn)火藥發(fā)火并點(diǎn)燃發(fā)射藥；發(fā)射藥在密閉爆發(fā)器內(nèi)燃燒，并生成大量氣體。由于密閉爆發(fā)器容積較為固定，因此氣體壓力迅速上升；與此同時(shí)，發(fā)射藥燃燒的反應(yīng)熱使氣體溫度迅速升高；高溫、高壓氣體作用于壓力傳感器上，產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)由電荷放大器放大并輸送至示波器中記錄；記錄數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到p-t曲線。過程如圖4 所示。

1.3 試驗(yàn)方法

點(diǎn)火藥制作方法:稱取占點(diǎn)火藥質(zhì)量5%的硝化棉放入乙酸乙酯溶液；待乙酸乙酯溶液中的黃色絮狀硝化棉完全溶解后，將溶液攪勻；加入點(diǎn)火藥各組分，用橡膠棒緩慢攪拌藥劑溶液，直至藥劑混勻呈漿狀且顏色均一。

蘸取漿狀點(diǎn)火藥涂覆在換能元發(fā)火區(qū)域，待乙酸乙酯揮發(fā)后再進(jìn)行下一次涂覆。重復(fù)此步驟，以獲得試驗(yàn)所需點(diǎn)火元件。涂覆藥劑前，對(duì)點(diǎn)火元件進(jìn)行編號(hào)、稱重，以此控制每發(fā)點(diǎn)火元件藥頭質(zhì)量，獲得試驗(yàn)所需藥頭質(zhì)量。

每發(fā)密閉爆發(fā)器試驗(yàn)都采用小藥包的形式進(jìn)行。在密封袋中放入定量的5.8 系雙基發(fā)射藥，將涂覆有點(diǎn)火藥的點(diǎn)火元件一同放入，調(diào)整位置，確保點(diǎn)火元件的點(diǎn)火藥部分處于發(fā)射藥中間位置，防止點(diǎn)火藥在完全點(diǎn)燃發(fā)射藥前便燒穿密封袋，影響實(shí)驗(yàn)。并用膠帶、鐵絲將密封袋封閉、固定，防止藥包中的發(fā)射藥漏出以及密封袋體積有較大變化致使試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。將點(diǎn)火元件兩端的腳線纏至密閉爆發(fā)器點(diǎn)火堵頭上的點(diǎn)火電極。安裝好密閉爆發(fā)器后，恒流源通電，點(diǎn)燃藥包。為確保每發(fā)藥包中的點(diǎn)火元件均成功發(fā)火及試驗(yàn)過程一致，每發(fā)通電條件均設(shè)置為1.000 A、100 ms。點(diǎn)燃藥包后，壓力傳感器將信號(hào)傳遞到示波器上，保存數(shù)據(jù)，即完成試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

測(cè)量數(shù)據(jù)中存在耦合噪聲干擾，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。利用Origin 繪圖軟件的平滑功能，使用Savitzky-Golay 方法，選取適當(dāng)?shù)拇翱邳c(diǎn)數(shù)進(jìn)行平滑，得到p-t曲線。

2.1 點(diǎn)火藥量對(duì)壓力信號(hào)的影響

圖5 為不同藥量的金屬薄膜-硫氰酸鉛點(diǎn)火元件MF-Pb(SCN)2/KClO3點(diǎn)火所產(chǎn)生的p-t曲線?？梢钥闯?，所有藥包在達(dá)到最大壓力后均會(huì)出現(xiàn)一個(gè)壓力平臺(tái)，這可以用加熱層點(diǎn)火理論解釋。

加熱層點(diǎn)火理論[14-15]認(rèn)為，火藥裝藥的點(diǎn)燃與持續(xù)燃燒不僅需要點(diǎn)火熱源將火藥表面加熱到著火溫度，還需要將熱量向火藥內(nèi)部傳導(dǎo)，形成適當(dāng)厚度的加熱層。因此，建立壓力的階段是點(diǎn)火藥的高溫產(chǎn)物加熱點(diǎn)燃發(fā)射藥，與發(fā)射藥擴(kuò)散燃燒共同作用的結(jié)果。壓力平臺(tái)的形成是因?yàn)辄c(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物傳播結(jié)束，僅由發(fā)射藥燃燒產(chǎn)物繼續(xù)擴(kuò)散燃燒，燃燒溫度在各點(diǎn)較為統(tǒng)一，從而形成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的壓力，直至藥包內(nèi)某一方向的發(fā)射藥燃燒完成，壓力開始下降。

