碳晶膜電點火橋特性研究

朱順官, 張 琳，李 燕，高 朦

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碳晶膜電點火橋特性研究

朱順官, 張 琳，李 燕，高 朦

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

利用碳晶膜作為發(fā)火元件制作了碳晶電點火橋，研究了碳晶填量及腳線極距對點火橋發(fā)火性能的影響，并比較了5種藥劑的碳晶點火橋發(fā)火感度，同時對碳晶電點火橋進(jìn)行了腳-腳間抗靜電性能測試。結(jié)果表明：當(dāng)電極塞凹槽面積一定、碳晶填量為1.2mg、腳線極距為2.4mm時，碳晶電點火橋最小全發(fā)火電壓最低為17.3V（電容47μF），且在一定范圍內(nèi)，隨著碳晶填量的增加，點火橋最小全發(fā)火電壓先下降后上升；在一定范圍內(nèi)極距越大，最小全發(fā)火電壓越大；5種藥劑碳晶點火橋發(fā)火感度從高到低依次為：斯蒂芬酸鉛、疊氮化鉛、硝酸肼鎳、B/KNO3、苦味酸鉛；此外，點火橋腳-腳間抗靜電電壓大于50kV。

碳晶；電極塞；發(fā)火特性；抗靜電

電火工品換能元的作用方式有兩種：一是熱傳導(dǎo)形式，如金屬橋絲、金屬橋膜；二是微對流形式，如SCB。它們都是通過電流的直接作用，致使發(fā)熱材料以熱量傳遞或等離子體滲入的方式，引發(fā)接觸藥劑的化學(xué)變化，繼而發(fā)生燃燒或爆炸。這樣的換能元已有著長久的應(yīng)用[1-2]，而且SCB正在不斷開發(fā)新的技術(shù)[3-4]。

碳膜作為一種電致發(fā)熱材料而用作換能元，將石墨加粘結(jié)劑形成的導(dǎo)電性漿料，涂抹在帶有電極的基底上，固化后即形成碳膜。由于石墨型碳膜的電阻較高（700~14 000Ω左右），需要較大的輸入電壓（大于100V）才能產(chǎn)生足夠熱量而點燃藥劑，相應(yīng)的發(fā)火能量卻只有幾十微焦耳。然而美軍早期的反坦克導(dǎo)彈中一直使用碳膜雷管，其能量精度很高，說明制備工藝達(dá)到了相當(dāng)高的水平[5]。目前國內(nèi)外少有文獻(xiàn)報道制作工藝簡單的點火橋。本文采用一種新材料碳晶，將其應(yīng)用于點火橋中作為發(fā)火元件，制備出了安全可靠、工藝簡單的碳晶電點火橋，并對其電爆特性進(jìn)行了初步研究。

1 實驗

1.1 碳晶電點火橋的制作及裝藥

將短切碳纖維置于研缽中研磨成一定粒徑的粉末，先在10%NaOH溶液中常溫下充分浸泡一段時間以除去雜質(zhì)，過濾干燥再轉(zhuǎn)移到乙醇中超聲振蕩，然后烘干即得碳晶。將碳晶加入溶劑丙酮中，向溶劑中加入固化劑攪拌混合均勻，蒸干溶劑后碳晶固化前將其放入模具中，施加一定壓力壓入陶瓷電極塞的凹槽內(nèi)即得碳晶電點火橋。實測橋膜電阻處于幾歐姆至十幾歐姆的范圍，其隨極距大小和碳晶填充量而變化。

裝藥條件：選取常規(guī)的起爆藥和點火藥劑，藥量15mg，壓藥壓力90MPa，形成實驗樣品。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)圖

1.2 碳晶電點火橋發(fā)火特性

實驗研究了不同碳晶裝填量、不同極距和不同裝藥下的發(fā)火性能，獲得發(fā)火電壓、發(fā)火能量和發(fā)火時間等參數(shù)，初步認(rèn)識碳晶橋膜換能元的作用特性。

點火實驗裝置由儲能放電起爆儀（ALG-CN1）、光探頭（南京理工大學(xué)制造）、數(shù)字示波器（LeCroy44 Xs）等組成，實驗裝置如圖2所示。儲能電容選用47μF鉭電容。電路連接好后先給電容充電，充至實驗電壓后使碳晶電點火橋通電發(fā)火。用數(shù)字示波器采集記錄發(fā)火過程中點火橋兩端的電壓、電流信號以及光信號。

圖2 脈沖放電實驗裝置圖

1.3 碳晶電點火橋安全性能及環(huán)境適應(yīng)性

采用靜電感度測試儀（JGY-50Ⅲ型），按GJB 736. 11-90進(jìn)行人體放電考核，并減小串聯(lián)電阻測得50%發(fā)火的靜電電壓值。利用恒流電源（ALG-HL-20A型，南京理工大學(xué)）對碳晶點火橋火工品進(jìn)行升降法試驗，計算得到其最小不發(fā)火電流，以此電流值為依據(jù)，進(jìn)一步試驗得到5min不發(fā)火的安全電流。將樣品分別置于70℃和-50℃恒溫箱中2h，以及30℃恒濕箱中48h（RH為95%），再對樣品進(jìn)行脈沖放電發(fā)火性能測試實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳晶裝填量對點火橋發(fā)火性能的影響

