典型換能元與點火藥劑匹配試驗研究?

馬健行 王彥君 陳華東 徐建勇 黃寅生 毛 立

①南京理工大學化學與化工學院(江蘇南京，210094)

②瀘州北方化學工業有限公司(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

在電火工品中應用的換能元主要有橋絲(BW)[1]、金屬薄膜(MF)[2-3]和半導體橋(SCB)[4]。其中，橋絲主要由鎳鉻合金構成；金屬薄膜有鎳鉻合金膜、鉑膜[5]；半導體橋也分為多晶硅半導體橋[6]、含能半導體橋[7]等。Jiang 等[8]設計了一種V 型金屬膜，測試結果表明，金屬膜點火元件滿足1A、1 W、5 min 條件下不點火的安全要求。任小明等[9]制備了鎳鉻薄膜換能元，并對其發火性能進行了測試。樊志偉等[10]對半導體橋裸橋及涂斯蒂芬酸鉛(LTNR)時的電爆發火特性進行了研究。

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

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

在本文中，以單一種類發射藥為試驗對象，對不同種類的點火元件進行點火，探究不同點火元件對發射藥燃燒性能的影響，從而研究點火藥與典型換能元的匹配關系。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

點火藥分別為Pb(SCN)2/KClO3及Zr/Pb3O4，黏合劑為硝化棉。根據前期試驗結果，選用較易點燃的5.8 系雙基發射藥，形貌為黃色細小顆粒，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，長度為2.4 mm。金屬薄膜的發熱層材料為鎳鉻合金，厚度3～6 μm，長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氧樹脂作為膠體層，背面設有銅箔焊接層；載體層與發熱層之間使用高溫壓合工藝進行黏接固化[13]。具體點火元件實物如圖2；金屬薄膜換能元的結構見圖3。

使用安捷倫34410A 型數字萬用表測量2 種不帶藥劑的點火元件的電阻，統計結果見表1。從表1中可以看出，金屬薄膜電阻的標準差(0.018 Ω)明顯小于橋絲電阻的標準差(0.106 Ω)，其電阻分布較為集中。

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

1.2 試驗儀器及原理

試驗裝置由恒流源、密閉爆發器、壓力傳感器、電荷放大器和示波器等組成。密閉爆發器標稱容積為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；示波器型號為泰克MDO3054；恒流源為DC9801 型智能雷管電參數測試儀。

作為點火系統，恒流源通電激發密閉爆發器內的點火元件；點火藥發火并點燃發射藥；發射藥在密閉爆發器內燃燒，并生成大量氣體。由于密閉爆發器容積較為固定，因此氣體壓力迅速上升；與此同時，發射藥燃燒的反應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，產生電信號，經由電荷放大器放大并輸送至示波器中記錄；記錄數據經處理后得到p-t曲線。過程如圖4 所示。

1.3 試驗方法

點火藥制作方法:稱取占點火藥質量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。

蘸取漿狀點火藥涂覆在換能元發火區域，待乙酸乙酯揮發后再進行下一次涂覆。重復此步驟，以獲得試驗所需點火元件。涂覆藥劑前，對點火元件進行編號、稱重，以此控制每發點火元件藥頭質量，獲得試驗所需藥頭質量。

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

2 結果與討論

測量數據中存在耦合噪聲干擾，需要對數據進行平滑處理。利用Origin 繪圖軟件的平滑功能，使用Savitzky-Golay 方法，選取適當的窗口點數進行平滑，得到p-t曲線。

2.1 點火藥量對壓力信號的影響

圖5 為不同藥量的金屬薄膜-硫氰酸鉛點火元件MF-Pb(SCN)2/KClO3點火所產生的p-t曲線。可以看出，所有藥包在達到最大壓力后均會出現一個壓力平臺，這可以用加熱層點火理論解釋。

加熱層點火理論[14-15]認為，火藥裝藥的點燃與持續燃燒不僅需要點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部傳導，形成適當厚度的加熱層。因此，建立壓力的階段是點火藥的高溫產物加熱點燃發射藥，與發射藥擴散燃燒共同作用的結果。壓力平臺的形成是因為點火藥燃燒產物傳播結束，僅由發射藥燃燒產物繼續擴散燃燒，燃燒溫度在各點較為統一，從而形成了一個相對穩定的壓力，直至藥包內某一方向的發射藥燃燒完成，壓力開始下降。

將壓力由開始上升到最大所經過的時間定義為升壓時間；將最大壓力與升壓時間的比值定義為增壓速率。增壓速率越高，表明點火元件對發射藥的點火效能越好。通過圖5 可以看出，隨著點火藥量的增加，升壓時間與增壓速率均有一定的提升。為更直觀地展現點火藥量的增加對藥包壓力輸出的影響，計算得到點火元件的增壓速率。以增壓速率為y軸，所用點火藥量為x軸得到散點圖，對散點圖進行線性擬合，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線性上升。這是由于Pb(SCN)2/KClO3點火藥燃燒產物中含有CO2、NO2等較多的氣體，可依靠氣流進行熱傳導，從而點燃遠離點火元件的發射藥。因此，藥包中發射藥的裝填密度對其點火效果影響較小。隨著點火藥量增加，在單位時間內可被點燃的發射藥隨之上升，因此，Pb(SCN)2/KClO3點火藥藥量與增壓速率有較好的線性相關度。

