鐵氧體材料在火工品電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計中的應(yīng)用

任煒，白穎偉，褚恩義，張周梅，李明

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所應(yīng)用物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710061)

0 引言

在電熱火工品全壽命周期內(nèi)，由于受周圍電磁波環(huán)境的干擾與影響，電磁波能量會以傳導(dǎo)或輻射的耦合方式作用于電熱火工品，進(jìn)而在電熱火工品上形成電磁危害。以連續(xù)電磁波環(huán)境為例，由于電熱火工品某種狀態(tài)條件下呈現(xiàn)的天線特性，使得在其腳線上產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致橋絲換能元產(chǎn)生焦耳熱積累，周圍藥劑被加熱，使火工品出現(xiàn)性能變化或發(fā)火現(xiàn)象，影響了正常使用的安全性與可靠性［1］。

針對連續(xù)電磁波環(huán)境下電熱火工品的作用機(jī)理及其適應(yīng)性設(shè)計，王可暄等采用模擬電磁波環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件，完成了典型電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下響應(yīng)規(guī)律的分析與實(shí)驗(yàn)研究，獲得了電磁波參數(shù)、火工品結(jié)構(gòu)等對電熱火工品電磁效應(yīng)的影響規(guī)律［2］;楊潔等提出了機(jī)電混合模式的電火工品電磁加固方法，采用單容性低通濾波器，通過并聯(lián)電容的方法，取得了較好的電磁防護(hù)效果［3］，但由于電容器內(nèi)儲能元件的緣故，導(dǎo)致其對火工品自身的安全性造成影響，限制了該方法的具體使用。

國外研究針對電爆裝置的電磁危害問題，最早提出采用羧基鐵粉、鐵氧體等衰減材料用于電磁波危害能量的耗散或衰減。如美國匹克汀尼工廠以羧基鐵粉與環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑混合制作電極塞組件，代替了敏感酚醛電極塞組件，達(dá)到在頻率500 MHz 下衰減20 dB 的設(shè)計效果［4］。但關(guān)于鐵氧體材料在電爆裝置電磁環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計方面未見報道。因此，本文研究主要結(jié)合電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境響應(yīng)特性規(guī)律的分析與試驗(yàn)研究，針對連續(xù)電磁波環(huán)境對電熱火工品形成的危害及影響，探索鐵氧體材料在火工品電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計中的應(yīng)用，提出了采用串聯(lián)鐵氧體磁珠的連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計方法，此外，還探索了鐵氧體磁珠在電熱火工品器件的集成設(shè)計，測試研究了鐵氧體磁珠集成設(shè)計前后對電熱火工品橋絲換能元電熱輸出性能的影響。

1 電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下的失效現(xiàn)象與響應(yīng)規(guī)律

本文首先采用安全電流為25 mA 的某敏感電熱火工品開展連續(xù)電磁波環(huán)境下的電磁危害效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用如圖1所示的火工品電磁輻射(EMR)效應(yīng)測試系統(tǒng)，火工品試件裝配如圖2所示。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)感應(yīng)電流接近50 mA 時即出現(xiàn)試件發(fā)火情況，驗(yàn)證了電磁波環(huán)境會對電熱火工品形成危害的理論分析。針對這一問題，為了有效積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免意外發(fā)火對響應(yīng)規(guī)律研究造成的不利影響，主要以火工品換能元為樣品，補(bǔ)充了120 ～360 MHz間7 個頻率點(diǎn)的感應(yīng)電流測試數(shù)據(jù)。

圖1 電熱火工品電磁輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)Fig.1 EMR test system

圖2 電熱火工品試件裝配圖Fig.2 Assembly diagram of EED

表1為7 個固定頻率點(diǎn)在不同電場強(qiáng)度條件下(30 ～70 V/m)測試得到的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)。

表1 電熱火工品在不同頻率與不同電場強(qiáng)度連續(xù)電磁波環(huán)境下的感應(yīng)電流Tab.1 Induced currents in continuous electromagnetic environment with different frequencies and field intensities mA

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，電熱火工品的最大感應(yīng)電流約為160 mA，已超出大多數(shù)敏感電熱火工品的安全電流，可能引起火工品的意外發(fā)火，再次驗(yàn)證了電磁危害的存在，因此，必須通過環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計加以解決。

2 鐵氧體磁珠在電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計中的應(yīng)用分析與試驗(yàn)

