新型碳基导电药无桥火工品研究

易镇鑫， 曹亚清， 张琳， 朱顺官， 朱晨光

(南京理工大学 化工学院， 江苏 南京 210094)

0 引言

电火工品作为武器系统的首发装置，能够在较小的外部能量刺激下被激发，达到预定的功能[1]。桥丝(BW)[2]火工品和半导体桥[3-4](SCB)火工品作为典型电火工品，分别以镍- 铬和多晶硅作为电热转换的介质，在一定电流下进行电- 热转换，在热量传递和损失的动态平衡中激发下一级药剂的反应，从而达到点火、起爆或做功的目的。对SCB系列理论研究证实，多晶硅电- 热转换特性是SCB安全性能优异的主要原因之一[5-6]。因此，开发出镍- 铬和多晶硅之外的材料，作为电火工品的换能介质，并能克服BW火工品安全性差、SCB火工品工艺复杂的局限性，对于火工品发展将具有重要的理论和现实意义。

碳材料因其独特的杂化轨道和形貌特征，近年来成为含能材料领域的研究热点[7]。目前常用的新型碳材料主要有石墨烯、氧化石墨烯(GO)、碳纳米管(CNT)、碳纤维(CF)等，其中：石墨烯用于提高反应速率和放热量[8]、降低斯蒂芬酸铅(LS)静电感度[9]、提高苦味酸钾热感度[10]等；GO用于与纳米铝热剂的自组装以提高放热量[11-12]、提高硝化棉(NC)燃速[13]、降低奥克托今(HMX)感度[14]；CNT用于含能粘合剂中的交联剂以提高聚叠氮缩水甘油醚(GAP)含能薄膜的机械强度[15]、提升高氯酸钾和硝酸钾的反应速率和放热量[16]、降低叠氮化铜的静电感度[17]、CNTs负载纳米铜提升高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)推进剂燃速[18]、降低六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)分解温度并提高激光感度[19]等。以上研究表明，碳材料在改善含能材料安全性和提高能量方面具有优势。CF作为一种含碳量为95%以上的新型纤维材料，具有高导电性和适中的导热性能，因此本文利用CF的独特形状结构及优良导电性，与几种常见的起爆药混合形成导电起爆药，并装配成火工品。这种碳基火工品在发火电压和抗静电能力方面区别于传统意义上的导电药。性能测试结果表明，这种火工品具有工艺简便、抗静电能力强、点火起爆能力强的特点，是镍铬桥、SCB和金属桥之外换能元研究方面的一种探索。

1 点火头制作及性能测试

1.1 CF预处理及表征

将CF裁剪成约1 cm小段，采用德国Retsch Mixer Mill MM 400球磨机在15 Hz条件下进行球磨40 s，形成长度约为50～100 μm的CF粉末。将该粉末置于10% NaOH溶液中超声4 h以除去杂质，再经过滤、洗涤、干燥后转移到丙酮中超声30 min，过滤烘干后备用。采用美国FEI Quanta 400场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对CF粉末的形貌进行表征，以及日本HORIBA Jobin-Yvon LabRAM Aramis显微共焦拉曼光谱仪和美国PHI Quantera Ⅱ SXM X射线光电子能谱(XPS)仪对CF粉末进行结构表征。

1.2 碳基含能复合物火工品的制作及性能测试

将处理好的CF与起爆药在不同比例下经过物理混合、造粒后，形成均匀的碳基含能复合物(CEC)颗粒。将10 mg CEC颗粒压入陶瓷电极塞凹槽内形成CEC火工品，压药压力为100 MPa，极距为1.2 mm，装药结构如图1所示。起爆药为叠氮化铅(LA)[20]、LS[20]、叠氮肼镍(NHA)[21]，CF质量分数为0%、10%、20%、30%、40%、50%.

图1 CEC火工品示意图Fig.1 Schematic diagram of CEC igniter

如图2所示，点火实验装置由美国Tektronix MDO3034示波器、南京理工大学生产的ALG-CN1脉冲储能放电仪、美国Redlake MotionXtra HG-100K高速摄影机等组成。储能电容选用47 μF钽电容，电路连接好后先给电容充电，充至实验电压后对火工品进行放电发火，通过用示波器记录放电过程中火工品的电压、电流及光信号，利用高速摄影系统拍摄发火照片并记录作用时间。为了考察CEC火工品的安全性，采用陕西应用物理化学研究所生产的JGY-50Ⅲ静电感度测试仪，分别参照火工品药剂静电火花感度测试标准GJB 5891.27—2006和火工品静电放电测试标准GJB 5309.14—2004，对CEC及火工品进行静电感度测试。50%发火电压和标准差等数据均采用Neyer-D最优化法计算得到。

