延期狀態(tài)下電子雷管電子控制模塊的高過載加載實驗

關鍵詞：電子雷管；電子控制模塊；分離式霍普金森壓桿；高過載；失效

近年來，隨著微電子火工品的大力推廣，電子雷管在爆破作業(yè)中的使用量逐年增加[1–3]。與其他工業(yè)雷管相比，電子雷管的延期時間精準且可調，起爆網絡設計簡單，安全隱患相對較少[4–5]，這些優(yōu)點都得益于其內部采用微型電子芯片取代了延期藥和電引火元件[6–7]。但是，電子雷管在沖擊載荷作用下經常失效拒爆，且主要存在于小斷面等炮孔間距近的爆破環(huán)境中。當受到爆炸沖擊波影響時，電子雷管內的電子控制模塊受損失效，導致電路無法正常傳遞信號和電量，從而發(fā)生拒爆現(xiàn)象[8–10]。

迄今為止，國內外學者針對電子雷管受沖擊失效拒爆問題已開展了大量研究。Ren等[11]采用分離式霍普金森壓桿（splitHopkinsonpressurebar，SHPB）對電子雷管試樣進行了加載測試，得到了橋絲、電子控制模塊及腳線鉚接點受不同程度過載時的失效情況。楊文等[12–13]開展了電子雷管水下爆炸沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)雷管拒爆是由于內部電子控制模塊中電容受沖擊失電導致剩余電量無法引燃藥頭所致。李長龍等[14]利用馬歇特落錘對鉭電容進行了高過載測試，得到了鉭電容在沖擊載荷下短路失效時發(fā)生漏電流變化的機制。Teverovsky[15]研究了機械應力對片式固體鉭電容的影響，首次證明了鉭電容內的漏電流會隨應力出現(xiàn)可逆變化，且該變化高達2個數量級。王家樂等[16]利用掃描電鏡觀察受水下爆炸沖擊的鉭電容，發(fā)現(xiàn)其失效機理與內部氧化膜瑕疵有關。

在沖擊載荷作用下，可靠的電子控制模塊是決定電子雷管發(fā)火穩(wěn)定性的關鍵。雖然已有不少研究對電子雷管的失效問題進行了闡述，但有關沖擊載荷對電子雷管失效問題的研究主要集中在電容上，而對帶有雷管殼的電子控制模塊及其內部核心組件芯片的沖擊失穩(wěn)研究不夠深入。如今，SHPB實驗方法被廣泛應用于測試和評判火工品在沖擊載荷作用下的發(fā)火可靠性，其可行性也已經得到了驗證[17–19]。本研究利用SHPB對處于延期狀態(tài)下的整體電子控制模塊和分離出鉭電容的其余電子控制模塊進行加載測試，觀察電容電壓和橋絲的變化；對比試件在未受加載時從延期開始到起爆結束的情況，并對試件在非延期狀態(tài)下（雷管不接入起爆網絡）進行相同強度的加載測試，排除可能因加載而引起的試件內橋絲或電子控制模塊的損傷，綜合分析高過載條件下電子雷管電子控制模塊的失效模式。

1實驗

1.1實驗裝置

實驗所采用的SHPB系統(tǒng)由秦皇島龍科測控技術有限公司制造，搭配CS-1D型動態(tài)電阻應變儀和惠斯通電橋（秦皇島信恒電子科技有限公司生產）、靈敏系數為2.0的應變片（益陽市廣測電子有限公司生產）和HDO4034A示波器（TELEDYNELECROY公司生產）組成高過載測試系統(tǒng)，如圖1所示。其中電子雷管電子引火元件及電子雷管起爆器統(tǒng)一由我國某電子控制模塊生產廠家提供。

1.2SHPB高過載實驗原理

本研究采用SHPB對未裝主發(fā)藥和點火藥頭的數碼電子雷管試件進行高過載測試。發(fā)射裝置內的子彈在高氣壓的作用下帶動撞擊桿向右運動，當接觸到入射桿左端面時，撞擊使得壓桿內部產生應力波，應力波繼續(xù)向右傳播至數碼電子雷管試件，對試件進行一次高過載加載。隨后應力波依次在透射桿、吸收桿內傳播，最后作用于緩沖器，至此，一次加載實驗結束。

