典型换能元与点火药剂匹配试验研究❋

马健行 王彦君 陈华东 徐建勇 黄寅生 毛 立

①南京理工大学化学与化工学院(江苏南京，210094)

②泸州北方化学工业有限公司(四川泸州，646000)

③上海美同安防工程科技有限公司(上海，200090)

引言

在电火工品中应用的换能元主要有桥丝(BW)[1]、金属薄膜(MF)[2-3]和半导体桥(SCB)[4]。其中，桥丝主要由镍铬合金构成；金属薄膜有镍铬合金膜、铂膜[5]；半导体桥也分为多晶硅半导体桥[6]、含能半导体桥[7]等。Jiang 等[8]设计了一种V 型金属膜，测试结果表明，金属膜点火元件满足1A、1 W、5 min 条件下不点火的安全要求。任小明等[9]制备了镍铬薄膜换能元，并对其发火性能进行了测试。樊志伟等[10]对半导体桥裸桥及涂斯蒂芬酸铅(LTNR)时的电爆发火特性进行了研究。

点火元件是实现起爆、点火和做功等功能的重要火工品部件，其药剂的理化因素、点火条件与药剂的匹配关系等均可影响点火过程。在电雷管的相关研究中，桥丝材质及尺寸、药头质量及药剂组分、桥丝焊接状态、药剂与桥丝接触状态等均是影响点火元件发火性能的因素。但目前对于点火元件的研究较多地局限于单一换能元配合点火药剂的点火特性，对不同换能元搭配不同点火药剂的点火关系少有研究。

密闭爆发器试验是测量火药在定容高压下燃烧过程中压力变化规律的一种装置。利用密闭爆发器对同种发射药在不同点火条件下的燃烧过程进行研究，可分析点火条件对发射药燃烧性能的影响。张小兵等[11]改变了点火能量与电能密度，探究了不同条件下等离子体点火对发射药燃烧的影响。李煜等[12]对不同点火强度下可燃药筒的燃烧特性进行了研究。

在本文中，以单一种类发射药为试验对象，对不同种类的点火元件进行点火，探究不同点火元件对发射药燃烧性能的影响，从而研究点火药与典型换能元的匹配关系。

1 试验部分

1.1 试验材料

点火药分别为Pb(SCN)2/KClO3及Zr/Pb3O4，黏合剂为硝化棉。根据前期试验结果，选用较易点燃的5.8 系双基发射药，形貌为黄色细小颗粒，如图1 所示。

换能元分别为桥丝和金属薄膜。桥丝选用直径0.04 mm、电阻率897 Ω/m 的镍铬合金丝，长度为2.4 mm。金属薄膜的发热层材料为镍铬合金，厚度3～6 μm，长0.8 mm，宽0.18 mm；载体层为耐高温玻璃纤维布，表面涂有聚酰亚胺改性环氧树脂作为胶体层，背面设有铜箔焊接层；载体层与发热层之间使用高温压合工艺进行黏接固化[13]。具体点火元件实物如图2；金属薄膜换能元的结构见图3。

使用安捷伦34410A 型数字万用表测量2 种不带药剂的点火元件的电阻，统计结果见表1。从表1中可以看出，金属薄膜电阻的标准差(0.018 Ω)明显小于桥丝电阻的标准差(0.106 Ω)，其电阻分布较为集中。

表1 两种点火元件的电阻Tab.1 Resistance of two ignition elements

1.2 试验仪器及原理

试验装置由恒流源、密闭爆发器、压力传感器、电荷放大器和示波器等组成。密闭爆发器标称容积为25 mL；采用量程10 MPa、精度0.3%的ZQ-Y 型压力传感器以及HY1001 型电荷放大器；示波器型号为泰克MDO3054；恒流源为DC9801 型智能雷管电参数测试仪。

作为点火系统，恒流源通电激发密闭爆发器内的点火元件；点火药发火并点燃发射药；发射药在密闭爆发器内燃烧，并生成大量气体。由于密闭爆发器容积较为固定，因此气体压力迅速上升；与此同时，发射药燃烧的反应热使气体温度迅速升高；高温、高压气体作用于压力传感器上，产生电信号，经由电荷放大器放大并输送至示波器中记录；记录数据经处理后得到p-t曲线。过程如图4 所示。

1.3 试验方法

点火药制作方法:称取占点火药质量5%的硝化棉放入乙酸乙酯溶液；待乙酸乙酯溶液中的黄色絮状硝化棉完全溶解后，将溶液搅匀；加入点火药各组分，用橡胶棒缓慢搅拌药剂溶液，直至药剂混匀呈浆状且颜色均一。

蘸取浆状点火药涂覆在换能元发火区域，待乙酸乙酯挥发后再进行下一次涂覆。重复此步骤，以获得试验所需点火元件。涂覆药剂前，对点火元件进行编号、称重，以此控制每发点火元件药头质量，获得试验所需药头质量。