鐵氧體材料是一類較常使用的亞鐵磁性材料，一般可用作電磁干擾濾波器件，主要利用其復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率引起的磁損耗機(jī)理，吸收電磁波干擾。根據(jù)該類材料不同頻率條件下呈現(xiàn)的不同作用機(jī)理，常被作為高頻磁介質(zhì)型吸波材料使用，具有成本低廉，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。

針對電熱火工品電磁波環(huán)境下產(chǎn)生感應(yīng)電流帶來的危害與威脅，借鑒傳統(tǒng)電子行業(yè)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，本文考慮利用鐵氧體材料高頻損耗大的優(yōu)點(diǎn)，將一種鐵氧體磁珠器件用于電熱火工品電磁波感應(yīng)電流的抑制與防護(hù)，試驗(yàn)采用的疊層片式鐵氧體磁珠器件如圖3所示。

圖3 鐵氧體磁珠結(jié)構(gòu)圖(上)和外形圖(下)Fig.3 Structure (upper)and appearance (lower)of ferrite bead

為了獲得鐵氧體磁珠數(shù)量對其適應(yīng)性設(shè)計效果的影響規(guī)律，鐵氧體磁珠器件裝配成如圖4所示的3 種結(jié)構(gòu)狀態(tài)。具體試驗(yàn)結(jié)果與影響分析如下。

圖4 鐵氧體磁珠防護(hù)效果研究試件裝配狀態(tài)Fig.4 Assembling of ferrite beads in adaptability design test

2.1 不同電磁波頻率對磁珠調(diào)整性能的影響

電磁波頻率點(diǎn)的選取，主要結(jié)合鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)曲線以及試件諧振頻率計算［2，8］結(jié)果，選取80 ～300 MHz 間4 個典型頻率點(diǎn)，固定電場強(qiáng)度100 V/m，得到的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)及串聯(lián)磁珠后感應(yīng)電流的調(diào)整百分比見表2.

表2 電場強(qiáng)度100 V/m 時不同頻率電磁波下的響應(yīng)結(jié)果Tab.2 The induced currents with and without cascaded ferrite beads under different electromagnetic frequencies for field intensity of 100 V/m

由表2的試驗(yàn)結(jié)果可知，串聯(lián)單個磁珠的調(diào)整效果在低頻時比較明顯，但在較高頻率時無明顯效果，而串聯(lián)兩個磁珠的試件綜合調(diào)整效果更好。

2.2 不同諧振頻率試件對磁珠調(diào)整性能的影響

試驗(yàn)選擇兩種不同諧振頻率試件進(jìn)行試驗(yàn)，其對應(yīng)諧振頻率分別為300 MHz 和400 MHz，固定電場強(qiáng)度70 V/m，得到的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)及串聯(lián)磁珠后感應(yīng)電流的調(diào)整百分比見表3.

表3 電場強(qiáng)度70 V/m 時不同諧振頻率試件的響應(yīng)結(jié)果Tab.3 The induced currents with and without cascaded ferrite beads under different resonant frequencies for field intensity of 70 V/m

由表3的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著頻率的增加，不論試件種類及其對應(yīng)的諧振頻率如何，串聯(lián)單個磁珠的調(diào)整效果在較高頻率時均無明顯效果，而串聯(lián)兩個磁珠的調(diào)整效果比較明顯。因此，磁珠在電熱火工品的電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計中主要考慮采用串聯(lián)兩個磁珠的方法進(jìn)行。

2.3 不同電場強(qiáng)度下響應(yīng)結(jié)果的影響

為了補(bǔ)充驗(yàn)證串聯(lián)兩個磁珠的防護(hù)設(shè)計效果，固定試件，在其諧振頻率300 MHz 下，選取30 V/m、50 V/m 和70 V/m 3 種電場強(qiáng)度條件，得到的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)及串聯(lián)兩個磁珠后感應(yīng)電流的調(diào)整百分比見表4.