將壓力由開始上升到最大所經(jīng)過的時(shí)間定義為升壓時(shí)間；將最大壓力與升壓時(shí)間的比值定義為增壓速率。增壓速率越高，表明點(diǎn)火元件對(duì)發(fā)射藥的點(diǎn)火效能越好。通過圖5 可以看出，隨著點(diǎn)火藥量的增加，升壓時(shí)間與增壓速率均有一定的提升。為更直觀地展現(xiàn)點(diǎn)火藥量的增加對(duì)藥包壓力輸出的影響，計(jì)算得到點(diǎn)火元件的增壓速率。以增壓速率為y軸，所用點(diǎn)火藥量為x軸得到散點(diǎn)圖，對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，得到圖6。

如圖6 所示，隨著Pb(SCN)2/KClO3藥量的增加，增壓速率也基本隨之呈現(xiàn)線性上升。這是由于Pb(SCN)2/KClO3點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物中含有CO2、NO2等較多的氣體，可依靠氣流進(jìn)行熱傳導(dǎo)，從而點(diǎn)燃遠(yuǎn)離點(diǎn)火元件的發(fā)射藥。因此，藥包中發(fā)射藥的裝填密度對(duì)其點(diǎn)火效果影響較小。隨著點(diǎn)火藥量增加，在單位時(shí)間內(nèi)可被點(diǎn)燃的發(fā)射藥隨之上升，因此，Pb(SCN)2/KClO3點(diǎn)火藥藥量與增壓速率有較好的線性相關(guān)度。

2.2 藥劑差異對(duì)壓力信號(hào)的影響

火工品可使用的點(diǎn)火藥劑種類較多。藥劑組成成分、配比的不同使得藥劑之間的比容、燃燒熱、殘?jiān)?、產(chǎn)氣量等各項(xiàng)性能存在較大差異，藥劑的點(diǎn)火能力也因此存在差異。

圖7 為相同換能元(金屬薄膜)與相同點(diǎn)火藥量(4.8 mg)下不同點(diǎn)火藥點(diǎn)燃藥包獲得的p-t曲線。由圖7 可明顯看出，4.8 mg Pb(SCN)2/KClO3點(diǎn)火藥的增壓速率要高于4.8 mg 的Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥，且Pb(SCN)2/KClO3藥包的壓力平臺(tái)維持時(shí)間長(zhǎng)于Zr/Pb3O4藥包的維持時(shí)間。推斷出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因?yàn)?Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥中作為氧化劑的Pb3O4性質(zhì)較為穩(wěn)定，500 ℃才開始分解，而鋯粉的著火溫度僅為80～350 ℃。因此，Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥反應(yīng)初期的氧化還原反應(yīng)是經(jīng)由硝化棉引發(fā)、鋯粉與系統(tǒng)中殘余的氧氣發(fā)生的[16]，鋯粉燃燒產(chǎn)生的少量灼熱固體殘?jiān)c(diǎn)燃發(fā)射藥，壓力開始上升；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系溫度上升，才發(fā)生鋯粉與Pb3O4的氧化還原反應(yīng)，從而出現(xiàn)了氧化劑鋯粉燃燒熱高、但點(diǎn)火藥包的整體反應(yīng)速率慢、增壓速率小的現(xiàn)象。

上述推斷可由表2 中的計(jì)算數(shù)據(jù)證實(shí)。4.8 mg Pb(SCN)2/KClO3點(diǎn)火藥藥包點(diǎn)火后的增壓速率為80.84 MPa/s，Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥的為68.15 MPa/s，符合圖7 中觀察得到的結(jié)果。由于認(rèn)為鋯粉與Pb3O4的主反應(yīng)未在一開始發(fā)生，因此選擇壓力上升的直線段研究?jī)煞N藥包的增壓速率。經(jīng)計(jì)算，Pb(SCN)2/KClO3藥包直線段的增壓速率為667.84 MPa/s，Zr/Pb3O4藥包的為808.04 MPa/s，符合理論分析。

表2 兩種點(diǎn)火藥點(diǎn)火后的增壓速率Tab.2 Pressure rise rate after ignition of two kinds of ignition agents MPa/s

