添加四氧化三铅且锆粉过量的快燃速引燃条

闫　雷，王胜华，刘　亮，李　阳

(1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安　710065；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安　710065；3.中国兵器工业试验测试研究院，陕西 西安　714200)



添加四氧化三铅且锆粉过量的快燃速引燃条

闫雷1,2，王胜华2，刘亮3，李阳2

(1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安710065；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065；3.中国兵器工业试验测试研究院，陕西 西安714200)

针对现有热电池激活时间较长的问题，提出了添加四氧化三铅且锆粉过量的方法制备快燃速引燃条。在热电池现有锆-铬酸钡引燃条中加入四氧化三铅且使锆粉过量，形成锆-铬酸钡-四氧化三铅引燃条，以缩短电池激活时间。试验表明：在高低温环境下，装有快燃速引燃条的热电池比现有热电池的激活时间减小了约50%。

热电池；激活时间；引燃条；四氧化三铅；锆粉

0　引言

热电池因其具有高比能量、高比功率、环境适应能力强、便于长期储存等特点，在军用电源中占有十分重要的地位。其工作原理为：外部信号引爆电点火头，电点火头发火点燃引燃条，引燃条向下燃烧，逐层点燃各加热片，加热片燃烧使得单体电池中电解质熔融成离子导体，阳极和阴极通过融熔盐发生氧化还原反应产生电能，电流通过引流条输送到盖体上的导流柱，热电池开始输出电流。热电池的激活时间是指从输入激活信号开始到电池的工作电压达到规定下限值所需要的时间。现在热电池的激活时间一般为0.5～2 s[1]。但随着武器系统的发展，特别是智能弹药的研制，其对热电池提出更快的激活时间，现在的技术无法满足要求。激活时间是引燃条燃烧时间、加热片燃烧时间和热量传递到电解质并使其熔化的三者之和[2]。采用燃速较快的引燃条，在电极或电解质中加入适当的添加剂可减小电池的激活时间，采用烟火药加热剂的引燃条燃速远大于目前通用的锆加热剂、铁加热剂引燃条[3]。有文献列举了几种快燃速燃烧药剂的最大燃速[4]，但无具体配方。在热电池锆-铬酸钡加热材料中引入四氧化三铅，可调节加热材料的线燃速[5]。因此针对现有热电池激活时间较慢的问题，本文提出在热电池中装配一种添加四氧化三铅且锆粉过量的快燃速引燃条以提高电池激活时间。

1　现有热电池引燃条

现有的引燃条是由锆粉、铬酸钡、石棉纤维等组成，线燃速一般在10 cm/s[1]。其中锆粉为还原剂，铬酸钡为氧化剂，石棉纤维起吸附作用。相关单位研究了锆-铬酸钡加热纸的表征方法[6]及燃烧机理[7]，提出其反应方程为：

Zr+BaCrO4=BaO+CrO+ZrO2+Q

(1)

锆粉与铬酸钡的摩尔比例为1∶1。当引燃条被点燃即发生连续的固-固态氧化还原反应，形成燃烧至反应结束，石棉纤维不参与反应。其燃速与氧化还原反应的反应速率成正比。将固态反应物氧化剂与还原剂按一定比例混合后，在相互接触的颗粒界面上，发生氧化还原反应，生成物会把初始的反应物隔开。氧化剂分解出的氧必须通过氧化膜扩散到还原剂表面，燃烧反应才能进行下去。氧化剂的分解速率越快则整个反应速率越快。其速率常数的表达式为：

k=A·exp(-Ea/Rτ)

(2)

式(2)中，k为速率常数，A为指数前因子，Ea为活化能。

同时总反应速率的计算式为：

v=k[B]n

(3)

