烟火式安全气囊气体发生器发展概述

张银银 冯涛 姚俊

（湖北航天化学技术研究所 湖北省应急救生与安全防护技术重点实验室）

烟火式安全气囊气体发生器发展概述

张银银 冯涛 姚俊

（湖北航天化学技术研究所 湖北省应急救生与安全防护技术重点实验室）

综述了国外汽车安全气囊气体发生器的总体概况、结构特点和性能特点等，指出小型化、轻量化、模块化是气体发生器发展的主流方向，并指出不损伤无涂层气囊已成为对发生器的一项新要求。介绍了我国气体发生器发展的最新水平和存在的不足，指出应以药剂配方为核心技术，通过制药工艺创新进一步提升国产气体发生器的竞争力。

1 前言

经过20多年的发展，我国汽车安全气囊气体发生器的核心技术——产气药剂配方技术达到了较高水平，其中湖北航天化学技术研究所研制的多个品种产气药（Gas generating agent）[1]和传火药（Transfer charge）[1]已经为国外气体发生器生产厂家批量供货。然而，长期以来，气体发生器市场高度集中在国外公司，我国企业的市场份额逐年被挤压，因此仅依靠药剂技术来支撑整个气体发生器业务具有一定的局限性，为长期立足市场，就应准确把握气体发生器的发展方向。为此，本文从安全气囊气体发生器的结构设计和药剂配方等方面，介绍了国内外气体发生器的研究现状和发展方向。

2 国内外气体发生器研究现状

2.1 国外气体发生器研究现状

2.1.1 美国TRW公司气体发生器

TRW公司于2010年12月21日向市场推出了模块化安全气囊气体发生器，该TRW产品适用于多款车型。如该公司的最新一代DI10系列安全气囊气体发生器由标准的零部件组成，许多通用零件适用于各类气体发生器型号，所有的DI10气体发生器直径均相同，主要通过不同的高度设计和所需的火药装填量来对产气量进行控制。由于DI10气体发生器尺寸紧凑、产气量可调，可应用于驾驶座和副驾驶座安全气囊模块中[2]。

TRW DI10系列产品内部结构如图1所示，该产品采用模块化设计，直径均为Ф60 mm，高度为30～40 mm，质量为270～350 g，输出压力调整范围为130～550 kPa，适用于40～130 L的驾驶座和副驾驶座气囊。该气体发生器喷出气体平均温度为600℃，适用于无涂层气囊，有利于降低气囊模块总成成本。

2.1.2 瑞典Autoliv公司气体发生器

众所周知，市场对小型化和低成本气体发生器的需求越来越强烈，较小的尺寸可以满足气囊模块对缩小体积的要求。Autoliv公司于2008年在ADP-3气体发生器基础上其对尺寸进行了优化，将气体发生器的直径由原来的70 mm减至60 mm，从而研制出缩小版的ADP-3A气体发生器。另外，因气囊模块要求气体发生器能够适应无涂层气囊，且气体发生器应能够直接装配在气囊内，不应为防止被气囊烫伤而在模块上增加任何辅助零部件，所以Autoliv公司于2011年开发出了不损伤气囊的ADP-5系列气体发生器，如图2所示。

ADP-5系列气体发生器产品同样采用了模块化的设计，适用于体积为30～90 L的气囊，其主要参数见表1。

表1 Autoliv ADP-5系列产品参数

另外，ADP-5气体发生器在60 L密闭压力容器内点爆后，通过压力传感器测得的气体发生器输出压力特征如图3所示。由图3可看出，气体发生器在工作前10 ms产气缓慢，10 ms后产气速度明显增加。

2.1.3 日本Daicel公司气体发生器

Daicel公司气体发生器产品的最大特点是轻量化，该公司在2013年研制的EJ产品质量仅为248 g。2014年研制的NB系列和EL系列则在小型化、轻量化的基础上又采取了模块化的设计方式，两款气体发生器参数见表2。

表2 NB、EL系列产品参数

另外，Daicel公司的气体发生器还具有温度敏感系数低的特点。该气体发生器在不同环境温度条件下工作时，其输出压力曲线基本重合，燃烧室压力的最大值也较接近，如图4所示。由图4可看出，不同环境温度下气体发生器的燃烧室压力最大值相同，说明气体发生器对气囊展开初期的冲击力相同，有利于保护气囊；不同环境温度下气体发生器输出压力曲线基本重合，说明气囊被充满所需时间几乎相同，气囊的饱满程度也较接近，有利于提高安全气囊的保护效果。