图2 点火实验装置图Fig.2 Experimental set-up for ignition

2 实验结果与讨论

2.1 CF表征

sp2杂化的碳原子和在同一平面相邻的所谓3个碳原子生成3个等价的σ强键，且互为120°，生成六角碳网平面。另一个未参与杂化的2s电子移至2pz轨道，形成垂直于六角碳网平面，在其上、下之间π轨道形成弱的大π键，π电子为非定域电子，是赋予导电特性的电子结构基础。通过拉曼和XPS对sp2碳原子的定性定量分析可知，实验中使用的CF具备良好的导电性。

图3 CF形貌及结构表征Fig.3 Morphology and structural characterization of carbon fiber powder

2.2 CEC火工品的发火性能

采用图1所示的装药方式，研究制备3种混合起爆药CEC的发火性能。为确定CF和起爆药的最佳配比，对不同药剂和CF含量的CEC火工品进行发火感度测试，结果如图4 (a)所示。由图4(a)可以看出：不同起爆药制成的火工品呈相同规律，50%发火电压随着CF含量的增加先降低、再升高，均在30%CF含量时出现电压最低点，这是因为随着CF含量的增加，火工品的电阻降低；当碳纤维含量大于30%后，由于CF的本身形状，CEC无法在陶瓷塞上压实，反而导致发火电压逐渐增大，故发火电压出现先降低、再升高的现象；当碳纤维添加量为30%时，发火感度从高到低依次为NHA-CEC火工品、LS-CEC火工品、LA-CEC火工品，50%发火电压分别为14.1 V、17.6 V、27.8 V.

通过示波器及光电传感器记录3种CEC火工品的点火延迟时间。测试样品为3种CF添加量为30%的CEC火工品，采用脉冲点火方式，放电电容为47 μF，放电电压为30 V，每个样品测试3发计算平均值。LA-CEC、LS-CEC和NHA-CEC火工品的平均点火延迟时间分别为362 μs、159 μs和143 μs，与发火感度的规律一致。

NHA、LS和LA的5 s爆发点依次为190 ℃、282 ℃和310 ℃，由此可见当CF添加量为30%时，3种CEC火工品的发火感度、点火延迟时间均与药剂爆发点规律一致。通过这些实验现象，分析认为CEC火工品的电热转换过程为：当CF添加量为30%时，CF含量较高，纤维之间互相接触、形成通路；由于CF组成的导电通路是随机的，在CF之间的接触点上，电阻较大，热点在此形成，使得热点周围CEC温度升高直到达到爆发点，热感度最高的药剂所需能量最低，故发火电压最低、点火延迟最短。后续实验均在30%CF含量条件下进行。

以NHA-CEC火工品为例，图4(b)展现了火工品在发火过程中的电流、电压曲线。由图4(b)可以看出，该火工品呈现电阻特性，电阻约为11 Ω，在通电0.4 ms后电/流骤降，表明药剂已作用完毕，后期由于爆炸产物残留，在电极之间形成一层高电阻薄膜，故电流没有完全消失。

为了考察火工品的作用时间及火焰长度，采用高速摄影机拍摄火工品发火全过程，如图5所示，3组实验均在47 μF、30 V条件下进行。由图5可以看出：LA-CEC火工品的作用时间很短，仅为20 μs，火焰长度为2 cm，表明其爆速较高，反应速率较快；LS-CEC火工品的火焰长度最长，为11 cm，作用时间为10 ms，具有很好的点火能力，但是因为威力较低，起爆能力也相对较差；NHA-CEC点火的作用时间大于40 ms，火焰长度约为7 cm，输出威力适中，同时具有良好的点火和起爆能力。

图4 CEC火工品性能测试Fig.4 Performance test of CEC igniter

2.3 CEC火工品的安全电流

对CF含量为30%的LA、LS和NHA-CEC火工品进行安全电流测试，测试结果如表1所示。由表1可以看出，3种CEC火工品阻值较大，其安全电流未达到钝感火工品在国家军用标准GJB5309.11—2004中1A1W5min不发火的要求，但比同阻值的BW火工品安全电流大，其中NHA-CEC火工品的安全电流达到280 mA，平均功率达到了2.8 W，安全性最高。

2.4 CEC及其火工品的静电感度

静电感度是评价火工药剂和电火工品对静电放电刺激的敏感性，通常采用50%发火电压表示。参照国家军用标准GJB 5891.27—2006对3种CEC进行静电感度测试，电容500 pF，无串联电阻，测试结果如表2所示。由表2可以看出，不同CEC的静电感度均随着CF含量的增加而明显降低，在CF添加量为30%时，LA-CEC及NHA-CEC均能通过30 kV静电放电，LS-CEC静电感度较前者高，50%发火电压为18.4 kV.