式(3)中，v为反应速率，k为速率常数，[B]为还原剂含量，n为反应级数。

2　添加四氧化三铅且锆粉过量的快燃速引燃条

探讨通过在引燃条中加入四氧化三铅形成锆-铬酸钡-四氧化三铅引燃条，并使其中锆粉含量过量，从而提高其线燃速，以减小电池的激活时间。

2.1原理

在现有的锆-铬酸钡引燃条中加入四氧化三铅形成锆-铬酸钡-四氧化三铅引燃条，其燃烧时的化学反应方程式为式(1)与式(4)同时进行。

Zr+2Pb3O4=ZrO2+6PbO+Q

(4)

两个反应均为氧化还原反应，其中锆为还原剂，铬酸钡、四氧化三铅为氧化剂。从式(2)可以看出氧化剂的反应难易程度与它的活化能有关，同时分解温度与活化能成正相关。所以通常知道其分解温度的高低，即可判定该药剂点燃的难易程度及燃烧反应速度的快慢。分解温度低则反应活化能低，速率常数大，反应速度快。铬酸钡、四氧化三铅的分解温度分别为1 400℃及500℃。加入四氧化三铅降低了反应活化能，增大了速率常数，加快了反应速率，从而增加燃速。

增加还原剂锆粉含量使其过量，可使氧更易与其接触并反应,结合式(3)可以看出反应速率与锆粉含量成幂函数关系。同时加大锆粉组分，虽有可能引起偏离化学计量平衡，但可使引燃纸的导热性提高，有利于药剂的燃烧反应和加快热量传播，从而引起燃速的增加。

2.2快燃速引燃条配方优化

根据燃速设计配比，计算出锆粉、铬酸钡、四氧化三铅和无机纤维的质量，将无机纤维在水中分散成浆状，制成锆粉-铬酸钡-四氧化三铅混合的悬浊液，倒入纸浆中，在专用造纸机上制成引燃纸并烘干备用[5]。

加热材料线的线燃速通过RSY线燃速测定仪测试。将引燃纸裁剪成宽6mm，长150～250mm的引燃条。将裁剪好的引燃条在燃速测定仪上依次拼接起来，总长1 000mm。点火并计时至燃烧结束。即可通过式(5)计算出此种引燃条的燃速。引燃条配方及燃速测定值见表1。

v=s/t

(5)

式(5)中，v为燃速，s为引燃条长度，t为燃烧时间。

将B配方与A配方比较，是将A中50%的铬酸钡置换为四氧化三铅，两组均保持化学计量平衡，引燃条燃速由5.6 cm/s升到8.3 cm/s，提高48%。C、D、E配方均为在B配方基础上将锆粉含量10%、30%、50%依次增加，结果显示引燃条的燃速呈快速上升趋势，其趋势图见图1。以幂函数进行趋势预测并拟合的方程为：y=7.116x9.0737，与式(4)进行对比，可验证原理推论基本符合事实。

图1　锆粉与氧化剂比例对引燃条燃速的影响Fig.1　Proportion of zirconium and oxidizer impact on burning rate of igniting tape

配方号氧化剂中各组份的摩尔分数/%铬酸钡四氧化三铅锆粉∶氧化剂(摩尔比)燃速/(cm/s)备注A10001∶15.6原引燃条B50501∶18.3加入50%四氧化三铅C50501.1∶115.4加入50%四氧化三铅,锆粉过量10%D50501.3∶160.6加入50%四氧化三铅,锆粉过量30%E50501.5∶1335.8加入50%四氧化三铅,锆粉过量50%

其中E配方引燃条与原引燃条(A配方)比较，是置换50%四氧化三铅，并锆粉过量50%。其燃速由5.6 cm/s升到335.8 cm/s，提高了5 892%，在几种配方中提高最大。因此将E配方引燃条定为快燃速引燃条。

