灼熱橋絲式電點火藥頭的發(fā)火時間變化規(guī)律研究?

孫金夢 衛(wèi)延安 武壽昌

①南京理工大學化學與化工學院(江蘇南京，210094)

②上海芯跳科技有限公司(上海，201101)

引言

數(shù)碼電子雷管使用電子延時芯片取代傳統(tǒng)電雷管中的延期藥或延期體，實現(xiàn)對延期時間的控制，從而使延期精度和可靠性都有了極大提高[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，電子延期技術(shù)逐漸成熟，數(shù)碼電子雷管除了具有延期精度高的優(yōu)勢之外，還對爆破振動的減振效果顯著，并擁有專門的編碼程序，可根據(jù)需要設(shè)定延期時間，方便管理[2-4]。目前，橋絲式電引火元件在工業(yè)雷管中應用較廣泛、技術(shù)較成熟。它主要通過電阻絲的電熱效應，使橋絲周圍的點火藥劑點燃。

電點火藥頭是數(shù)碼電子雷管的核心部分，其發(fā)火性能直接影響著數(shù)碼電子雷管的爆炸性能。點火藥頭制造完成后，所需的激發(fā)能量是一定的，而由于藥劑差異與制造工藝差異等因素，導致每發(fā)藥頭之間的激發(fā)能量存在細微的區(qū)別。因此，對電點火藥頭輸入一定的能量時，批量的藥頭的發(fā)火時間在一定范圍內(nèi)不是某一固定值。已有研究表明，輸入能量對電點火藥頭的發(fā)火時間有很大影響:電雷管電點火藥頭的發(fā)火時間隨著電流的增大逐漸減小，并且每發(fā)藥頭之間的差異也逐漸減小；當電流達到一定程度之后，藥頭的發(fā)火時間穩(wěn)定，彼此間的差異甚微[5-6]。

國內(nèi)關(guān)于電流對電雷管點火藥頭的影響已經(jīng)有了相關(guān)研究。對于數(shù)碼電子雷管，研究人員更關(guān)注輸出電壓對電點火藥頭的發(fā)火時間等的影響。王文斌等[7]測試了4種不同電阻率的橋絲與二硝基間苯二酚鉛系點火藥組合時點火藥頭的發(fā)火電壓和發(fā)火時間，以此研究橋絲直徑與點火藥頭的發(fā)火電壓、發(fā)火時間及發(fā)火時間標準偏差之間的關(guān)系，試驗結(jié)果驗證了李志雄等[8]的理論分析:在一定的橋絲直徑范圍內(nèi)，小直徑點火藥頭的發(fā)火電壓、發(fā)火時間及發(fā)火時間標準偏差都小。

目前，關(guān)于電容器的輸出電壓對數(shù)碼電子雷管電點火藥頭的發(fā)火時間的影響規(guī)律研究較少。本文中，以苦味酸鉀系電點火藥頭為試驗對象，研究其發(fā)火時間與電容器的輸出電壓、藥頭的橋絲直徑之間的關(guān)系，總結(jié)出藥頭發(fā)火時間的變化規(guī)律，并通過高速攝影儀拍攝藥頭的燃燒狀況。

1 發(fā)火理論

灼熱橋絲式電點火藥頭的發(fā)火過程簡單描述為:儲能電容放電后，橋絲接受能量并升溫；同時，橋絲加熱周圍的點火藥劑，達到一定溫度后，點火藥發(fā)生化學變化，自身釋放熱量并繼續(xù)升溫，加速化學反應直至藥頭發(fā)火；產(chǎn)生的火焰作用于后續(xù)的藥劑，從而引發(fā)電子雷管的爆炸[9]。

數(shù)碼電子雷管使用電容器放電，電流隨放電時間的增長而減小[10]。理想條件下，電容器對橋絲的輸出能量為

式中:Q1為儲能電容輸出能量，J；C為儲能電容，F(xiàn)；U為輸出電壓，V；t為放電時間，s；τ為放電時間常數(shù)，s。

當使用某一配方的電點火藥頭時，激發(fā)藥頭發(fā)火需要一定的能量Q2。假設(shè)橋絲升溫產(chǎn)生的熱量全部用于加熱點火藥，則

式中:Q2為橋絲升溫△T所需的熱量，J；ρ為橋絲的密度，g/cm3；L為橋絲長度，cm；d為橋絲的直徑，cm；c為橋絲的比熱容，J/(kg·K)；T為電容放電使橋絲上升的溫度，K。

電容器放電的時間極短，故加熱橋絲的熱量損失可以忽略，認為電容器放電的輸出能量全部用于加熱橋絲。若是電點火藥頭發(fā)火，則至少有Q1＝Q2，由此可計算得到

式(3)為灼熱橋絲在電容通電下的簡單升溫模型，未考慮各部分熱損失。電容器的放電時間t極短，一般都小于電點火藥頭的激發(fā)時間，故忽略對藥頭發(fā)火時間的影響。

