安全气囊点火药点火性能的研究

2013-09-04罗运强张文龙

当代化工 2013年10期

刘亮，罗运强，张文龙，范智

（中国航天科技集团四院四十二所，湖北襄阳 441003）

随着汽车行业的高速发展，汽车安全技术也逐渐成为备受关注的话题。另一方面交通事故爆发的愈来愈频繁，安全气囊作为汽车上自我保护装置也越来越受到人们重视。安全气囊气体发生器主要分为发生器上下壳体结构件，过滤网，点火系统和产气药。点火系统主要作为发生器的点火装置，在受到外界系统刺激后点火系统爆发点火。其作用机理是当气体发生器接收到电信号后，发生器内部的电爆管起爆，点爆管内的起爆药燃烧产生的热量将点火药点燃，点火药燃烧后将产气药点燃，产气药燃烧产生的大量高温气体将气袋充满，从而达到保护乘客的目的。

安全气囊气体发生器点火系统主要分为点火壳体，电爆管，点火药三个部分。点火药作为点火系统最主要组成部分，其对点火输出如何影响仍未有太多研究。本文主要针对点火药的三个方面，从点火药类型、点火药药量和点火药药片规格对如何影响点火输出做了系统研究。

1 安全气囊气体发生器两相流点火理论

点火系统点火过程可以用内弹道两相流点火模型[1]来解释，当电爆管接受外界信号点火后，点火药燃烧产生气体-颗粒两相流的点火射流，点火射流由气相和颗粒相共同组成，颗粒相有两种形态，可能为液相，也有可能为固态粒子，这与点火药的种类和点火产生的温度有关系，同时还与固态粒子的物化性能有关。燃烧后产生的两相流固态或液态粒子温度较高，随着颗粒粒子从点火管喷出，到与产气药接触过程中会损失大量的热，在与产气药接触后产生热传导，而气态物质主要是通过对流的方式发生热交换。两种加热方式相结合，共同完成对产气药的点火过程。

2 点火药对点火系统的影响

2.1 点火药的类型对点火性能影响

现有点火药分为三种类型[2]：第一类为5氨基四唑体系的点火药，该类型点火药爆热值较高，产生大量的氮气；第二类主要以硝酸胍为主体的点火药，该类型点火药中一般含有部分金属单质，从而达到燃烧后产生大量的热量，产气量与第一种类型基本相同，产生的气体中含有较高含量的水蒸气；第三类为硼硝酸钾体系，主要以B-KNO3为主体的点火药，其应用领域广泛，是传统型的点火药[3]，由于配方中加入了硼粉，其点火药的能量较高，燃烧后产生大量的热[4]，该类型点火药几乎不产生气体。三种体系的点火药点火方式、点火性能存在较大的差异，各自有自身的优缺点，在实际应用中根据气体发生器及气体发生剂的要求，选择不同的点火药类型，图1中显示了安全气囊发生器中三种点火药药片的点火输出，选择的点火药规格为直径均是3 mm，厚度1.1 mm的药片。

图1 三种类型点火药点火压力曲线Fig.1 The pressure curves of the three types ignition

表1 三种类型点火药点火压力输出Table 1 Ignition pressure of three types of ignition

表2 三种类型点火药点火内压输出Table 2 Combustion pressure of three types of ignition

图2 不同类型点火药燃烧室内压曲线Fig.2 The Combustion pressure curves of the three types ignition

根据表 1的结果显示，在相同的发生器，装药参数一致的情况下，三种类型的点火药压力输出不太一致，类型Ⅲ点火药点火能量大，放出的热量高，虽然该类型点火药几乎不产生的气体，但是由于其燃烧后的热量较高[5]，燃烧室温度较高，单位时间内点燃的产气药较多，前10 ms过程中压力升高的较快，因此压力值上较另外两种类型的点火药要高；另外两种类型点火药主要点火方式以气体导热为主，固态粒子加热为辅，类型Ⅱ点火药由于爆热值较高，点火能量大，其10 ms压力也相应较高。同时对比三种类型药剂的点火内压数据，将相同药量的三种点火药装入发生器中，对点火系统测试点火压力输出[6]，表2显示了上述药剂的点火最大内压数据。