3　试验验证

将原引燃条(A配方)及快燃速引燃条(E配方)裁剪后各装配8发试验热电池，并进行高低温放电试验，测试不同引燃条对电池激活时间的影响。试验电池为锂硅合金-二硫化铁体系，采用铁加热剂，6单元叠层装配，电点火头激活，并对电池进行高低温放电试验，从0 V至7 V的电压上升时间为激活时间，用HIKO8855数据采集仪记录放电曲线。试验结果见表2。

从表2可以看出低温状态下原引燃条、快燃速引燃条的试验电池激活时间的平均值分别为：0.373 s和0.183 s，减小了0.190 s(50.9%)，高温状态下原引燃条、快燃速引燃条的试验电池激活时间的平均值分别为：0.343 s和0.160 s，减小了0.173 s(50.4%)，且相对标准差较小，说明快燃速引燃条在高低温环境下均可有效减小激活时间。

将装有原引燃条与快燃速引燃条的电池在低、高温状态下，选取1号、9号与5号、13号的激活段放电曲线进行对比，见图2、图3。

从图2、图3可以看出无论是高温低温，激活段曲线都可分为平线段及斜线段。平线段为引燃条的传火过程，斜线段为加热片燃烧及电解质熔融电极开始反应的时间。因两种电池中除引燃条外其余因素均相同，所以图中斜线段的斜率基本相同，而平线段缩短一半，是由于引燃条燃速增加所致。综上所述，快燃速引燃条可有效减小热电池激活时间，解决现有热电池激活时间偏长的问题。

表2　放电试验状态及结果

图2　低温条件下的激活时间比较Fig.2　Comparison of activation time of low temperature

图3　高温条件下的激活时间比较Fig.3　Comparison of activation time of high temperature

4　结论

本文提出了添加四氧化三铅且锆粉过量的快燃速引燃条。在热电池现有锆-铬酸钡引燃条中加入四氧化三铅且使锆粉过量，形成锆-铬酸钡-四氧化三铅引燃条，以减小热电池激活时间。试验表明，低温状态下原引燃条、快燃速引燃条的试验电池激活时间的平均值分别为：0.373s和0.183s，减小了0.190s(50.9%)，高温状态下原引燃条、快燃速引燃条的试验电池激活时间的平均值分别为：0.343s和0.160s，减小了0.173s(50.4%)，解决了现有热电池激活时间偏长的问题。

[1]陆瑞生，刘效疆. 热电池[M]. 北京:国防工业出版社,2005.

[2]陈茂斌. 热电池用加热材料的性能研究[J].电子技术参考,2001,1(2):27-31.

[3]刘占辰.热电池激活时间研究[J].火工品，2006(6):28-31.

[4]CallawayJ.热电池用烟火加热剂[J].火工情报,2003(1):110-116.

[5]王胜华,闫雷,李阳.引入四氧化三铅的锆-铬酸钡加热材料[J].探测与控制学报,2013, 35(6):57-50.

[6]董静,刘仕伟. 锆粉加热纸性能表征方法研究[J]. 电源技术,2008(10):693-695.

[7]种晋. 锆粉加热纸燃烧机理研究[J]. 电源技术,2009(7):590-595.

A Fast Burning Igniting Tape Added with Lead Tetraoxide and Excess Zirconium

YAN Lei1,2, WANG Shenghua2, LIU Liang3,LI Yang2

(1.Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory,Xi’an 710065, China;2.Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China;3. Norin co. Group Test and Measuring Academy, Xi’an 714200, China)

For the problem that the activating time is too longer in thermal battery, a fast burning igniting tape added with lead tetraoxide and excess zirconium was present. The fastr burning igniting tape added with lead tetraoxide and exsess zirconium at conventional igniting tape which was composed of zirconium and barium chromate, thus to decreasing activating time of thermal battery. Test results showed that the activating time of thermal battery decreased 50% .

thermal battery; activating time; igniting tape; lead tetraoxide; Zirconium

2016-02-03

闫雷(1983—)，男，陕西周至人，工程师，研究方向：引信电源。E-mail:89574331@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0093-03