從式(3)可知，橋絲升溫的快慢主要與兩部分因素有關(guān):電容器的電容C及電壓U；橋絲的材質(zhì)和尺寸。橋絲升溫越快，橋絲與點火藥劑之間熱量傳遞越快，電點火藥頭越易被激發(fā)，從而發(fā)火時間縮短，發(fā)火越可靠。固定選用某一配方的電點火藥頭和橋絲材質(zhì)，電容器的設(shè)計完成后，電容器電容一定，則電容器的輸出電壓、藥頭的橋絲尺寸對電點火藥頭的發(fā)火時間會有較大的影響。

2 點火試驗

2.1 試驗原料

苦味酸鉀，純度大于99.1%，自制；高氯酸鉀，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；三硫化二銻，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司；聚乙烯醇1788，國藥集團化學試劑有限公司。

高氯酸鉀取200目篩下物，三硫化二銻使用行星式球磨機球磨，粒度D90＝21 μm；配制質(zhì)量分數(shù)為8%～10%的聚乙烯醇水溶液。

2.2 試驗儀器

電子分析天平，上海箐海儀器有限公司；水浴烘箱，南京理工大學機電廠；磁力加熱攪拌器，金壇市城東新瑞儀器廠；發(fā)火測試儀，上海興軟信息技術(shù)有限公司；高速攝影儀，滿幅分辨率2 560×1 920，選擇2 000幀/s。

2.3 電點火藥頭的制備

將按配比稱量好的高氯酸鉀、三硫化二銻放入混合容器，手工干混后過100目網(wǎng)篩3次；將此二元混合物與無水乙醇按質(zhì)量比1∶2加入到混合容器中，濕混一定時間。出料先風干，再于烘箱內(nèi)50℃干燥12 h以上，直至連續(xù)兩次稱量的質(zhì)量差不大于0.001 g。稱取干燥好的二元混合物放入混合容器，將稱量好的苦味酸鉀倒入，在防護裝置下混合均勻后，按照每千克點火藥加720～800 mL黏合劑的原則，加入質(zhì)量分數(shù)為8%～10%的聚乙烯醇黏合劑，攪拌均勻。

制作藥頭時，用尖頭竹簽蘸取混合好的點火藥涂抹橋絲及腳片，分3次沾制點火藥頭，每次先風干，再于50℃的烘箱內(nèi)干燥6 h，控制藥頭的藥量在(19±2)mg內(nèi)。將電阻檢查合格、表面光滑的藥頭放入干燥器中保存。

使用剛性腳片與無模組的PCB組合器件(以下簡稱發(fā)火板)制造電點火藥頭。未沾點火藥的發(fā)火板及沾好點火藥的發(fā)火板如圖1所示。發(fā)火板的金屬橋絲為鎳鉻合金絲，橋絲直徑有35、25 μm，對應的電阻分別為(1.50±0.10)Ω、(3.10±0.15)Ω。

圖1 發(fā)火板Fig.1 Ignition plates

2.4 試驗程序

采用點火測試儀測試電點火藥頭的發(fā)火性能。測試儀器主要由F10測試儀、發(fā)火夾具、發(fā)火板以及光電傳感器組成，設(shè)計使用的為120 μF的鋁電解電容器。

先將各部分儀器連接起來:將光電感應頭接到F10測試儀背板的接線柱上，同時，光電感應頭用膠帶固定在發(fā)火測試載具上并正對著藥頭；用連接線將發(fā)火夾具與F10測試儀連接起來；將帶藥頭的發(fā)火板放到發(fā)火夾具上壓好。

打開F10測試儀的控制面板，設(shè)置發(fā)火電壓，按下“開始發(fā)火測試”按鍵，芯片模塊輸出充電信號，儲能電容開始充電，此時控制面板上顯示“正在充電”。充電至設(shè)置電壓后，芯片模塊給出放電信號，電點火藥頭發(fā)火，同時記錄下發(fā)火時間。

3 結(jié)果與討論

3.1 輸出電壓對電點火藥頭發(fā)火時間的影響

測試不同輸出電壓下藥頭的發(fā)火時間及變化規(guī)律，輸出電壓分別為5.0、8.0、11.0、14.0、15.0、15.5、16.0、16.5 V和17.0 V。發(fā)火板的橋絲直徑為35 μm，每個電壓下均測試5發(fā)。發(fā)火時間為t。作t-U的變化曲線，如圖2所示。

圖2 電點火藥頭的發(fā)火時間隨輸出電壓的變化Fig.2 Ignition time variation of the electric fusehead with output voltage

由圖2可以清晰地看出，隨著輸出電壓的增大，苦味酸鉀系電點火藥頭的發(fā)火時間表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，發(fā)火時間越來越集中，即電點火藥頭個體之間發(fā)火時間的差異越來越小。

隨著輸出電壓的增大，發(fā)火時間呈現(xiàn)出指數(shù)型降低的趨勢。對不同輸出電壓下點火藥頭的發(fā)火時間變化進行擬合，關(guān)系式為:t＝6.922 9e-0.169U，R2＝0.977，擬合精度比較高。當輸出電壓小于14.0 V時，電點火藥頭的發(fā)火時間隨電壓增大的變化速率很快；大于14.0 V后，發(fā)火時間逐漸平緩，最終穩(wěn)定在一個較小范圍內(nèi)。因此，在橋絲參數(shù)固定不變的條件下，每種點火藥劑會有一個最小發(fā)火時間。

