靜電放電對(duì)爆炸橋絲火工品作用性能影響研究

李志鵬，文 雯，呂子劍，代 斌，龍新平

（中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng)，621900）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高分子材料、微電子器件以及電爆裝置在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，靜電造成的危害也日益受到人們的關(guān)注和重視[1]。

目前，對(duì)武器系統(tǒng)總體作用可靠性的要求不斷提高，對(duì)火工品也提出了更高的要求，不僅要進(jìn)行靜電放電安全性試驗(yàn)，而且要進(jìn)行作用可靠性試驗(yàn)。美軍標(biāo)中明確要求火工品進(jìn)行靜電刺激后其作用可靠性不應(yīng)降低。美國(guó)曾對(duì)4種高能熱橋絲起爆器和3種不同類(lèi)型的爆炸橋絲火工品進(jìn)行了靜電刺激后的作用性能測(cè)試，結(jié)果表明靜電放電刺激導(dǎo)致火工品出現(xiàn)施加正常發(fā)火脈沖不能發(fā)火、超出全發(fā)火和不發(fā)火水平范圍、作用時(shí)間和爆炸電流閾值有所提高等問(wèn)題[2]。齊杏林[3]等研究了多次靜電放電刺激對(duì)電點(diǎn)火具恒流發(fā)火時(shí)間的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)靜電放電刺激使電點(diǎn)火具恒流發(fā)火時(shí)間有變短的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，靜電放電對(duì)火工品作用性能的影響不容忽視，但該方面的工作尚未引起人們的足夠關(guān)注，相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道和研究工作都較少見(jiàn)。因此，非常有必要研究靜電放電對(duì)火工品作用性能的影響情況，并對(duì)其原因進(jìn)行分析。

本文采用靜電放電模擬發(fā)生器對(duì)某爆炸橋絲火工品進(jìn)行了靜電放電刺激，并用微焦距工業(yè)CT詳細(xì)觀測(cè)了靜電放電對(duì)火工品橋絲以及始發(fā)裝藥造成的損傷情況，然后對(duì)其橋路電阻以及施加正常發(fā)火脈沖能否發(fā)火等性能進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了靜電放電影響火工品作用性能的主要原因。研究工作對(duì)于深入認(rèn)識(shí)靜電放電對(duì)火工品的作用效應(yīng)、了解靜電放電對(duì)火工品可靠性的影響機(jī)理及原因有一定意義。

1 試驗(yàn)方法

通過(guò)對(duì)被測(cè)爆炸橋絲火工品的結(jié)構(gòu)分析，靜電放電對(duì)其可能的作用方式主要包括腳-腳放電以及腳-殼放電兩種，如圖 1所示。其中腳-腳方式放電（圖 1（a）中A-B）與火工品正常的起爆方式類(lèi)似。腳-殼方式放電（圖1（b）中A(B)-C）時(shí)，靜電放電可能導(dǎo)致火工品腳殼間發(fā)生擊穿，從而對(duì)火工品的裝藥產(chǎn)生損傷，影響其作用性能。

圖1 靜電放電對(duì)火工品的兩種主要作用方式示意圖Fig.1 Two manner of ESD applied to detonators

目前公開(kāi)報(bào)導(dǎo)的ESD（ElectroStatics Discharge）模型有人體模型（HESD）、場(chǎng)增強(qiáng)模型(或者人體－金屬模型)、機(jī)器(日本)模型等8種之多[4]。由于火工品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配等過(guò)程發(fā)生的靜電威脅幾乎都與人的活動(dòng)有關(guān)，人體靜電也成為引起電火工品發(fā)生意外爆炸的最主要和最經(jīng)常的因素。因此，火工品的靜電安全性評(píng)價(jià)側(cè)重于采用人體ESD模型進(jìn)行研究。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[5]，生產(chǎn)實(shí)踐中人體可能攜帶的最大靜電電位值一般不超過(guò) 50kV，人體比較嚴(yán)酷的模型參數(shù)為：C=500pF，R＝100Ω。采用上述人體ESD模型參數(shù)，按圖2所示的方法對(duì)被測(cè)火工品分別進(jìn)行腳－腳和腳－殼兩種方式的靜電放電刺激。每種放電方式選取20發(fā)火工品試樣，對(duì)每發(fā)試樣進(jìn)行1次靜電放電刺激，然后檢測(cè)靜電放電刺激對(duì)火工品作用性能的影響情況。