應力波在細長桿中傳播時，可忽略波的衰減和彌散效應，因此，將壓桿中的應力波視為一維波[20–22]。由于試件的大小和質量與壓桿相比小得多，因此，忽略波在壓桿與試件接觸面的界面效應和損耗。而壓桿對試件的高過載加載發(fā)生在其剛接觸試件的微秒級時間間隔內，通過固定在入射桿上的應變片測得的瞬時應變反饋到示波器后顯示的電壓變化曲線，可以計算得到其過載加速度。通過示波器能夠得出一次加載實驗過程中的電壓U隨時間t的關系，由于實驗中在入射桿同一圓周的對稱位置粘貼2片相同的應變片，且實驗所用電橋為半橋，因而可以得到應變與電壓的關系式中：?為應變，K為應變片靈敏度系數，A為超動態(tài)應變儀設定增益，U1為超動態(tài)應變儀設定橋壓。

1.3試樣準備

實驗選用同一型號、同一批次的電子引火元件，內含橋絲附于橋膜上，單個鉭電容與單個控制芯片組成電子控制模塊，元件的具體參數如表1所示。起爆器在延期狀態(tài)下的輸出電壓為22V，誤差在±5%以內。起爆器延期時間小于1000ms時，誤差在±1%以內；延期時間大于1000ms時，誤差在±5%以內。單電容電路的模塊中，電容存儲的電量用于引燃藥頭，芯片用于控制延期和管理通信的電量由起爆器直接提供。如圖2所示，在發(fā)出授時充電指令后，起爆器向芯片充電，隨后可進行延期設置和組網操作。芯片收到充高壓指令后，打開開關K1為起爆電容充電；收到延期指令后，芯片控制開關K2連通電容與橋絲回路，釋放電能并引燃藥頭，完成起爆流程。

將鉭電容外側的黑塑膠剝離，在電容兩端焊接導線，用于監(jiān)測電壓變化。作為電子控制模塊的核心組件，芯片的抗振性能也尤為重要。為此，首先將電容從模塊中分離出來，焊接在PCB板上，利用導線將電容連接到模塊以形成閉合回路。然后，固定好PCB板，確保模塊與電容之間的導線足夠長，以免在撞擊時被拉斷，且為防止焊點短路，需在焊點外側添加薄層絕緣材料。最后，在電子引火元件的尾端焊接電子雷管專用腳線，將其放入6.9mm的鋁管殼中并進行卡口，制成電子雷管模型。由此形成整體電子控制模塊（模型A）和分離出鉭電容的其余電子控制模塊（模型B）2種實驗模型，如圖3所示。

在實際爆破中，先爆炮孔的爆轟波會對后爆炮孔內的數碼電子雷管產生側向沖擊，因此，本研究采用側向加載方式。制作外徑為20mm、長度為15mm的圓柱形鋼錠，該鋼錠所用材質與壓桿材質相同，在曲面中心位置穿6.9mm的圓孔，將制備好的2種電子雷管模型分別放入圓孔內，采用緊配合固定，制成A型試件和B型試件。

2實驗結果與分析

2.1非加載實驗

將準備的2種連線方式的電子雷管試件分別接入起爆網絡，延期時間設置為3000ms，在不受高過載加載的情況下進行起爆。延期結束后，用起爆器重新檢測，結果顯示橋絲斷開，電子控制模塊正常，剝開管殼，觀察發(fā)現(xiàn)橋絲有明顯熔斷現(xiàn)象。延期及起爆過程中電容兩端電壓的變化曲線如圖4所示。由于非專業(yè)焊線及外加導線等原因，電壓變化曲線粗細不均勻。

在延期過程中，電容電壓穩(wěn)定在起爆器輸出電壓22V左右。延期結束瞬間，電容收到起爆指令，傳遞電量熔斷橋絲，導致電壓驟降。由圖4可知，A型和B型試件內鉭電容的電壓分別降低至7.5和2.2V后趨于平緩，在熔斷橋絲之后，電容內還存在剩余電荷，表明電子雷管內電容滿狀態(tài)時的電量足以熔斷橋絲，引燃藥頭。

2.2加載實驗

2.2.1非延期狀態(tài)加載實驗

將A型和B型電子雷管試件依次固定于入射桿與透射桿之間，在非延期狀態(tài)下，選取0.3、0.6、0.9和1.2MPa氮氣壓力對A型和B型試件分別進行不同強度的加載，每種強度下進行3次加載。除3次1.2MPa壓力連續(xù)加載的鋼錠發(fā)生脆性斷裂外，其余鋼錠外觀均無明顯變化。取出部分完好鋼錠內的電子引火元件，觀察橋絲橋膜、電容及焊線部分，如圖5所示。從圖5可以看出，撞擊后的橋絲橋膜、電容外觀未出現(xiàn)異常情況，且焊接點依然穩(wěn)固牢靠。