2.1.4 美国ARC公司气体发生器

ARC公司于2012年发布了一款小型化烟火式驾驶座驾气体发生器MPD（Mini Pyro Driver），该发生器的主要参数见表3。

表3 MPD气体发生器主要参数

ARC公司的MPD气体发生器采用具有高产气量的硝酸铵类产气药，可大大减少装药量，故气体发生器的直径最小可达到49 mm。由于该发生器体积小、质量轻，使得产生的高温燃气在其内部的热传导作用降低，这虽然导致了排气口处气体温度的升高，但由于气体洁净，不会对气囊造成危害。

另外，ARC公司利用温度和质量流的平衡技术降低了气体发生器产气质量流量的峰值，延长了产气持续时间，从而增加了气囊充满后的保持时间。

2.2 我国气体发生器发展特点

湖北航天化学技术研究所已开发出了直径为62 mm的小型化气体发生器DAB-4，并以该气体发生器为基准进行了模块化研发，相继开发出输出压力为190～340 kPa的系列化气体发生器，可适用于体积为40～80 L的气囊。

DAB-4气体发生器与输出压力最大值相近的国外气体发生器参数对比结果见表4。

表4 DAB-4气体发生器与国外相同等级产品参数对比结果

从表4可看出，目前我国气体发生器的小型化、轻量化水平与TRW公司的DI10产品相当。图5为国产DAB-4气体发生器与国外产品性能对比结果。

从图5可看出，由于DAB-4气体发生器的输出压力曲线具有前10 ms压力值较低、40 ms时压力迅速达到最大值的特征，由此对折叠状态气囊产生的冲击力较小，故DAB-4气体发生器更适应于气囊的顺利展开。由此表明，国内安全气囊气体发生器技术的发展已经取得较大进步。

3 气体发生器设计

3.1 结构设计

近年来，气体发生器在结构设计上有大量的创新，几乎每年都会有结构新颖的气体发生器推向市场。

3.1.1 过滤系统

过滤系统是安全气囊气体发生器的关键部分，用于降低燃气温度、过滤残渣并消除火焰，以减少气囊模块展开时气体发生器内膨胀气体对气囊的冲击和灼伤。

为更好地满足过滤、降温和消除火焰的要求，气体发生器厂家开始设计新型的过滤系统，如，Daicel公司专利[3～10]、延峰百利得（上海）汽车安全系统有限公司专利[11]、百利得（湖州）汽车安全系统有限公司专利[12,13]均公布了一种带中孔的圆饼状过滤网，由于其高度仅为传统过滤网的40%，所以其质量可大幅减轻。除此之外，Daicel公司在其专利[14～16]上公布了一种冲压成型、无过滤网的新型过滤系统，该过滤系统由冲孔圆盘和异形挡板2个零件组成，如图6所示。其中冲孔圆盘（图6a）以过盈连接方式固定在点火管上，异形挡板（图6b）则放在冲孔圆盘之上形成过滤系统（图6c）。

然而，完全取消过滤网是一种很大胆的设计理念，至今为止，在烟火式饼状气体发生器中完全取消过滤网只有Daicel公司进行了实践。这种设计的难点是如何确保气体发生器的残渣能够最大限度地滞留在金属挡板上，这对挡板的设计提出了很高的要求。这种设计需要通过仿真方式模拟残渣的沉积程度，并通过不断地优化才能最后确定较理想的结构形式。

3.1.2 点火系统

点火系统一般包括电爆管、点火管以及基座，装配时需要先将金属基座焊接在气体发生器外壳体上，然后再将点火管和电爆管固定在金属基座上，这种装配方法存在成本高、需要严格控制焊接工艺参数等缺点。而通过注塑工艺将电爆管直接固定在壳体上的方式可取消金属基座和激光焊接工序，可极大降低成本。目前，TRW、Autoliv、Daicel、ARC等公司的气体发生器产品均采用了该项技术。气体发生器注塑结构如图7所示。

除用塑料件取代金属基座外，还可将整个点火系统的结构件通过注塑的方式一次成型，如图8所示。由图8可看出，具有圆筒壁的点火管被注塑在塑料基座上，同时也将电爆管通过注塑的方式进行固定，注塑部分一次性完成并组成一个整体。通过这种方式，可以取消附加的加工步骤，不再需要传统点火系统中的点火药金属壳体，因此，有利于降低气体发生器的成本及简化结构的复杂程度[17]。

3.1.3 燃烧室

燃烧室主要用于盛装产气药，并为产气药燃烧提供固定的空间。燃烧室一般由过滤网内壁、上下壳体、点火管外壁面组合而成，如Daicel公司生产的EE气体发生器（图9）即采用这种设计方式的燃烧室，由于直接与产气药接触的金属零件数量较多、质量较大，尤其过滤网表面具有大量空隙，会消耗一部分点火系统释放的能量，从而影响点燃产气药的可靠性。为解决该问题，气体发生器厂家设计了一种燃烧室与过滤系统轴向上、下分层布局的气体发生器，如Daicel公司研发的EJ以及Autoliv公司研发的ADP-5等气体发生器，如图10和图11所示。