圖2 靜電放電試驗(yàn)方法原理示意圖Fig.2 Sketch of ESD experimental principle

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)靜電放電刺激后爆炸橋絲火工品的橋路電阻值變化情況、火工品施加正常發(fā)火脈沖后能否起爆，以及起爆后的單發(fā)作用時(shí)間是否仍滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求等進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 靜電放電刺激后被測(cè)火工品的作用性能檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Performance test results of detonators after ESD

測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)靜電放電以腳-腳方式對(duì)被測(cè)火工品作用后，未對(duì)其橋路電阻值產(chǎn)生明顯影響，被測(cè)的20發(fā)火工品全部正常發(fā)火，且測(cè)試得到的單發(fā)作用時(shí)間均在技術(shù)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)。而當(dāng)靜電放電以腳-殼方式對(duì)被測(cè)火工品作用后，雖然其橋路電阻值也未發(fā)生明顯變化，但20發(fā)中出現(xiàn)2發(fā)火工品施加正常發(fā)火脈沖后未能發(fā)火。

2.2 腳-腳間靜電放電對(duì)火工品作用性能的影響分析

為了分析造成上述測(cè)試結(jié)果的原因，采用微聚焦工業(yè)CT對(duì)靜電放電刺激后火工品始發(fā)裝藥的情況進(jìn)行了檢測(cè)。圖3所示為被測(cè)火工品橋絲與裝藥部分的結(jié)構(gòu)示意圖，用CT分別對(duì)A-A剖面和B-B剖面進(jìn)行了觀測(cè)和

圖3 被測(cè)火工品經(jīng)腳-腳靜電放電后檢測(cè)部位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of detection part of the detonator after ESD applied to pin-to-pin

圖 4所示為對(duì)被測(cè)火工品以腳-腳方式靜電放電刺激后的CT檢測(cè)照片。由圖4可見(jiàn)，在橋絲周?chē)c火工品殼體間的區(qū)域內(nèi)，始發(fā)裝藥的分布灰度值一致，表明始發(fā)藥密度分布仍保持均勻，未觀察到始發(fā)藥狀態(tài)發(fā)生改變。由此可見(jiàn)，靜電經(jīng)被測(cè)火工品腳－腳之間放電時(shí)，未對(duì)始發(fā)藥造成損傷。

圖4 被測(cè)火工品經(jīng)腳-腳靜電放電后的CT照片F(xiàn)ig.4 CT pictures of detonator after ESD applied to pin-to-pin

當(dāng)火工品腳-腳間靜電放電時(shí)，可以簡(jiǎn)化為電容放電起爆電火工品的問(wèn)題，但同一般意義上的電容放電不同，由于靜電放電時(shí)間極短，橋絲熱量幾乎來(lái)不及向外擴(kuò)散，可以視作絕熱過(guò)程。因此，橋絲溫升的大小往往決定著是否會(huì)對(duì)始發(fā)裝藥造成損傷，以及火工品在靜電刺激條件下是否發(fā)生點(diǎn)火。橋絲溫升和沖擊電流的關(guān)系式如下[6]：

式（1）中：△T為橋絲溫升（起始溫度20 ℃）；I為電流；t為時(shí)間；c為橋絲材料比熱；ρ為橋絲材料密度；ω為橋絲體電阻；A為橋絲橫截面積；λ為橋絲電阻溫度系數(shù)。

根據(jù)式（1），已知被測(cè)火工品中始發(fā)裝藥發(fā)生熔融、橋絲熔化和汽化所需的臨界溫度值，計(jì)算可得到相應(yīng)的沖擊電流值，如表2所示。

圖5 沖擊電流的密度函數(shù)分布圖Fig.5 Density function distribution of action integral

表2 沖擊電流值計(jì)算結(jié)果Tab.2 Numerical results of action integral

本文采用的人體靜電模型（HESD）參數(shù)為：50 kV，500pF，100 Ω。根據(jù)沖擊電流為能量與電阻的比值，計(jì)算可得到該條件下靜電放電最大的沖擊電流值為：

