高田公司安全气囊质量探析

刘亮 刘伟 姚俊

摘 要：通过NHTSA网站等公开信息来源和查询了相关专利。分析近期高田公司相关质量问题、气体发生器的结构、硝酸铵配方体系的气体发生剂，并结合事故发生地的高温高湿气候的特点，初步判断主要是由于气体发生器密封失效引起气体发生剂吸潮后，硝酸铵配方气体发生剂组分在少量水份作用下析出和粉化，在点火系统点火情况下，粉化的硝酸铵引起的燃烧室内部不受控制燃烧，气体发生剂燃烧速度过快，内部压力过高，从而造成气体发生器壳体破裂，引起安全事故。

关 键 词：高田公司； 安全气囊； 气体发生剂； 硝酸铵； 改性硝酸铵

中图分类号：TQ 052 标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2428-03

Quality Analysis of Takata Safety Airbag

LIU Liang1，2，LIU Wei1，2，YAO Jun1，2

（1. The 42nd institute of the Forth Academy of CASC， Hubei Xiangyang 441000，China；

2. The Key Laboratory of Emergency Safety and Rescue Technology of Hubei Province， Hubei Xiangyang 441000，China）

Abstract： Information from the website of NHTSA and related patents were studied. The structure of TAKATA inflator and ammonium nitrate based propellant were analyzed. Combined with the high temperature and high humidity conditions when the accident happened， its judged initially that， because the seal system of the inflator is invalid， the propellant component absorbs moisture， separates out and pulverizes； under ignition conditions， the inflator burns out of control （burning-rate is excessively fast， pressure of the combustion chamber is excessively high）， and then the housing of the inflator bursts to cause safety accidents.

Key words： TAKATA； Safety airbag； Propellant； Ammonium nitrate； PSAN

2014年10月22日，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）[1]公布了有关涉及高田公司安全气囊召回建议的公告，NHTSA提出了扩大召回车辆范围，敦促丰田、本田、马自达、宝马、日产、三菱、斯巴鲁、克莱斯勒、福特和通用汽车的车主，收到召回通知后立即更换高田生产的缺陷安全气囊。特别是美国东部沿海一带高温高湿的Florida，，Puerto Rico，，Alabama，Mississippi，Georgia，Louisiana， 以及Guam， Saipan，American Samoa，Virgin Islands和Hawaii.等地的车。根据建议召回的车辆数量达到780万之巨。

这是因为高田公司在2013年自主召回上百万套安全气囊后，又连续出现不在召回范围内的6起气体发生器破裂事故。其中NHTSA单独收到3例，高田公司收到2例，丰田公司收到1例，发生地均处于美国高温地区Florida， Puerto Rico。高田公司在2014年6月与NHTSA的沟通信件称，局部召回的正驾驶侧发生器生产日期从2004年1月1号到2007年6月30号，副驾驶侧是2000年6月到2004年7月31的产品。但高田依然坚称此次，包括对于之前召回的气体发生器均不存在安全缺陷。从沟通实际结果看高田公司并没有说服NHTSA。各汽车公司在给NHTSA的召回要求的反馈信件中并未全部承诺召回和替换工作，并且还未正式确认有缺陷产品存在，如本田、宝马、克莱斯勒、福特和通用汽车等。因此对高田公司产品是否存在缺陷的争执还在持续发酵过程中。

1 气体发生器制造的相关要求

欲分析高田公司气体发生器存在的问题，这就需要注意为什么高田特别强调高湿环境对发生器的影响，而在同一地区大量使用的其它厂家的发生器却没有类似的事故，必须从气体发生器制造的关键技术说起。

安全气囊气体发生器通常由点火器、传火药、气体发生剂、过滤网、密封爆破膜和壳体组成。点火器被电流激发后，点燃传火药，传火药燃烧时再继续点燃气体发生剂，气体发生剂燃烧产生大量的热气体以及少量残渣向外膨胀，通过过滤网后气体降温并过滤下部份残渣，冲破密封爆破膜，快速展开安全气袋并充满气体，达到缓冲保护乘员作用。工作时间一般在完成碰撞后100 ms内，这要求气体发生器具有压力安全系数高、适用温度范围宽、气体成分洁净、出气口温度低、产气量大特点。气体发生剂的技术和制造是气体发生器的核心，决定了气体发生器的质量和性能。一般情况下气体发生器生产过程需要特别控制以下参数：