由图10和图11可看出，与传统结构相比，该类气体发生器的燃烧室与过滤系统分层布局，过滤网和产气药之间被带孔的金属圆板隔开，过滤网不再是燃烧室的组成部分。这种设计方式一方面可减轻过滤网质量，降低对点火药热量的吸收能力，使产气药预热充分，气体发生器的低温点火更加可靠；另一方面因过滤网是在燃烧室上方，高温气体通过过滤网的路径增加，可以得到更洁净的气体；同时，还使得气流对气囊冲击区域的动量场更低[18]，可以更好地保护气囊不受损伤，尤其是对于无涂层气囊。

3.2 药剂设计

3.2.1 产气药配方

自20世纪90年代始，人们就开始研发无毒环保、产气量大、燃烧温度低的非叠氮化物气体发生剂以替换NaN3[19]。非叠氮化物是发展较快的一类绿色环保高能的产气药，具有含氮量高、生成焓高、燃烧快、安定性良好和爆炸强烈等优点[20，21]。非叠氮化合物产气药的研究方向主要集中在以唑类、嗪类、胍类、偶氮类等非叠氮化物作为产气药，其突出的性能使其在含能材料领域也备受关注[22,23]。其中，胍类产气药具有化学稳定性高、产气量大、原料易得等特点，近10年来得以广泛应用，如硝酸胍/碱式硝酸铜配方的产气药等。

但是由于胍类产气药的产气率有限及燃温高、残渣多等，所以结构设计时需要考虑增加装药空间、减少残渣过滤和气体降温；另外由于其压强指数高，产气药只能在高压下才能获得合适的燃烧速度，所以使用该类型产气药的气体发生器在工作时会产生很高的燃烧室压力；再者由于其温度敏感系数高，气体发生器在不同环境温度条件下工作时，燃烧室内产生的压力最大值差别大，增加了气体发生器低温点火可靠性和高温点火安全性之间的矛盾。由此可知，研究环保、无毒、廉价、高产气率、低压强指数、低温度敏感系数的产气药将是未来的发展趋势[24～29]。

3.2.1.1 药型

压制型药片（图12a）的燃烧遵循减面燃烧[30]的规律，其薄圆盘的形状决定了其初始燃面最大，随燃烧的进行燃面逐渐减少，最终燃面为一薄片，直至完全燃烧。传统压制型药片装入气体发生器后其燃烧室P-T曲线表现为：初始曲线较陡峭，然后快速达到最大压力，因达到最大压力后不能维持而快速回落。由于达到最大压力时间较短，所以表现在P-T曲线上为前20 ms曲线陡峭，这很容易对气囊造成伤害。

图12b和图12c分别为Daicel公司生产的挤出中孔小型药柱和法国SNPE公司生产的挤出多孔大型药柱。中孔型药柱具有端面燃烧的特点，药柱从开始燃烧到燃烧终止，其燃烧面积一直维持恒定。对于采用带有中孔型药柱的气体发生器而言，可以在一定的时间内以恒定的增长率产生气体，从而降低气体发生器燃烧室压力，提高气体发生器的安全系数。

另外，与压制型药片和挤出中孔小型药柱相比，挤出多孔大型药柱还具有生产效率高、装配工艺简单（1个气体发生器仅需1～2个药柱）、产气率高等优势。

3.2.1.2 燃速催化剂

燃速催化剂又叫弹道添加剂[30]。在产气药中加入燃速催化剂可降低燃烧对压强波动的敏感性和提高燃速，此外，燃速催化剂还能降低温度敏感系数，可减小在很宽温度范围内发动机性能的变异。

在产气药配方中添加燃速催化剂可以降低气体发生器的燃烧室压力。TRW公司开发的DI10.1系列气体发生器由于在配方中加入了2%～3%的燃速催化剂，使得气体发生器的燃烧室压力由未添加燃速催化剂时的35 MPa降低至22 MPa。在安全系数一定的情况下，燃烧室压力的降低意味着气体发生器壳体材料需要承受的最大压力可减少37%，这样在气体发生器设计时可适当降低壳体材料的厚度，有利于减轻气体发生器的质量。

据报道，TRW公司采用的是硝酸胍类型的配方，并在配方中加入了2%～3%的燃速催化剂，当硝酸胍产气量占总产气率75%时，气体发生器燃烧室内压最优，虽然此时喷出温度为850 K，但是燃烧室压力却只有15～20 MPa。

3.2.1.3 性能

法国SNPE公司开发出了新一代产气药FGP2，其具有产气率高、点火可靠、高燃速、低压强指数、老化性能好、环保等特点。表5为FGP2与传统硝酸胍（GU⁃NI）类型产气药的基本性能对比。由表5可知，FGP2的产气率高于传统硝酸胍（GUNI）的产气率。两种类型产气药在40 ml密闭容器内测试的燃速-压力曲线见图13，两种类型产气药在不同压力下的燃速及压强指数对比见表6。