表2僅計(jì)算了臨界溫度值處的沖擊電流值，考慮到產(chǎn)品的實(shí)際差別，溫度以及沖擊電流值應(yīng)該分布在一定的誤差范圍內(nèi)。假定沖擊電流的分布服從正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差取產(chǎn)品制造所允許的典型偏差10%，由此可計(jì)算得到?jīng)_擊電流的密度函數(shù)分布圖。為便于比較，對(duì)圖形進(jìn)行歸一化處理，如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，人體模型靜電放電的沖擊電流值不僅小于該火工品始發(fā)裝藥熔融所需的沖擊電流值，而且遠(yuǎn)小于其橋絲熔融以及汽化所需沖擊電流值。也就是說(shuō)，在本文采用的靜電放電刺激條件下，對(duì)橋絲造成的溫升很小，不會(huì)對(duì)橋絲及始發(fā)藥造成損傷。因此，也就不會(huì)對(duì)其作用性能產(chǎn)生影響。

2.3 腳-殼間靜電放電對(duì)火工品作用性能的影響分析

圖 6為對(duì)被測(cè)火工品以腳-殼方式靜電放電刺激后檢測(cè)部位結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 被測(cè)火工品經(jīng)腳-殼靜電放電后檢測(cè)部位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch of the detection part of the detonator after ESD applied to pin-to-cup

圖7為靜電放電后CT檢測(cè)照片。由圖7可見(jiàn)，由于受到靜電放電火花的沖擊作用，導(dǎo)致部分區(qū)域始發(fā)裝藥的分布灰度值變小，表明其密度降低，受到一定程度的損傷。損傷的形貌呈現(xiàn)典型的“樹(shù)杈”形狀，主要分布在橋絲焊點(diǎn)和殼體間的區(qū)域內(nèi)，越接近電極塞的部分損傷越嚴(yán)重，這可能與該處距離殼體較近，靜電更易釋放，且放電能量更為集中有關(guān)。

圖7 被測(cè)火工品經(jīng)腳-殼靜電放電后不同部位CT照片F(xiàn)ig.7 CT pictures of detonators after ESD applied to pin-to-cup

在火工品腳-殼間靜電放電形成電火花的過(guò)程中，由于空氣瞬時(shí)被電離加熱到很高的溫度，迅速膨脹產(chǎn)生沖擊波，在始發(fā)裝藥中形成放電擊穿通道，形成一個(gè)密度疏松區(qū)。該區(qū)域在沖擊波傳播過(guò)程中形成稀疏波，稀疏效應(yīng)使得爆燃反應(yīng)無(wú)法自持傳播，最后導(dǎo)致反應(yīng)熄滅，這可能就是部分火工品未能正常發(fā)火的主要原因。

3 結(jié) 論

在本文采用的人體模型靜電放電刺激試驗(yàn)條件下（50 kV，500 pF，100Ω），靜電通過(guò)被測(cè)爆炸橋絲火工品腳-腳放電時(shí)，由于人體模型靜電放電的沖擊電流值較小，對(duì)橋絲造成的溫升有限，未對(duì)橋絲及始發(fā)藥造成損傷，因此也未對(duì)其作用性能產(chǎn)生影響。然而，當(dāng)靜電通過(guò)被測(cè)爆炸橋絲火工品腳-殼放電時(shí)，靜電放電的沖擊作用對(duì)其始發(fā)裝藥造成了一定損傷，影響火工品的正常發(fā)火過(guò)程，導(dǎo)致部分被測(cè)火工品出現(xiàn)瞎火。研究工作對(duì)于認(rèn)識(shí)靜電放電對(duì)爆炸橋絲火工品的損傷效應(yīng)以及對(duì)其作用性能的影響原因有參考意義。

[1]劉尚合,宋學(xué)君.靜電及其研究進(jìn)展[J].自然雜志,2008,29(2):63-69．

[2]王凱民,溫玉全.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[3]齊杏林,陳硯橋.靜電放電刺激對(duì)電點(diǎn)火具恒流發(fā)火時(shí)間的影響[J].火工品,1999(1):9-12．

[4]魏光輝,國(guó)海廣,孫永衛(wèi)．電火工品靜電安全性評(píng)價(jià)方法研究[J].火工品,2005(2):21-24．

[5]Dan Borovina，Douglas McHugh，Steven Clarke，et al．Electrostatic discharge sensitivity of detonators[C]//The 13th International Detonation Symposium.Norfolk,Virginia:Los Alamos National Laboratory,2006．

[6]Michael J.Wilson．Projected response of typical detonators to electrostatic discharge(ESD) environments[R].UCRL-ID-145 642,2002．