图5 CEC火工品的发火过程Fig.5 Ignition processes of three igniters

火工品平均电阻/Ω安全电流/mA平均功率/WLA-CEC10.61801.9LS-CEC6.52501.6NHA-CEC10.02802.8

参照国家军用标准GJB 5309.14—2004对3种CEC火工品进行脚- 脚间静电感度测试，电容500 pF，串联电阻5 kΩ，测试结果如表2所示。由表2可以看出，不同CEC火工品的静电感度同样随着CF的增加而明显降低，当CF添加量为30%时，LA-CEC火工品脚- 脚间抗静电能力大于30 kV，NHA-CEC和LS-CEC火工品脚- 脚间的抗静电能力也优于钝感SCB(25 kV)。

CEC火工品脚- 脚间静电感度远远低于传统导电药及目前常用的BW火工品和SCB火工品，以CF添加量为30%的CEC火工品为例，抗静电能力优异的原因可能是CF在CEC中随机分布，形成一个立体的网状导电结构，当静电作用时，电荷被分散于整个导电网络中，热量相对分散，不易积聚。

表2 3种CEC及其火工品脚- 脚间静电感度测试结果

参照国家军用标准GJB 5309.14—2004对CF添加量为30%的LA、LS和NHA-CEC火工品进行脚- 壳间静电感度测试，电容500 pF，串联电阻5 kΩ，每组样品在25 kV静电条件下测试10发。实验结果表明，LA、LS和NHA-CEC火工品脚- 壳间静电感度与起爆药种类无关，3种CEC火工品在25 kV下均不发火。

2.5 CEC火工品的射频感度

参考国家军用标准GJB 5309.13—2004，采用美国Agilent KEYSIGHT N5181B MXG Analog Signal Generator射频感度测试仪对CEC火工品进行脚- 脚间射频感度测试，分别在500 MHz和900 MHz两种频率下进行测试，测试功率为10 W，测试时间为10 s，每组样品测试10发。测试样品为30%CF添加量的LS-CEC火工品。作为对比，在钝感SCB陶瓷塞上压10 mg LS.测试结果表明，LS-CEC火工品和压装了LS的SCB火工品均未发火，通过测试。

2.6 CEC在雷管中的应用

将CEC及其火工品分别应用在一种独脚电雷管和8号普通工业雷管中，参照GJB 5309.18—2004测定雷管的轴向输出能力，以确定其起爆能力。雷管装药条件及测试结果见表3，由表3：从8号工业雷管输出威力看，3种CEC火工品均具有可靠的点火能力，其雷管铅板穿孔直径均大于雷管外径7 mm；从独脚电雷管输出能力看，LA-CEC和NHA-CEC能可靠起爆黑索今(RDX)并将铅板炸穿，而LS-CEC未能起爆RDX，表明LA-CEC、NHA-CEC具有可靠的点火、起爆能力，LS-CEC仅具有可靠的点火能力而起爆能力较弱，与高速摄影所得结果相似。

表3 铅板实验中装药条件和结果

注：独角雷管的尺寸为φ2.4×9.0 mm，采用同心圆电极塞，最小极距约为80 μm.

3 结论

本文利用CF和起爆药形成了一种混合导电起爆药，并用于陶瓷塞火工品和独脚电雷管。结果表明：当CF含量为30%时，火工品的发火电压最低，3种火工品50%发火电压由低到高依次为NHA-CEC火工品(14.1 V)、LS-CEC火工品(17.6 V)和LA-CEC火工品(27.8 V)，其对应的脚- 脚间50%发火静电电压分别为28.9 kV、27.3 kV和30 kV，脚- 壳间抗静电能力均大于25 kV. 3种CEC火工品均能直接点着起爆药并可靠起爆8号工业雷管；LA-CEC和NHA-CEC能直接用于独脚电雷管并可靠起爆RDX. 相对于BW火工品和SCB火工品，该类导电药火工品工艺简便，成本低廉，且抗静电能力好，是继金属BW和硅材料后一种以CF为电热转换介质的火工品。