每发密闭爆发器试验都采用小药包的形式进行。在密封袋中放入定量的5.8 系双基发射药，将涂覆有点火药的点火元件一同放入，调整位置，确保点火元件的点火药部分处于发射药中间位置，防止点火药在完全点燃发射药前便烧穿密封袋，影响实验。并用胶带、铁丝将密封袋封闭、固定，防止药包中的发射药漏出以及密封袋体积有较大变化致使试验结果不准确。将点火元件两端的脚线缠至密闭爆发器点火堵头上的点火电极。安装好密闭爆发器后，恒流源通电，点燃药包。为确保每发药包中的点火元件均成功发火及试验过程一致，每发通电条件均设置为1.000 A、100 ms。点燃药包后，压力传感器将信号传递到示波器上，保存数据，即完成试验。

2 结果与讨论

测量数据中存在耦合噪声干扰，需要对数据进行平滑处理。利用Origin 绘图软件的平滑功能，使用Savitzky-Golay 方法，选取适当的窗口点数进行平滑，得到p-t曲线。

2.1 点火药量对压力信号的影响

图5 为不同药量的金属薄膜-硫氰酸铅点火元件MF-Pb(SCN)2/KClO3点火所产生的p-t曲线。可以看出，所有药包在达到最大压力后均会出现一个压力平台，这可以用加热层点火理论解释。

加热层点火理论[14-15]认为，火药装药的点燃与持续燃烧不仅需要点火热源将火药表面加热到着火温度，还需要将热量向火药内部传导，形成适当厚度的加热层。因此，建立压力的阶段是点火药的高温产物加热点燃发射药，与发射药扩散燃烧共同作用的结果。压力平台的形成是因为点火药燃烧产物传播结束，仅由发射药燃烧产物继续扩散燃烧，燃烧温度在各点较为统一，从而形成了一个相对稳定的压力，直至药包内某一方向的发射药燃烧完成，压力开始下降。

将压力由开始上升到最大所经过的时间定义为升压时间；将最大压力与升压时间的比值定义为增压速率。增压速率越高，表明点火元件对发射药的点火效能越好。通过图5 可以看出，随着点火药量的增加，升压时间与增压速率均有一定的提升。为更直观地展现点火药量的增加对药包压力输出的影响，计算得到点火元件的增压速率。以增压速率为y轴，所用点火药量为x轴得到散点图，对散点图进行线性拟合，得到图6。

如图6 所示，随着Pb(SCN)2/KClO3药量的增加，增压速率也基本随之呈现线性上升。这是由于Pb(SCN)2/KClO3点火药燃烧产物中含有CO2、NO2等较多的气体，可依靠气流进行热传导，从而点燃远离点火元件的发射药。因此，药包中发射药的装填密度对其点火效果影响较小。随着点火药量增加，在单位时间内可被点燃的发射药随之上升，因此，Pb(SCN)2/KClO3点火药药量与增压速率有较好的线性相关度。

2.2 药剂差异对压力信号的影响

火工品可使用的点火药剂种类较多。药剂组成成分、配比的不同使得药剂之间的比容、燃烧热、残渣率、产气量等各项性能存在较大差异，药剂的点火能力也因此存在差异。

图7 为相同换能元(金属薄膜)与相同点火药量(4.8 mg)下不同点火药点燃药包获得的p-t曲线。由图7 可明显看出，4.8 mg Pb(SCN)2/KClO3点火药的增压速率要高于4.8 mg 的Zr/Pb3O4点火药，且Pb(SCN)2/KClO3药包的压力平台维持时间长于Zr/Pb3O4药包的维持时间。推断出现此种现象的原因为:Zr/Pb3O4点火药中作为氧化剂的Pb3O4性质较为稳定，500 ℃才开始分解，而锆粉的着火温度仅为80～350 ℃。因此，Zr/Pb3O4点火药反应初期的氧化还原反应是经由硝化棉引发、锆粉与系统中残余的氧气发生的[16]，锆粉燃烧产生的少量灼热固体残渣点燃发射药，压力开始上升；随着反应的进行，体系温度上升，才发生锆粉与Pb3O4的氧化还原反应，从而出现了氧化剂锆粉燃烧热高、但点火药包的整体反应速率慢、增压速率小的现象。

上述推断可由表2 中的计算数据证实。4.8 mg Pb(SCN)2/KClO3点火药药包点火后的增压速率为80.84 MPa/s，Zr/Pb3O4点火药的为68.15 MPa/s，符合图7 中观察得到的结果。由于认为锆粉与Pb3O4的主反应未在一开始发生，因此选择压力上升的直线段研究两种药包的增压速率。经计算，Pb(SCN)2/KClO3药包直线段的增压速率为667.84 MPa/s，Zr/Pb3O4药包的为808.04 MPa/s，符合理论分析。