同樣，研究了兩種點(diǎn)火藥藥量增加對(duì)發(fā)射藥燃燒影響的差異，兩種藥劑點(diǎn)火后的p-t曲線見圖8。對(duì)比p-t曲線可知，Zr/Pb3O4的增壓速率與藥量的相關(guān)性較小，峰值壓力與Pb(SCN)2/KClO3藥包近似，都在6.57 MPa 左右。證明兩種藥包在發(fā)火后完全點(diǎn)燃了發(fā)射藥，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射藥的擴(kuò)散燃燒，因此，在裝藥條件相同的情況下峰值壓力近似相同。

圖9 是兩種點(diǎn)火藥藥量與增壓速率的散點(diǎn)圖及擬合情況。Pb(SCN)2/KClO3藥劑藥量與增壓速率有較好的線性相關(guān)性，而Zr/Pb3O4的藥量與其增壓速率幾乎沒有正相關(guān)性。結(jié)合點(diǎn)火元件發(fā)火的高速攝影圖像(圖10)與點(diǎn)火藥具體組分分析認(rèn)為:

1)Pb(SCN)2/KClO3點(diǎn)火藥發(fā)火的燃燒狀態(tài)較為平穩(wěn)，且產(chǎn)生了較多氣體，因此可與藥包內(nèi)的顆粒狀發(fā)射藥充分交換熱量。隨著藥量的增加，產(chǎn)氣量上升，單位時(shí)間內(nèi)點(diǎn)燃的發(fā)射藥增加，因此，增壓速率也隨之上升。

2)Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥發(fā)火時(shí)產(chǎn)生了明亮的灼熱固體顆粒(圖10)，這在煙火學(xué)中往往認(rèn)為是有利于點(diǎn)燃發(fā)射藥的。但鋯粉本身燃燒過程中易出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象[17-18]，藥包處于弱約束條件下，燃燒產(chǎn)生的固體顆粒受爆炸影響易發(fā)生飛散現(xiàn)象[如圖10(b)]，難以在一定區(qū)域內(nèi)形成相對(duì)集中的熱點(diǎn)。因此，出現(xiàn)點(diǎn)火藥量增加但點(diǎn)火效能未上升的情況。

2.3 換能元差異對(duì)壓力信號(hào)的影響

選用橋絲(BW)與金屬薄膜(MF)兩種鎳鉻合金換能元，探討換能元的差異對(duì)點(diǎn)火元件點(diǎn)火效能的影響。

圖11 (a)為BW-Pb(SCN)2/KClO3藥包的p-t曲線?？梢钥闯觯啾容^于MF-Pb(SCN)2/KClO3藥包，BW-Pb(SCN)2/KClO3藥包的p-t曲線存在明顯的波動(dòng)。對(duì)比兩種換能元的p-t曲線可以發(fā)現(xiàn):金屬薄膜點(diǎn)火元件的直線升壓段幾乎都發(fā)生在0.050 s 以內(nèi)，且曲線波動(dòng)較??；而橋絲點(diǎn)火元件的直線升壓段分布不均，從0.025～0.100 s 范圍內(nèi)均有分布，說明在橋絲點(diǎn)火元件上點(diǎn)火藥量與增壓速率的相關(guān)性較差，點(diǎn)火效能較低。由圖11(b)同樣可以得出，橋絲點(diǎn)火元件上點(diǎn)火藥量與增壓速率的相關(guān)性較差。

各點(diǎn)火元件點(diǎn)燃藥包的密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。試驗(yàn)中使用BW-Zr/Pb3O4點(diǎn)火元件時(shí)，有幾發(fā)未能成功點(diǎn)燃藥包。取下藥包后發(fā)現(xiàn)，未出現(xiàn)破袋、漏藥現(xiàn)象，且點(diǎn)火元件表面存在黑色物質(zhì)，橋絲已熔斷，證明該發(fā)點(diǎn)火元件成功點(diǎn)燃發(fā)火，但藥包內(nèi)的發(fā)射藥部分呈現(xiàn)出被火焰灼燒后的碳化現(xiàn)象，大部分仍處于未點(diǎn)燃的黃色顆粒。

表3 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results in a confined bomb

對(duì)此種現(xiàn)象可由計(jì)算結(jié)合理論進(jìn)行解釋。兩種換能元中，金屬薄膜換能元與點(diǎn)火藥進(jìn)行熱交換的界面為合金層表面，表面積S1為:

式中:L1為金屬薄膜換能元橋長(zhǎng)，mm；W為換能元橋?qū)?，mm。

橋絲與點(diǎn)火藥進(jìn)行熱交換的界面為橋絲的圓柱體側(cè)面，側(cè)面積S2為:

式中:r為橋絲橋徑，mm；L2為橋絲橋長(zhǎng)，mm。

同時(shí)，換能元截面處的電阻R為:

式中:ρ為材料電阻率，Ω/m；L為長(zhǎng)度，mm；S為截面積，mm2。

取金屬薄膜任一微元處電阻為dR1、橋絲任一微元處電阻為dR2。其中，兩種換能元均為鎳鉻合金材料，因此可近似認(rèn)為ρ1=ρ2?？傻?

焦耳定律:

式中:Q為熱量，J；I為電流，A；R為電阻，Ω；t為通電時(shí)間，s。

取金屬薄膜任一微元處熱量為dQ1、橋絲任一微元處熱量為dQ2，可得:

由上述計(jì)算結(jié)果可知，金屬薄膜的熱交換界面面積明顯小于橋絲界面面積，使得金屬薄膜電熱轉(zhuǎn)換得到的熱能相對(duì)于橋絲更集中在點(diǎn)火藥與換能元的交換界面處；同時(shí)，由于任意截面處的金屬薄膜電阻均大于橋絲，因此，通電后金屬薄膜任一微元產(chǎn)生的熱量更高。綜合以上兩種因素，考慮點(diǎn)火藥在金屬薄膜熱交換界面處單位體積所獲得的熱量高于在橋絲熱交換界面處獲得的熱量，因此，會(huì)出現(xiàn)Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥在金屬薄膜上可正常點(diǎn)燃藥包，在橋絲上失敗的情況。

由于Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥中進(jìn)行氧化反應(yīng)，提供反應(yīng)熱量的鋯粉含量較少，在點(diǎn)火藥用量較低(如4.8 mg MF-Zr/Pb3O4)時(shí)，難以在局部形成較多的熱點(diǎn)、促進(jìn)發(fā)射藥迅速燃燒、產(chǎn)生壓力，從而出現(xiàn)低壓時(shí)間較長(zhǎng)、p-t曲線不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

同樣的，在換能元供給的初始熱量較分散(橋絲換能元)的情況下，也難以在短時(shí)間內(nèi)點(diǎn)燃較多的氧化劑，形成大量熱點(diǎn)，致使點(diǎn)火藥燃燒卻未能點(diǎn)燃發(fā)射藥，點(diǎn)火失敗。

綜上，Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥與橋絲換能元的匹配程度較差，而在金屬薄膜換能元上可獲得較好的點(diǎn)火能力。Pb(SCN)2/KClO3的燃燒反應(yīng)及藥劑性質(zhì)較為穩(wěn)定，因此，在橋絲換能元與金屬薄膜換能元上均能獲得較好的點(diǎn)火效果。但由于金屬薄膜能提供較為集中的能量，因此，MF-Pb(SCN)2/KClO3點(diǎn)火藥量與增壓速率的相關(guān)性較好。

3 結(jié)論

研究不同種類換能元與點(diǎn)火藥劑匹配關(guān)系，能夠探明何種點(diǎn)火元件的點(diǎn)火性能較強(qiáng)，可以可靠完成作為電火工品的點(diǎn)火、做功任務(wù)，提供更為多樣化的點(diǎn)火藥劑與換能元選擇。

使用典型換能元與點(diǎn)火藥劑進(jìn)行了密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，測(cè)量了相應(yīng)藥包的p-t曲線，并進(jìn)行了一定的數(shù)值計(jì)算。

通過對(duì)比點(diǎn)火元件的p-t曲線與增壓速率發(fā)現(xiàn):Pb(SCN)2/KClO3點(diǎn)火藥在金屬薄膜換能元上可獲得更加穩(wěn)定的點(diǎn)火能力，點(diǎn)火增壓速率上升與藥量的增加存在較強(qiáng)的線性關(guān)系；Zr/Pb3O4點(diǎn)火藥在金屬薄膜與橋絲上的點(diǎn)火能力存在一定的差異。通過理論計(jì)算解釋了點(diǎn)火能力的差距原因在于換能元的熱交換面積及電熱轉(zhuǎn)換效率。