图2中曲线说明在相同药量的点火药系统中，类型Ⅰ点火药和类型Ⅱ点火药内压[7]较高，从表 1中数据也可以发现，类型Ⅰ和Ⅱ两种点火药产气量较高，因而点火内压也相应较高，虽然上述两种类型点火药产气率相当，但是类型Ⅰ点火药由于燃烧温度较高，产生气体温度也较高，因此在点火内压上类型Ⅰ输出较类型Ⅱ高。类型Ⅲ点火药由于产气率较低，虽然燃烧温度较高，但气量较小决定了其内压输出较低。

2.2 点火药药量对点火性能影响

点火药药量对点火性能的影响展开研究和分析，选择类型Ⅱ和类型Ⅲ点火药作为研究对象，增加点火药药量，类型Ⅱ点火药从2.3，2.5，2.7，3.0 g四种药量的点火药装入发生器中，类型Ⅲ点火药药量从2，2.7，3，3.2 g四种药量变化，上述点火药药片直径均是Ф3，厚度1.1 mm的药片规格，对不同类型的药剂增加点火药量，考察点火性能的变化。实验结果见图3和图4所示，实验结果表明类型Ⅱ点火药量的增加，点火时间逐渐缩短，10 ms压力逐渐增加，到后来增加越来越缓慢；而类型Ⅲ点火药随着点火药量的增加，点火时间呈现先缩短后增加的趋势。

类型Ⅱ点火药由于产气率较高，其燃烧后产生大量的气体，依靠气体对流进行热传导，从而点燃后续的点火药药片，因此点火系统中点火药的密度对其影响较小，在点火药药量增加过程中，单位时间内燃烧的点火药[8]药片更多，产生的高温气体和粒子也较多，点火能力增加，曲线中点火时间呈现不断缩短和点火压力增加的趋势。而类型Ⅲ点火药燃烧后产生大量的高温粒子[9]，其主要加热方式是通过高温固态粒子来完成热传导过程。当点火管端面的点火药先燃烧后，产生的高温粒子点燃后续的药片。当点火管内点火药药量增加，其点火药密度也相应增加，端面点火药燃烧后产生的高温粒子将对更多的药剂产生热传导，这使得单位体积内点火药药片吸收的热量降低，达到一定程度后吸收的热量不足以达到其分解温度，因此会造成后续的点火药分解速度降低，从而出现点火时间先降低后又增加的趋势。

图3 类型Ⅱ点火药不同点火药量点火压力曲线Fig.3 The pressure curves about different weight of ignition Ⅱ

图4 类型Ⅲ点火药不同点火药量点火性能曲线Fig.4 The pressure curves about different weight of ignition Ⅲ

图5 不同厚度的类型Ⅲ点火药点火压力曲线Fig.5 The pressure curves about different weight of ignition Ⅲ

图6 不同直径的类型Ⅲ点火药点火压力曲线Fig.6 The pressure curves about different diameter of ignition Ⅲ

2.3 点火药药片药型对点火性能影响

以类型Ⅲ点火药为研究对象，考察厚度为1.1,1.6,2.0 mm，直径Ф3药片三种状态下相同点火药药量点火性能变化；同时在相同重量的条件下，考察直径2, 3, 4 mm的药片点火性能随直径增加的关系。图5中和图6中显示了随着点火药厚度和直径的增加，点火时间也在不断增加，点火10 ms压力不断减小。点火药厚度和直径的增加，相同点火药药量条件下其药片总表面积相应的减小，燃烧表面的减小造成其单位时间内药片的燃烧速度的降低，因此曲线中随着药片厚度和直径的增加，点火时间均延长，点火后10 ms压力也降低。