（1）气体发生剂密度和强度

一般情况下，产生气体的气体发生剂就如制药厂的环形药片，气体发生剂药粉在压片机或各种成型机上挤压生产成各种直径和厚度的药片后，要进行药片强度和密度的例行检测。合格后还要装入生产的气体发生器进行压力容器压力性能测试，如果出现密度不足的话，气体发生器内部和出口压力曲线会出现异常，是很容易发现气体发生剂药片缺陷的。在大量的抽检过程中，还要对气体发生器在85℃的高温压力容器输出性能进行例行的检查，如果药片密度不够，气体发生器的内压不仅会超出设计指标，严重的会出现壳体破裂情况。如果气体发生剂药片强度达不到设计要求的话，在汽车长期行驶颠簸过程中会相互挤压破裂，当破裂达到一定程度后，燃面迅速增加，造成燃烧不正常，内部压力迅速升高，引起气体发生器壳体破裂。

（2）环境温湿度控制和气体发生剂含水量

气体发生剂有含水量要求，通常情况下含水量越低，点火性能越好，燃烧速度更稳定。而如果含水量过高，则点火困难，甚至有熄火的极端情况，并且吸入一定的水份后，气体发生剂药片会膨胀解体，失去强度，因此，为保证产品的一致性，气体发生剂和气体发生器生产过程对环境温湿度都有要求。硝酸铵类型的气体发生剂控制要求最高，含水量低于0.1%，环境相对湿度低于30%，其它类型气体发生剂含水量低于0.25%，环境相对湿度低于60%。在气体发生剂生产烘干后和装入气体发生器时，均需对气体发生剂药片含水量进行检测，达到要求后方可进行气体发生器组装生产。

（3）气体发生器密封

为保证气体发生器长期使用时出口压力的一致性，防止气体发生剂因为吸潮后性能变化，必须对气体发生器进行100%的充氦检漏在线检测。气体发生器在装入气体发生剂后，采用各种办法，先抽除壳体容腔中的空气，充入氦气，然后焊接或翻边，将氦气密封进气体发生器壳体中，放入氦检漏仪中逐发测试泄露率，氦气纯度按100%计，USCAR要求泄露率不得高于1.0×10-4 cc/atm.sec。

2 质量分析

查阅相关专利[2-4]，就可以看出端倪，根据专利描述，高田的气体发生剂配方采用了改性硝酸铵和双四唑铵体系。硝酸铵是一个优缺同样突出的，常用于固体推进剂的氧化剂[5]。硝酸铵用于气体发生剂中，具有以下特点：

（1）产气率高，成气率100%，可以降低气体发生剂的用量。其它类型的气体发生剂的成气率最高才可以达到75%。

（2）燃烧气体成分洁净，分子中不含氯，故没有氯气和氯化氢的产生，对人的刺激性很小，几乎没有什么烟雾；

（3）生成的残渣量极少，对气袋损伤极小，可以降低气袋使用的材料和成本。

（4）成本极其低廉，是农业市场上大规模生产和使用的化工原材料，易购。

因而硝酸铵对气体发生器的设计师们具有巨大的吸引力，但是硝酸铵的致命缺点就是在使用温度范围内存在晶变问题[6]。一般情况下，普通硝酸铵有5个晶变温度，它们分别是：169 ℃（熔融盐?Ⅰ），125 ℃（Ⅰ?Ⅱ），84 ℃（Ⅱ?Ⅲ），32 ℃（Ⅲ?Ⅳ），-17.9 ℃（Ⅳ?Ⅴ）和五个类型的晶体，在外界温度变化时，硝酸铵存在晶型转换，同时体积会出现非线性的变化即膨胀和收缩。在使用温度范围内的三个状态的晶变，最大的体积变化率可以达到10-3 m3/kg。而由压片机压制好的，靠范德华力紧密粘接在一起的硝酸酸铵类型气体发生剂药片就会产生裂纹甚至破碎，导致气体发生剂机械性能下降、燃速升高，造成气体发生器爆炸。因此通常要对普通硝酸铵进行改性，常用的办法有加入各种金属氧化物如Ni2O3、CuO、ZnO以及KNO3、KF、KClO4，可以明显改变硝酸铵在使用范围内的晶变温度[7]。高田公司气体发生剂配方中加入的是7%以上硝酸钾，和硝酸铵形成共晶体，可以消除在使用温度范围内造成晶变，从而避免压制好的硝酸铵型气体发生剂产生裂纹，维持较高强度和完整性。加入7%以上硝酸钾改性后的硝酸铵DSC曲线见图1。从曲线上看，消除了在安全气囊使用要求的-35～85 ℃温度范围内的两个晶变峰，有效的扩展了硝酸铵的使用温度范围。专利介绍与氧化剂匹配的燃料是双四唑铵，可以提高硝酸铵配方气体发生剂的软化点。但是在高温区间110 ℃附近依然存在一个晶变，距气体发生器107 ℃热老化温度非常接近，还是存在一定的隐患。