將不同量的碳晶壓入腳線極距為3.1mm的電極塞凹槽中制成點火橋，測試其最小全發(fā)火電壓、發(fā)火能量等。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同碳晶填量對點火橋發(fā)火性能的影響

從圖3可以看出，當(dāng)碳晶裝填量為1.2mg時，最小全發(fā)火電壓為20.6V，在一定范圍內(nèi)，隨著碳晶填量增大，最小全發(fā)火電壓與發(fā)火能量先下降后升高。碳晶電點火橋的發(fā)火機理是通電后點火元件產(chǎn)生電火花從而使藥劑發(fā)火，火花自腳線的端平面處產(chǎn)生，當(dāng)碳晶壓入厚度比腳線端平面低時，碳晶點火元件與腳線接觸不良，不能充分發(fā)揮其導(dǎo)電性能，所需發(fā)火電壓較大。當(dāng)碳晶壓入厚度比腳線端平面高時，腳線端平面上方的碳晶將電火花覆蓋，阻斷火花與藥劑接觸，因此需要更高的電壓產(chǎn)生較大的電火花使藥劑發(fā)火。只有當(dāng)碳晶壓入高度與腳線端平面等高時，所需發(fā)火電壓最小。根據(jù)能量計算公式=1/22，在一定電容下，發(fā)火電壓越大，發(fā)火能量越高。

2.2 電極塞腳線極距對點火橋發(fā)火性能的影響

將1.2mg碳晶壓入腳線極距分別為2.4mm、3.1mm、4.2 mm，面積一定的電極塞凹槽中制成點火橋，并用斯蒂芬酸鉛裝藥測試其發(fā)火性能，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 腳線極距對點火橋發(fā)火性能的影響

Tab.1 Influence of electrode distance on the firing property of CC bridge film

從表1可以看出，當(dāng)其他條件一定時，在一定范圍內(nèi)腳線極距越小，最小全發(fā)火電壓與發(fā)火能量越小，發(fā)火時間越長。根據(jù)場強計算公式=/，同一電壓下，極距越小場強越大，碳晶內(nèi)阻也隨腳線極距變小而變小，因此流過碳晶電流越大，形成電火花也越大，更容易使藥劑發(fā)火。藥劑發(fā)火存在一定的臨界發(fā)火能量，=∫d，電壓越小，因此電流越小，所需發(fā)火時間越長。

2.3 不同藥劑的發(fā)火特性對比

采用腳線極距為3.1mm，碳晶填量為1.2mg的點火橋分別對5種藥劑進(jìn)行發(fā)火試驗，參照文獻(xiàn)[6]方法比較不同藥劑的發(fā)火感度順序。使用D-最優(yōu)化程序進(jìn)行了點火電壓的預(yù)計，實驗結(jié)果如表2所示，5種藥劑發(fā)火時間——電壓數(shù)據(jù)如圖4所示。

表2 5種藥劑的D-最優(yōu)法數(shù)據(jù)

Tab.2 Function data of 5 kind of compositions by D-optimal method

通過對比不同藥劑的50%發(fā)火電壓和全發(fā)火電壓，結(jié)合圖4，可以得出不同藥劑碳晶電點火橋發(fā)火的感度從高到低的順序為：斯蒂芬酸鉛、疊氮化鉛、硝酸肼鎳、B/KNO3、苦味酸鉛。

圖4 5種藥劑發(fā)火時間——電壓

2.4 碳晶電點火橋腳-腳間抗靜電測試

對點火橋在斯蒂芬酸鉛裝藥條件下進(jìn)行腳-腳間抗靜電實驗，電容500pF、串聯(lián)5 000Ω電阻。碳晶電點火橋腳-腳間抗靜電電壓大于50kV；當(dāng)串聯(lián)電阻為500Ω時，其50%發(fā)火電壓為53kV，抗靜電性能相當(dāng)好，這是碳晶點火橋的一個非常突出的優(yōu)勢。

2.5 碳晶電點火橋的安全電流

極距3.1mm的碳晶橋裝填細(xì)顆粒（200目下）斯蒂芬酸鉛，實測的安全電流只有0.38A。為提高其安全電流，在腳-腳間并聯(lián)一個負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），該NTC熱敏電阻主要起分流作用，其靈敏度高、性能穩(wěn)定，能對各種溫度變化快速響應(yīng)。此條件下能夠達(dá)到1A、5min不發(fā)火。并聯(lián)NTC熱敏電阻后，發(fā)火性能與并聯(lián)前沒有任何改變，表明熱敏電阻分流技術(shù)對提高碳晶橋的安全性非常有效。