2.2.2延期狀態(tài)下加載整體模塊實驗

將A型電子雷管試件固定于入射桿與透射桿之間，調整氮氣氣壓（0.1～1.0MPa范圍內取10個氣壓值），在延期狀態(tài)下對試件進行加載測試。讀取試件內鉭電容在延期狀態(tài)下受過載影響的電壓變化，同時觀察橋絲在延期結束后是否熔斷，并檢測電子控制模塊的有效性。有研究[23]表明，在高強度沖擊載荷作用下，鉭電容的電容量隨彈性變形的增大而增大，但與起始值相比，變化量極小，可忽略高過載時鉭電容容值的改變。

本研究在子彈長度相同的條件下進行實驗，且未使用波形整形器，因此，所得入射桿上的脈沖寬度一致，即實驗中試件受到的有效過載加速度時間一致[20，24–25]。以0.2MPa氣壓下的入射桿脈沖信號及過載加速度為例，說明實驗中的沖擊作用時間。圖6（a）給出了0.2MPa氣壓下入射桿受到撞擊時的電壓信號，脈沖持續(xù)時間約為130μs。通過式（1）、式（2）和式（3）可以得出試件所受的過載加速度，過載加速度時程曲線如圖6（b）所示。應力波加載后，試件所受的過載加速度迅速達到最大負峰值，之后應力波在試件與兩壓桿接觸面間傳播時進行反射和透射，過載加速度在零附近振蕩衰減。經過約110μs，應力波開始卸載，過載加速度隨之達到最大正峰值，之后逐漸減小至零。整個加載過程持續(xù)約130μs，其中最大負峰作用時間約為20μs，最大正峰作用時間約為30μs。當增大撞擊壓力時，子彈速度也隨之改變，會使得過載加速度峰值相應增大，但試件從加載到卸載的時間仍維持在130μs。

圖7給出了A型試件在延期過程中鉭電容電壓隨沖擊載荷的變化。由于整體有效加載時間與電容電壓變化時間相比很小，因此，圖7中過載加速度取最大值。當氣壓為0.1MPa時，過載加速度為8.65×104g（g為重力加速度），電壓與施加過載之前一致，未有明顯變化。當氣壓增加至0.2MPa時，過載加速度為1.494×105g，電壓在受過載瞬間從21.84V下降至21.62V，下降了0.22V，然后在不到1ms時間間隔內回到初始電壓值并穩(wěn)定。當氣壓增加至0.3MPa時，過載加速度為2.113×105g，電壓在受過載瞬間從21.77V下降至20.85V，下降了0.92V，而后升至21.57V并趨于平穩(wěn)，與初始電壓稍有偏差，但不影響雷管的正常起爆。當氣壓繼續(xù)增加，過載達到2.586×105g和2.742×105g時，電壓也分別下降了1.90和2.70V。當氣壓為0.4和0.5MPa時，電壓在驟降到一定值后開始抬升，由于連接的起爆器一直為高壓恒壓充電狀態(tài)，因此，上升速率隨電壓增大而減小，電壓上升曲線為鉭電容恒壓充電過程中的電壓變化。

當氣壓增加至0.6MPa，電容電壓的變化規(guī)律與氣壓為0.5MPa時相似，在過載加速度達到3.043×105g后，電壓從21.40V降至15.58V，下降了5.82V。當氣壓增加到0.7MPa時，過載加速度為3.316×105g，電壓瞬間從21.30V降低至4.85V，并在5V上下波動近8.5ms后上升，上升速率隨電壓增大而減緩，整個變化過程持續(xù)約20ms；在此氣壓下，電壓下降了16.45V。而當氣壓為0.8MPa，過載加速度達到3.625×105g時，電壓在驟降到0.87V后在近20ms的時間內只回升至5.30V。氣壓繼續(xù)增大后，過載加速度達到3.848×105g，電容電壓從21.40V直降至零后不再變化。