图1 改性后的硝酸铵DSC曲线

Fig.1 The modified ammonium nitrate DSC curve

根据USCAR要求[8]，采用硝酸铵配方的气体发生剂，还必须单独提供的额外的验证报告，证明其稳定性，得到批准后，方可投入使用。可见，汽车行业对硝酸铵配方气体发生剂使用还是非常谨慎的。即使采用改性硝酸铵后，气体发生剂在使用过程还存在三个问题，一是点火困难，需要大用量的点火药，二是燃烧性能差，在较高的燃烧压强下才能保证较高的燃速和维持燃烧，这就需要较厚的壳体材料，也就意味着同等厚度壳体材料的，采用硝酸铵配方的气体发生器安全系数较低。三是硝酸铵配方气体发生剂吸水性很强，对生产、储存和使用过程均必须采取严格的防潮措施。

高田公司气体发生器的质量问题根源要从高田公司的气体发生剂配方体系特点谈起，这才是分析问题的关键所在。基本可以推断出高田公司产品质量问题所在。

第一个因素可能是气体发生器的密封性出了问题。3起破裂事故均出现于美国高温和高湿的地区，虽然发生器在设计时需要完成一定的温湿度循环试验，但试验室未能完全模拟出个别地区特殊极端环境的情况。高田公司产品有点火器处采用环型小橡胶垫密封、密封爆破膜和两端O型圈密封，任何一个地方出现泄露，均会造成致命影响。这是为因硝酸铵配方气体发生剂对水气极为敏感，硝酸铵和硝酸钾在水中的溶解度极高。一旦成型的药片表面吸附水分后，硝酸铵会从药片中析出，并且破坏了两者的共晶体，形成所谓的长毛和粉化，失去了强度。而粉化的硝酸铵燃速极高[9]，同时在大量点火药的作用下，迅速产生大量的气体，排气口处来不及排出燃烧产生的气体，气体发生器内部压力迅速升高，超过壳体的耐压强度，从而破裂。

第二个因素是高温环境。发生事故的地方不仅湿度高，而且环境温度高，日照充足，理论上会存在汽车高温曝晒达到110 ℃的可能，超过改性硝酸铵的稳定温度范围。采用硝酸铵配方的气体发生器热老化温度经主机厂同意后，可以降低采用90 ℃下1 000 h的较低标准。据在中国的绍兴地区试验，8月中午汽车在烈日下暴露40 min后，方向盘的表面温度即可达到83.4 ℃，已经比较接近90 ℃设计最高温度，所以存在使用温度超出设计最高温度的隐患。即使高温没有超过改性硝酸铵温度使用范围，但长期以往也会加速密封爆破膜上复合的有机胶和O型圈橡胶材质的老化，增大泄露率，并且高温下湿气渗透性更强，加速气体发生器的渗漏。

Florida三面环海，北部和中国宁波纬度相同，是亚热带气候，南部是热带气候，降雨量大，海边空气湿润。Puerto Rico更是靠近赤道，终年炎热酷暑，四面环海的小岛。概括来说，就是在极端的高温高湿不利气候条件下，加速了水分通过气体发生器的各种密封处，渗入到硝酸铵配方气体发生剂药片中，造成药片粉化和失去强度，从而引起了恶劣后果。

据一些报道所说的是药片成型压力不足，造成气体发生剂燃烧过快，不应是此事故的原因。如果是成型压力不足的话，事故应该不会局限于美国的高温高湿地区，其它地区出现问题的几率也会是一样的。另有些报道说充入过多的气量描述也是不够准确的。气体发生器一旦设计定型后，其装药量就是一定的，产气量也就固定了，不会产生过多的气量，而是产气速度过快。

安全气囊气行业中比较流行有硝酸铵/双四唑、硝酸胍/碱式硝酸铜[10]、5-氨基四唑/硝酸锶[11]等气体发生剂类型。在轻微吸湿的情况下，只有硝酸铵配方体系气体发生剂组分更容易析出，粉状硝酸铵会维持自我燃烧。其它配方体系组分析出较难，而且析出结晶后，即失去了可燃性。也就是说，气体发生器密封失效后，采用硝酸铵配方体系就会有爆炸的可能，而其它体系的配方则是存在可能点不着火的可能。这也可以说明为什么其它安全气囊厂家的产品在同样的地区就没有类似的问题出现。另一个侧面显示出了硝酸胍/碱式硝酸铜、5-氨基四唑/硝酸锶的气体发生剂配方体系优良的综合性能，而一些极限试验可以证明107 ℃下放置1 000 h，仍不影响老化性能，USCAR标准仅为400 h。