2.2 藥劑差異對壓力信號的影響

火工品可使用的點火藥劑種類較多。藥劑組成成分、配比的不同使得藥劑之間的比容、燃燒熱、殘渣率、產氣量等各項性能存在較大差異，藥劑的點火能力也因此存在差異。

圖7 為相同換能元(金屬薄膜)與相同點火藥量(4.8 mg)下不同點火藥點燃藥包獲得的p-t曲線。由圖7 可明顯看出，4.8 mg Pb(SCN)2/KClO3點火藥的增壓速率要高于4.8 mg 的Zr/Pb3O4點火藥，且Pb(SCN)2/KClO3藥包的壓力平臺維持時間長于Zr/Pb3O4藥包的維持時間。推斷出現此種現象的原因為:Zr/Pb3O4點火藥中作為氧化劑的Pb3O4性質較為穩定，500 ℃才開始分解，而鋯粉的著火溫度僅為80～350 ℃。因此，Zr/Pb3O4點火藥反應初期的氧化還原反應是經由硝化棉引發、鋯粉與系統中殘余的氧氣發生的[16]，鋯粉燃燒產生的少量灼熱固體殘渣點燃發射藥，壓力開始上升；隨著反應的進行，體系溫度上升，才發生鋯粉與Pb3O4的氧化還原反應，從而出現了氧化劑鋯粉燃燒熱高、但點火藥包的整體反應速率慢、增壓速率小的現象。

上述推斷可由表2 中的計算數據證實。4.8 mg Pb(SCN)2/KClO3點火藥藥包點火后的增壓速率為80.84 MPa/s，Zr/Pb3O4點火藥的為68.15 MPa/s，符合圖7 中觀察得到的結果。由于認為鋯粉與Pb3O4的主反應未在一開始發生，因此選擇壓力上升的直線段研究兩種藥包的增壓速率。經計算，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 兩種點火藥點火后的增壓速率Tab.2 Pressure rise rate after ignition of two kinds of ignition agents MPa/s

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

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

1)Pb(SCN)2/KClO3點火藥發火的燃燒狀態較為平穩，且產生了較多氣體，因此可與藥包內的顆粒狀發射藥充分交換熱量。隨著藥量的增加，產氣量上升，單位時間內點燃的發射藥增加，因此，增壓速率也隨之上升。

2)Zr/Pb3O4點火藥發火時產生了明亮的灼熱固體顆粒(圖10)，這在煙火學中往往認為是有利于點燃發射藥的。但鋯粉本身燃燒過程中易出現爆炸現象[17-18]，藥包處于弱約束條件下，燃燒產生的固體顆粒受爆炸影響易發生飛散現象[如圖10(b)]，難以在一定區域內形成相對集中的熱點。因此，出現點火藥量增加但點火效能未上升的情況。

2.3 換能元差異對壓力信號的影響

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點火元件點火效能的影響。

圖11 (a)為BW-Pb(SCN)2/KClO3藥包的p-t曲線。可以看出，相比較于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。對比兩種換能元的p-t曲線可以發現:金屬薄膜點火元件的直線升壓段幾乎都發生在0.050 s 以內，且曲線波動較小；而橋絲點火元件的直線升壓段分布不均，從0.025～0.100 s 范圍內均有分布，說明在橋絲點火元件上點火藥量與增壓速率的相關性較差，點火效能較低。由圖11(b)同樣可以得出，橋絲點火元件上點火藥量與增壓速率的相關性較差。

各點火元件點燃藥包的密閉爆發器試驗結果如表3 所示。試驗中使用BW-Zr/Pb3O4點火元件時，有幾發未能成功點燃藥包。取下藥包后發現，未出現破袋、漏藥現象，且點火元件表面存在黑色物質，橋絲已熔斷，證明該發點火元件成功點燃發火，但藥包內的發射藥部分呈現出被火焰灼燒后的碳化現象，大部分仍處于未點燃的黃色顆粒。

表3 密閉爆發器試驗結果Tab.3 Test results in a confined bomb

對此種現象可由計算結合理論進行解釋。兩種換能元中，金屬薄膜換能元與點火藥進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，mm；W為換能元橋寬，mm。

橋絲與點火藥進行熱交換的界面為橋絲的圓柱體側面，側面積S2為:

式中:r為橋絲橋徑，mm；L2為橋絲橋長，mm。

同時，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，因此可近似認為ρ1=ρ2。可得:

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:

由上述計算結果可知，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換得到的熱能相對于橋絲更集中在點火藥與換能元的交換界面處；同時，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生的熱量更高。綜合以上兩種因素，考慮點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，會出現Zr/Pb3O4點火藥在金屬薄膜上可正常點燃藥包，在橋絲上失敗的情況。

由于Zr/Pb3O4點火藥中進行氧化反應，提供反應熱量的鋯粉含量較少，在點火藥用量較低(如4.8 mg MF-Zr/Pb3O4)時，難以在局部形成較多的熱點、促進發射藥迅速燃燒、產生壓力，從而出現低壓時間較長、p-t曲線不穩定的現象。

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，也難以在短時間內點燃較多的氧化劑，形成大量熱點，致使點火藥燃燒卻未能點燃發射藥，點火失敗。

綜上，Zr/Pb3O4點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火能力。Pb(SCN)2/KClO3的燃燒反應及藥劑性質較為穩定，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點火藥量與增壓速率的相關性較好。

3 結論

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

使用典型換能元與點火藥劑進行了密閉爆發器試驗，測量了相應藥包的p-t曲線，并進行了一定的數值計算。

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