利用起爆器逐一檢測施加過載后的試樣，發(fā)現(xiàn)0.1～0.6MPa氣壓撞擊的試樣檢測顯示橋絲斷開，剝開管殼發(fā)現(xiàn)橋絲有明顯燒灼熔斷痕跡。0.7MPa氣壓撞擊的試樣顯示雷管合格，剝開管殼發(fā)現(xiàn)橋絲與未施加加載前一致，沒有熔斷，對該試樣進行第2次起爆，在延期結束瞬間，可以清楚地看到橋絲位置有火光顯現(xiàn)，即橋絲正常熔斷。0.8MPa氣壓加載的試樣檢測顯示雷管合格，但二次起爆時仍拒爆，用萬用表測量該試樣的鉭電容容值，發(fā)現(xiàn)電容值超出原始數量級，多次測量后電容值又能保持在原始值的有效誤差以內，再對該試樣進行多次起爆后發(fā)現(xiàn)橋絲也能熔斷。對0.9和1.0MPa氣壓撞擊的模塊檢測顯示通信錯誤，剝開管殼發(fā)現(xiàn)橋絲未熔斷。

結果表明，0.6MPa及以下氣壓對處于管殼內的鉭電容穩(wěn)定性存在影響，在受到沖擊載荷時出現(xiàn)短路失效現(xiàn)象，然后在較短時間內各參數恢復至原來的量級，這與鉭電容內部的特殊陰極材料有關[26–27]，它能夠保證電容電壓在一定時間內回到起始值，不影響延期結束后的正常起爆。電壓回升至初始值可以確保起爆器在延期階段保持電容電壓穩(wěn)定，但電容與橋絲、芯片相連，存在外部放電電路，因此，電壓下降除了鉭電容內部介電層被擊穿導致短路失效的原因外，還應考慮連接電容與橋絲的開關K2在過載瞬間短暫閉合，導致電容電量流失進入橋絲線路，使橋絲未到延期結束就已熔斷，造成雷管早爆。當電子雷管試件承受0.7MPa氣壓撞擊后，由于模塊在延期結束瞬間受高過載或跌落振動影響，電容內電壓過低使得殘存的電荷量不足以熔斷橋絲，而該加載壓力下的過載并未對電容內部結構造成致命損傷，鉭電容依舊能夠自愈，導致模塊第1次無法成功起爆而能成功二次起爆。上述現(xiàn)象在現(xiàn)場工況出現(xiàn)的頻率不減，因后爆炮孔內電子雷管在延期階段結束時受到來自先爆炮孔爆炸產生的沖擊波的影響，電容處于低壓不足狀態(tài)，即使芯片正常傳遞指令，殘留的電量也無法引燃藥頭，致使雷管拒爆。當氣壓增加到0.8MPa時，鉭電容受高過載影響，無法在有限時間內回到穩(wěn)定狀態(tài)，導致延期結束時內部存儲的電量無法滿足橋絲熔斷要求。當試件承受0.9和1.0MPa氣壓撞擊后，過高的載荷導致內部電量全部流失，電容徹底損傷且無法逆轉，失去存儲電荷的能力；而芯片在該加載下的損傷狀態(tài)難以判斷，起爆器顯示的通信錯誤表明可能存在電容、芯片或電路內其他元件的損壞。

實驗中需剝開包裹在鉭電容外的黑塑膠，并且在電容上固定薄層絕緣材料，同時模塊與管壁間還存有薄空氣層，因此，與未剝膠的電容抗過載效果存在些許差異。試件完成一次撞擊后，會跌落到地面上再次發(fā)生碰撞，本研究的不足之處是實驗中未考慮跌落對電子引火元件穩(wěn)定性的影響。

2.2.3延期狀態(tài)下單獨加載芯片實驗

由整體模塊加載實驗可知，芯片的抗過載能力強于電容，在電容受撞擊短暫失效時芯片仍能正常通信。將B型電子雷管試件固定于入射桿與透射桿之間，同樣調整氮氣壓力，取0.7～1.2MPa范圍內6個壓力進行加載測試，每個壓力下分別進行3次撞擊實驗。

對所得實驗結果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)電壓變化規(guī)律較為相似，大致可以分為2類。圖8給出了B型試件受不同過載時出現(xiàn)的2種電容電壓變化類型。從圖8（a）可以看出，類型Ⅰ的電壓在延期過程中保持在起爆器的輸出電壓22V左右，當3000ms延期結束后，電壓驟降至3.8V之后保持穩(wěn)定，用起爆器重新檢測雷管，結果顯示橋絲斷開。由此可知，電容內存儲的大部分電量能夠在規(guī)定的延期時間內傳輸至橋絲并將其熔斷，芯片在該過載條件下能夠正常工作且電路暢通完整。從圖8（b）可以看出，類型Ⅱ的電容電壓一直穩(wěn)定不變，因過載強度太大，芯片或電路板上其他元件受損，導致電容內電量無法釋放，重新檢測雷管顯示通信錯誤，剝開管殼觀察橋絲無發(fā)火痕跡。實驗所得B型試件在高過載加載下模塊各組件的失效情況如表2所示。

