介電型EAP在引信上應用的可行性研究

劉洪波　李開春

【摘 要】 介電型EAP材料為引信安全系統設計及引信用新型發電機及傳感器提供新的方法和原理，拓展并改善引信功能，為引信系統多樣化設計開辟了一條新的途徑。

【關鍵詞】 介電型

1 引言

未來引信的發展趨勢必然是向著小型化、靈巧化、智能化的方向發展。傳統技術和材料顯然難以滿足這種發展趨勢。新材料和新技術的應用往往會對武器系統的性能帶來革命性的變革，引信技術發展的一個鮮明特色就是其具有良好的包容性，能夠緊密跟隨新技術的發展，在積極采用各種新技術的基礎上不斷創新，形成自身的特色。

現有的多種驅動原理微驅動器中，介電型EAP是電活性聚合物（EAP，Electroactive Polymer）中由電場產生的壓力實現聚合物變形的一種，它作為一種新興的驅動器材料，較其它智能材料和傳統的電磁驅動等技術相比有很多優點：可直接對外做功，無需傳動機構、工作環境適應性好、變形保持性能好且無能量損耗、應變大、能量密度高、效率高、響應速度快、結構簡單、質量輕、價格低廉且加工制造方便等。此外，介電型EAP作為發電機，與電磁、壓電等相關材料發電相比具有能量密度高、應變變形大、耐沖擊、使用壽命長、投資成本低、無運動頻率要求、適用范圍廣等優點。

20世紀90年代以來，介電型EAP吸引了不少國內外研究者的關注，他們在航空、航天、醫用、機器人等多個應用領域中，開展了實驗研究，但介電型EAP在引信上的應用還未見報道。通過對其性能特性進行研究，可探索將介電型EAP應用于引信上，實現新型高性能的具有可恢復式的引信安全系統及引信用傳感器和新型引信用電源，對引信技術的發展具有一定的應用價值。

2 介電型EAP在引信上應用的可行性

介電型EAP材料具有較大的應變和良好的環境適應性等優點，國外已經有很多學者應用介電型EAP材料制作了各種形式的驅動器，試驗證明這些驅動器具有其他類型驅動器所不具有的優異性能，如響應快、功重比大、柔性驅動、效率高等。因此可研究制作介電型EAP驅動器驅動的鎖定機構、推銷機構等，實現引信的保險及解除保險控制。利用介電型EAP材料較高的粘性將其直接粘著在能實現一定運動形式的機構上。通過通電、斷電的方式驅動介電型EAP材料面積的擴張、伸縮，由其產生的大應變和驅動力傳遞給機構，從而達到驅動器的驅動控制。

介電型EAP驅動器依靠電路作用實現驅動器動作，其用在引信保險機構上，不受引信上任何環境力的影響，故不會在勤務處理中受到各種環境力而解除保險，能可靠保證武器的安全。當接到解保指令后，通過電路就能實現解保，滿足引信的安全性設計準則。

利用介電型EAP材料在彎曲或拉伸時，面積的變化將引起電容的變化這一特性，可制成張力或位移傳感器，通過監測電容的變化，用以實現對引信實時監測和信息反饋。利用介電型EAP材料的逆壓電效應，可將其制作成柔性可變電容器，用于制造出可變容量發電機和蓄能裝置，給引信低功耗信號處理電路和起爆電路供電。

3 介電型EAP在引信上應用需解決的問題

介電型EAP是一個新的、跨學科的前沿研究領域，目前大多數的研究仍處于實驗室原型階段。介電型EAP的功耗雖然小，但是變形所需的驅動電壓高，給外圍電路的設計帶來了一定的問題。一般條件下，都是用高壓包來提高電壓，而高壓包的重量又大大超過了材料本身的重量，不利于裝置的輕型化。研究低壓驅動的介電型EAP材料的制備及低壓驅動下的材料性能成為研究者目前研究的熱點。

介電型EAP材料形變過程中不容易保持平整，導致最終器件各項性能難以統一，因此制作工藝需要進一步的研究和試驗。

由于引信的自身特點，將介電型EAP應用到引信上還屬于一個新的課題，有一些問題需要通過試驗進行驗證。如：利用介電型EAP驅動器代替火藥作動器或電磁鎖定機構等實現引信安全系統保險解除控制技術；介電型EAP傳感器在引信工作環境下的精度及可靠性；介電型EAP在引信工作環境下產生的驅動力、響應時間和行程；介電型EAP利用引信工作環境激勵的發電效率；介電型EAP在引信工作環境下的可靠性和耐久性等。

4 擬采取的研究方法

為將介電型EAP應用到引信上，擬定了一套研究方法：首先，研究制作介電型EAP線性驅動器樣機，并與引信火藥作動器及電磁鎖定保險機構等解除保險的驅動特性進行對比。將這種具有可恢復式的介電型EAP驅動器代替不可恢復式的火藥作動器及電磁鎖定保險機構等。根據引信工作環境的要求，通過選用合適剛度的彈簧、具有一定預拉伸率的介電型EAP材料及一定的施加電壓，制作符合輸出力、響應時間及行程要求的介電型EAP驅動器。并利用有限元軟件進行理論仿真，然后制作介電型EAP驅動器樣機進行靜態情況下驅動力、響應時間和行程的測試，最后進行模擬實驗，測試介電型EAP驅動器各項參數，驗證理論仿真結果。并通過物理樣機驗證介電型EAP驅動器在引信工作環境下的可靠性及耐久性等要求。

充分研究利用引信的環境力，如后坐力的作用、空氣氣流的作用等，將這些環境力通過設計一定的裝置，將它們的機械能轉化為介電型EAP材料的發電激勵，并通過建立電學模型及仿真和試驗樣機等手段，研究能量轉換過程和能量轉換關系及提高發電效率的途徑，研究如何減少漏電現象及有效貯存電量，研究如何將介電型EAP的發電裝置給引信低功耗信號處理電路和起爆激勵電路供電。

5 結語

對介電型EAP的性能特性進行研究，將其應用到引信上，可以適應未來引信發展趨勢，解決精確打擊彈藥及微小型武器系統對引信的體積、成本等指標提出的更高和更全面的要求，解決引信小型化、靈巧化、智能化等對引信零部件提出的結構及技術要求。介電型EAP材料為引信安全系統設計及引信用新型發電機及傳感器提供新的方法和原理，拓展并改善引信功能，為引信系統多樣化設計開辟了一條新的途徑。endprint