表5 两种类型产气药性能对比

表6 两种类型产气药在不同压力下的燃速及压强指数对比

与GUNI相比，FGP2具有非常低的压强指数，在6～52 MPa压力下的平均值为0.1，在10～40 MPa压力范围内燃速曲线形状平稳，压强指数甚至接近于0，这表明FGP2的充气流量可以在一个较宽的压力范围内保持稳定。

除FGP2产气药外，TRW公司还研制了一种新型产气物质，由于此类物质氧含量基本平衡，故配方中可以不使用氧化剂或只使用极少的氧化剂。图14中的羟氨基3-硝氨基-4硝基-呋喃（HANNF）及图15中的5-氨基四唑二硝铵（ATDN）就是两种零氧平衡的物质，它们在配方中所占的质量比达到70%以上，只需添加少量的氧化剂（如硝酸铵或高氯酸钾）即可完成配方设计。该配方产气药的产气率能够达到90%以上，且燃烧产生的残渣量可大幅降低。由于产生的残渣少，故在气体发生器设计时可以使用更轻的过滤网，甚至可以不使用过滤网，有利于减轻气体发生器的质量。

3.2.2 点火药

现有点火药分为3种类型：第1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2类是以硝酸胍为主的点火药，该类型点火药中一般含有部分金属单质如铝粉，燃烧后能够产生大量的热量，缺点是产生的气体中含有较多的水蒸气；第3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，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粒子，该类型点火药几乎不产生气体[31]。其中，B/KNO3具有火焰感度好、燃速快、燃烧热高、低毒等特点[32]。

3 发展方向

a.小型化、轻量化、模块化是气体发生器发展的主流方向。从外形尺寸和质量等参数来看，国外最新气体发生器产品均具有小型化、轻量化的特点，这有利于将气体发生器应用在体积更紧凑的气囊模块内。在实现小型化和轻量化的同时也提出了气体发生器不能损伤无保护涂层气囊的高要求，所以在气体发生器设计时需要综合考虑尺寸、质量和压力性能。此外，气体发生器模块化的设计可以缩短新产品的开发周期，减少对模具的资金投入。可以将通用金属零部件作为平台，不改变产品的结构而只在高度上略作调整来实现模块化，也可以将药剂、药型作为平台，这样虽然产品的外形差异较大，但所用的点火药和产气药配方及药型基本相同。

b.气体发生器结构设计应更简洁。目前，国产气体发生器设计相对传统，结构较复杂，零件均为金属材质，甚至为弥补个别性能的不足还需要设计专门的结构。国外气体发生器通过采用塑料取代金属、点火系统集成的设计方式简化了结构，而且气体发生器燃烧室和过滤室采取了轴向分层布置的设计方式，使得过滤系统可采用更小体积的过滤网甚至取消过滤网，大大降低了气体发生器结构的复杂程度。

c.提高药剂配方核心技术，加强制药工艺创新。国产气体发生器多采用GUNI类产气药，由于其固有的优点依然会得到广泛的应用，但是需要掌握降低温度敏感系数和压强指数的手段，进一步提高产气药的产气率。另外，要探索新的制药工艺，优化制药工艺流程和参数，从而提高药剂产品性能的一致性。

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8 Gas Generator.Tomoharu Kobayashi,Tatsuno-shi(JP);Masa⁃yuki Yamazaki,Tatsuno-shi(JP);Shinichiro UKITA,Tatsu⁃no-shi(JP).US20130233196A1.2013.

9 Gas Generator.Tomoharu Kobayashi,Tatsuno-shi(JP);Ma⁃sayuki Yamazaki,Tatsuno-shi(JP);Shinichiro UKITA,Tat⁃suno-shi(JP).US20130255529A1.2013.

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（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年5月6日。

Overview of the Development of Pyrotechnic Airbag Gas Generator

Zhang Yinyin,Feng Tao,Yao Jun
（Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology,Key Laboratory of Emergency Safety and Rescue Technology of Hubei Province）

General situation,structural features and performance characteristics,etc.,of foreign automobile airbags are reviewed in this paper,which indicates that downsized,lightweight,modular gas generator are the mainstream direction of development.At the same time,damage-free and uncoated airbag has become a new requirement for gas generator.The up-to-date development level and problems of homemade generator are introduced,it is also indicated in this paper that the manufacturers shall adopt reagent formula as core technology,further improve competitiveness of homemade gas generator through innovation of pharmaceutical technique.

Airbag,Gas Generator,Performance

安全气囊 气体发生器 性能

U463

A

1000-3703（2015）11-0001-06