4.100×105g以下的過載對模塊內的芯片沒有影響。當過載達到4.249×105g時，芯片檢測正常，但在4.155×105g的過載下出現(xiàn)異常，可見同一批次的芯片在出廠質量上無法保證完全一致；抗沖擊載荷的差異還應考慮芯片外部黑塑膠的注塑壓力以及制作試件時將模塊塞入管殼時預留的空氣層。芯片在4.155×105g和4.173×105g過載后出現(xiàn)通信錯誤，橋絲有燒灼痕跡，可見試件在受沖擊后有電流經過橋絲，但產生的熱量無法保證引燃藥頭。受沖擊載荷的影響，在芯片由完好到損壞的過程中，控制連接電容與橋絲的開關可能短暫打開，因電容內逃逸的電荷量有限，在短時間進入橋絲后無法將其熔斷，只出現(xiàn)燒灼痕跡；而起爆器在芯片受損后無法傳遞指令維持對電容的高壓充電，電壓在延期結束前就已出現(xiàn)與圖8（a）中的類型Ⅰ相似的變化，且電壓下降幅度小很多。當過載加速度達到4.200×105g以上時，芯片檢測出現(xiàn)通信錯誤，說明過高的加載會使芯片直接損壞，在延期結束時無法控制開關傳遞電量熔斷橋絲。在3.817×105g和4.249×105g過載下，芯片檢測正常，橋絲未熔斷且無燒灼痕跡，考慮到電路板上焊件繁多復雜，對板上除芯片外的其他元件和電路進行檢測，發(fā)現(xiàn)存在個別電阻損壞，而損壞的電阻會阻礙電路暢通，在延期結束時電荷無法正常傳遞，引起拒爆。爆破作業(yè)中雷管內的電容和芯片要同時承受先爆炮孔釋放的沖擊波，因此，要以模塊整體承受極限為閾值，全面考慮雷管各組件性能，提升雷管的抗沖擊載荷能力。

本研究對整體電子控制模塊和剝離出鉭電容的其余電子控制模塊進行加載，氣壓范圍為0.1～1.2MPa，過載加速度最高達到4.581×105g。試件在加載后隨即受到應力波的影響，應力脈沖持續(xù)時間在百微秒量級，因鋼錠材質與壓桿材質相同，觀察管殼并未受到擠壓，且試件內部模塊與管壁間留有空氣層和黑塑膠，使得模塊受應力波影響很小。在現(xiàn)場爆破環(huán)境中，火工品爆炸產生的沖擊過載持續(xù)時間遠長于本研究中試件承受過載時間，因受到SHPB實驗特性的限制，這一不足尚難以改善。此外，在實際工況中，炮孔內雷管受到的過載并非單次，多次連續(xù)的沖擊波疊加效應會使電子控制模塊更易出現(xiàn)問題。本研究難以準確模擬現(xiàn)場作業(yè)時雷管所處環(huán)境，但能夠監(jiān)測并分析雷管內元件在受高過載時出現(xiàn)的失效現(xiàn)象，可為電子雷管的可靠性改進提供方向。

3結論

利用SHPB測試系統(tǒng)，對含整體電子控制模塊的雷管試件和含分離出鉭電容的其余電子控制模塊的雷管試件，在延期狀態(tài)下進行了不同強度的高過載加載測試，得到以下主要結論。

（1）管殼內鉭電容最先失穩(wěn)，在達到1.495×105g過載時電容出現(xiàn)短路掉電現(xiàn)象，此時鉭電容由于其自愈特性，能夠在一定時間內恢復至起始值。而過載達到3.848×105g后，鉭電容損壞且無法逆轉。

（2）電子控制模塊其余組件的抗沖擊能力強于電容，在4.155×105g過載后芯片出現(xiàn)異常，而電阻的損壞基本出現(xiàn)在4.249×105g以上過載。

（3）受實驗條件所限，SHPB測試系統(tǒng)無法準確模擬現(xiàn)場爆破作業(yè)時電子雷管所處環(huán)境，但實驗可為電子控制模塊在延期狀態(tài)下受沖擊載荷失效性研究提供方向，為電子雷管的使用可靠性提供保障。