2.6 高低溫及高濕下的發(fā)火性能

同樣采用極距3.1mm的碳晶橋裝填細(xì)顆粒（200目下）斯蒂芬酸鉛，經(jīng)過高低溫存放后，對其進(jìn)行脈沖放電發(fā)火性能測試，放電電容47μF，在不同輸入電壓下測量并記錄發(fā)火時間與發(fā)火能量，實驗結(jié)果見表3~4。

表3 70℃下碳晶電點火橋的發(fā)火性能

Tab.3 Firing property of CC bridge film under 70℃

表4 -50℃下碳晶電點火橋的發(fā)火性能

Tab.4 Firing property of CC bridge film under -50℃

將表3~4中的數(shù)據(jù)與圖4的結(jié)果對比，可以看出，系統(tǒng)點火條件下，70℃與-50℃下碳晶電點火橋的發(fā)火時間及發(fā)火能量與常溫下的發(fā)火性能數(shù)據(jù)一致，由此可以認(rèn)為高低溫對碳晶電點火橋的發(fā)火性能沒有影響，原因可能是碳晶電點火橋的發(fā)火機理不同于半導(dǎo)體橋的等離子體點火，其主要是產(chǎn)生電火花從而使藥劑發(fā)火，因而受外界環(huán)境溫度影響較小。

恒溫高濕條件進(jìn)行了2項試驗，一項是正常裝藥的樣品，存放后進(jìn)行脈沖放電點火；另一項是碳晶橋裸橋在高濕存放后，裝藥壓藥形成樣品進(jìn)行脈沖點火試驗。實驗結(jié)果見表5~6。

表5 30℃95%RH下碳晶電點火橋發(fā)火性能（先裝藥）

Tab.5 Firing property of CC bridge film under 30℃, 95% RH condition

表6 30℃95%RH下碳晶電點火橋發(fā)火性能（后裝藥）

Tab.6 Firing property of bared CC bridge film under 30℃, 95% RH condition

從表5可以看出，30℃95%RH下碳晶電點火橋的發(fā)火時間及發(fā)火能量均比正常條件（40V時131.5μs、2.14mJ）[7]下大，說明在高濕度下碳晶電點火橋的發(fā)火性能惡化；由表6可見裸露橋膜經(jīng)歷高濕環(huán)境后再裝藥，其發(fā)火時間及發(fā)火能量與正常條件下幾乎一致，因此可以確認(rèn)碳晶橋膜能夠耐受潮濕環(huán)境。

3 結(jié)論

利用碳晶作為發(fā)火元件制作出了碳晶膜電點火橋，并對其點火特性進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明：

（1）對確定的矩形填充槽，在一定范圍內(nèi)，隨著碳晶填量的增加，點火橋最小全發(fā)火電壓先下降后上升；當(dāng)槽寬2.28mm、腳線極距為2.4mm時，碳晶填量為1.2mg，碳晶膜電點火橋最小全發(fā)火電壓為17.3V。（2）相同槽寬時，在一定范圍內(nèi)，極距越大，最小全發(fā)火電壓越大，點火橋趨于鈍感。（3）5種藥劑碳晶膜點火橋發(fā)火感度從高到低依次為：斯蒂芬酸鉛、疊氮化鉛、硝酸肼鎳、B/KNO3、苦味酸鉛，這與裝藥的成型密度有關(guān)聯(lián)。（4）碳晶橋膜自身具有很強的抗潮濕能力，且受高低溫的影響也極其微小。（5）碳晶膜電點火橋自身就有很強的靜電防護(hù)能力，值得深入研究其內(nèi)在機理。

[1] 葉迎華.火工品技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.

[2] 朱朋,沈瑞琪,葉迎華,等.介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能點火橋和點火橋陣列:中國,CN201107644U[P].2012- 01-11.

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[7] 高朦. 碳晶電點火橋技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2015.

Study on the Igniter with Carbon Crystal Bridge-film

ZHU Shun-guan, ZHANG Lin, LI Yan, GAO Meng

（Nanjing University of Science & Technology, Nanjing, 210094）

Carbon crystal（CC）electric ignition bridge has been prepared by using carbon crystal as ignition components，the impact of the mass of carbon crystal and foot line spacing on the ignition bridge performance was studied, and the ignition sensitivity of five kinds of explosive was compared, at the same time, the experiment of foot-foot antistatic was carried out. Results show that the ignition bridge attains the lowest minimum total ignition voltage of 17.3V, when the quantity of carbon crystal is 1.2mg, and the foot line spacing is 2.4mm. Within a certain range, with the increase of carbon crystal filling quantity, the minimum total ignition voltage drop before they rise, and within a certain range, the bigger of foot line spacing, the higher of the minimum total ignition voltage. The order of electro-spark sensitivity from high to low is lead styphnate, lead azide, nickel hydrazine nitrate, B/KNO3,lead picrate. Meanwhile, the carbon crystal electric ignition bridge has good foot-foot antistatic performance of 50kV.

Carbon crystal；Electric plug；Firing property；Antistatic

1003-1480（2015）03-0001-04

TJ450.3

A

2015-02-23

朱順官（1962-），男，研究員，從事新型火工藥劑技術(shù)研究。