對藥頭的發(fā)火時間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出不同輸出電壓下藥頭的平均發(fā)火時間t、發(fā)火時間極差R和標準差S，列于表1。并作相應的t-U、R-U、S-U曲線，如圖3所示。

表1 電點火藥頭的發(fā)火時間參數(shù)Tab.1 Ignition time parameters of the electric fusehead ms

由圖3可以看出，隨著輸出電壓的增大，電點火藥頭的平均發(fā)火時間、發(fā)火時間的極差和標準差都逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)。這表明電點火藥頭之間發(fā)火時間的差異越來越小，發(fā)火一致性提高。當輸出電壓大于15.0 V后，點火藥頭的平均發(fā)火時間穩(wěn)定在0.42 ms左右，發(fā)火時間的極差和標準差都很小。故在此能量激發(fā)條件下，苦味酸鉀系電點火藥頭的最小發(fā)火時間在0.42 ms左右。

圖3 電點火藥頭的平均發(fā)火時間t 、發(fā)火時間極差R和標準差S隨輸出電壓U的變化Fig.3 Average ignition time t，ignition time range R and standard deviation S of the electric fusehead changing with output voltage U

由前述發(fā)火理論可知，電容器的輸出電壓越高，電容器輸出的能量越大，橋絲升溫越快，橋絲與點火藥劑之間的傳熱效率也越快，從而加速激發(fā)電點火藥頭，縮短發(fā)火時間。

3.2 橋絲直徑對電點火藥頭發(fā)火時間的影響

分別制成橋絲直徑為35、25 μm的苦味酸鉀系電點火藥頭。輸出電壓為8.0 V，利用F10發(fā)火測試儀測試發(fā)火時間，每種藥頭測試30發(fā)。對藥頭的發(fā)火時間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，列于表2。

表2 不同橋絲直徑時電點火藥頭的發(fā)火時間參數(shù)Tab.2 Ignition time parameters of the electric fusehead with different bridge-wire diameters ms

由表2可知，減小橋絲直徑，苦味酸鉀系電點火藥頭的發(fā)火時間縮短，發(fā)火時間的極差和標準差較小，即藥頭的發(fā)火一致性提高。在8.0 V的輸出電壓下，橋絲直徑由35 μm減小至25 μm，藥頭的平均發(fā)火時間由2.21 ms縮短至1.30 ms。原因在于鎳鉻金屬橋絲的直徑減小，電阻增加，橋絲升溫產(chǎn)生的熱量積累增多，橋絲與點火藥之間的傳熱量增加，從而加速激發(fā)電點火藥頭，縮短發(fā)火時間。因此，其他參數(shù)保持一致，選擇較細的橋絲，可使橋絲與藥頭之間的傳熱效率提高，有利于提高數(shù)碼電子雷管電點火藥頭的瞬發(fā)度和發(fā)火可靠性。

但橋絲直徑的選擇要考慮橋絲生產(chǎn)工藝的影響:當橋絲直徑過小時，橋絲一致性會變差，從而輸入每個藥頭的能量的差異增大，影響發(fā)火一致性和可靠性。

3.3 藥頭發(fā)火狀態(tài)

利用高速攝影儀拍攝苦味酸鉀系電點火藥頭在穩(wěn)定發(fā)火時間下的發(fā)火過程，F(xiàn)10發(fā)火測試儀的輸出電壓為14.0 V。使用橋絲直徑為35 μm的發(fā)火板，發(fā)火板平放在發(fā)火夾具上，藥頭朝向高速攝影儀，拍攝距離為(1.0±0.1)m。藥頭的發(fā)火過程如圖4所示。

圖4 苦味酸鉀系電點火藥頭的發(fā)火過程Fig.4 Ignition process of potassium picrate type electric fusehead

結(jié)果表明:電點火藥頭在電容放電作用下被激發(fā)，發(fā)火較為迅速。苦味酸鉀系電點火藥頭的火焰明亮，藥劑燃燒充分，固體熾熱物多，冒白煙，燃燒時間較長(百毫秒級)，點火能力比較理想。

4 結(jié)論

1)在5.0~17.0 V的測試電壓范圍內(nèi)，隨著輸出電壓的增大，電容器輸出能量增大，苦味酸鉀系電點火藥頭的發(fā)火時間逐漸減小，發(fā)火時間的極差和標準差也逐漸減小，最后都趨于平穩(wěn)。

2)當電容器輸出電壓大于15.0 V后，苦味酸鉀系電點火藥頭的平均發(fā)火時間穩(wěn)定在0.42 ms左右，極差和標準偏差很小，藥頭的發(fā)火一致性高。

3)直徑較小的橋絲可以加快橋絲與點火藥之間的傳熱效率，有利于提高數(shù)碼電子雷管點火藥頭的瞬發(fā)度和發(fā)火可靠性。

4)苦味酸鉀系電點火藥頭的火焰明亮，藥劑燃燒充分，燃燒持續(xù)時間較長(百毫秒級)，點火能力可靠。