表4 300 MHz 諧振頻率下不同電場強(qiáng)度電磁波下的響應(yīng)結(jié)果Tab.4 The induced currents with and without cascaded ferrite beads under different field intensities at resonance frequency of 300 MHz

由表4的試驗(yàn)結(jié)果可知，固定試件條件下，串聯(lián)鐵氧體兩個磁珠對連續(xù)電磁波環(huán)境下的感應(yīng)電流有很好的衰減效果，大約可衰減30%的感應(yīng)電流，達(dá)到了一定的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計效果。

3 集成鐵氧體磁珠電熱火工品器件的設(shè)計與性能試驗(yàn)

3.1 集成鐵氧體磁珠電熱火工品器件的設(shè)計

針對鐵氧體磁珠在電熱火工品中的具體應(yīng)用實(shí)施，本文考慮將鐵氧體磁珠與電熱火工品器件進(jìn)行組合設(shè)計，主要結(jié)合磁珠形狀(疊層片式和線圈式)、結(jié)構(gòu)尺寸等因素，提出了兩種鐵氧體磁珠在火工品中應(yīng)用的設(shè)計思路:

1)采用疊層片式鐵氧體磁珠，將其如圖5所示集成封裝于火工品換能元件內(nèi)部，基本不改變火工品換能元件的結(jié)構(gòu)尺寸，該設(shè)計方法存在主要問題在于受鐵氧體磁珠尺寸及加工工藝的影響，限制了其只能在較大尺寸的換能元件中實(shí)施。

2)采用線圈式鐵氧體磁珠，將其如圖6所示套裝于火工品腳線，該設(shè)計方法實(shí)施較為靈活、方便，在較小尺寸火工品中也同樣適用，但采用外接器件的方式可能影響火工品的裝配使用。上述兩種設(shè)計，具體使用時，可根據(jù)不同場合要求進(jìn)行選擇。

3.2 鐵氧體磁珠對電熱火工品的性能影響試驗(yàn)

圖5 疊層片式鐵氧體磁珠在電熱火工品中的應(yīng)用實(shí)施Fig.5 Multilayer ferrite chip bead used in hot-wire EED

圖6 線圈式鐵氧體磁珠在電熱火工品中的應(yīng)用實(shí)施Fig.6 RH ferrite bead used in hot-wire EED

鐵氧體磁珠對電熱火工品作用性能影響的試驗(yàn)研究，本文主要從電熱火工品的電熱換能作用機(jī)理出發(fā)，以集成鐵氧體磁珠前后的橋絲換能元為研究對象，采用紅外熱波成像測試系統(tǒng)，對橋絲換能元特定激勵條件下產(chǎn)生的溫度場分布與變化進(jìn)行測試與表征，并以二者溫度場分布與變化判定鐵氧體磁珠對電熱火工品橋絲換能元電熱輸出性能的影響［9］。

試驗(yàn)測試時，為了便于對比分析，兩種橋絲換能元試件同時進(jìn)行測試，具體工裝如圖7所示，均采用0.5 V 的輸入電壓，根據(jù)兩種橋絲換能元電阻，分別為未加磁珠換能元1.61 Ω、集成磁珠換能元1.58 Ω，計算得出施加到電熱橋絲上的電流約為300 mA.

圖7 紅外熱波成像測試試驗(yàn)工裝Fig.7 Assemble of infrared thermal wave image test

圖8為測試得到的橋絲換能元靜態(tài)、升溫及熱散失過程溫度場分布的紅外熱像圖，每個圖中的右圖為集成磁珠的橋絲換能元，左圖為未集成磁珠的橋絲換能元。

圖8 橋絲換能元不同階段溫度場分布紅外熱像圖Fig.8 The infrared thermal images of temperature field distribution at different stages

由圖8的橋絲換能元不同階段溫度場分布紅外熱像圖可以看出，兩種橋絲換能元升溫過程及溫度場分布變化趨勢基本一致，說明集成鐵氧體磁珠后對橋絲換能元的電熱輸出性能基本無影響。

4 結(jié)論

本文針對連續(xù)電磁波環(huán)境對電熱火工品的危害問題，即在一定條件下火工品會發(fā)生意外發(fā)火等現(xiàn)象，將鐵氧體磁珠引入火工品的連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，主要利用鐵氧體磁珠低頻時的電感效應(yīng)與高頻時的磁損耗效應(yīng)，較大程度地衰減了電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下的感應(yīng)電流。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用腳線串聯(lián)鐵氧體磁珠設(shè)計可使電熱火工品電磁感應(yīng)電流衰減約30%，有效提升了電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境的耐受能力。初步開展的鐵氧體磁珠對電熱火工品性能影響的試驗(yàn)表明，集成鐵氧體磁珠后電熱火工品電阻變化不大，且對其橋絲換能元的電熱輸出性能影響不大，為電熱火工品的連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提供了一種方法。后續(xù)還將開展鐵氧體磁珠對電熱火工品響應(yīng)時間等作用性能的影響研究。

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