表2 两种点火药点火后的增压速率Tab.2 Pressure rise rate after ignition of two kinds of ignition agents MPa/s

同样，研究了两种点火药药量增加对发射药燃烧影响的差异，两种药剂点火后的p-t曲线见图8。对比p-t曲线可知，Zr/Pb3O4的增压速率与药量的相关性较小，峰值压力与Pb(SCN)2/KClO3药包近似，都在6.57 MPa 左右。证明两种药包在发火后完全点燃了发射药，实现了发射药的扩散燃烧，因此，在装药条件相同的情况下峰值压力近似相同。

图9 是两种点火药药量与增压速率的散点图及拟合情况。Pb(SCN)2/KClO3药剂药量与增压速率有较好的线性相关性，而Zr/Pb3O4的药量与其增压速率几乎没有正相关性。结合点火元件发火的高速摄影图像(图10)与点火药具体组分分析认为:

1)Pb(SCN)2/KClO3点火药发火的燃烧状态较为平稳，且产生了较多气体，因此可与药包内的颗粒状发射药充分交换热量。随着药量的增加，产气量上升，单位时间内点燃的发射药增加，因此，增压速率也随之上升。

2)Zr/Pb3O4点火药发火时产生了明亮的灼热固体颗粒(图10)，这在烟火学中往往认为是有利于点燃发射药的。但锆粉本身燃烧过程中易出现爆炸现象[17-18]，药包处于弱约束条件下，燃烧产生的固体颗粒受爆炸影响易发生飞散现象[如图10(b)]，难以在一定区域内形成相对集中的热点。因此，出现点火药量增加但点火效能未上升的情况。

2.3 换能元差异对压力信号的影响

选用桥丝(BW)与金属薄膜(MF)两种镍铬合金换能元，探讨换能元的差异对点火元件点火效能的影响。

图11 (a)为BW-Pb(SCN)2/KClO3药包的p-t曲线。可以看出，相比较于MF-Pb(SCN)2/KClO3药包，BW-Pb(SCN)2/KClO3药包的p-t曲线存在明显的波动。对比两种换能元的p-t曲线可以发现:金属薄膜点火元件的直线升压段几乎都发生在0.050 s 以内，且曲线波动较小；而桥丝点火元件的直线升压段分布不均，从0.025～0.100 s 范围内均有分布，说明在桥丝点火元件上点火药量与增压速率的相关性较差，点火效能较低。由图11(b)同样可以得出，桥丝点火元件上点火药量与增压速率的相关性较差。

各点火元件点燃药包的密闭爆发器试验结果如表3 所示。试验中使用BW-Zr/Pb3O4点火元件时，有几发未能成功点燃药包。取下药包后发现，未出现破袋、漏药现象，且点火元件表面存在黑色物质，桥丝已熔断，证明该发点火元件成功点燃发火，但药包内的发射药部分呈现出被火焰灼烧后的碳化现象，大部分仍处于未点燃的黄色颗粒。

表3 密闭爆发器试验结果Tab.3 Test results in a confined bomb

对此种现象可由计算结合理论进行解释。两种换能元中，金属薄膜换能元与点火药进行热交换的界面为合金层表面，表面积S1为:

式中:L1为金属薄膜换能元桥长，mm；W为换能元桥宽，mm。

桥丝与点火药进行热交换的界面为桥丝的圆柱体侧面，侧面积S2为:

式中:r为桥丝桥径，mm；L2为桥丝桥长，mm。

同时，换能元截面处的电阻R为:

式中:ρ为材料电阻率，Ω/m；L为长度，mm；S为截面积，mm2。

取金属薄膜任一微元处电阻为dR1、桥丝任一微元处电阻为dR2。其中，两种换能元均为镍铬合金材料，因此可近似认为ρ1=ρ2。可得:

焦耳定律:

式中:Q为热量，J；I为电流，A；R为电阻，Ω；t为通电时间，s。

取金属薄膜任一微元处热量为dQ1、桥丝任一微元处热量为dQ2，可得:

由上述计算结果可知，金属薄膜的热交换界面面积明显小于桥丝界面面积，使得金属薄膜电热转换得到的热能相对于桥丝更集中在点火药与换能元的交换界面处；同时，由于任意截面处的金属薄膜电阻均大于桥丝，因此，通电后金属薄膜任一微元产生的热量更高。综合以上两种因素，考虑点火药在金属薄膜热交换界面处单位体积所获得的热量高于在桥丝热交换界面处获得的热量，因此，会出现Zr/Pb3O4点火药在金属薄膜上可正常点燃药包，在桥丝上失败的情况。

由于Zr/Pb3O4点火药中进行氧化反应，提供反应热量的锆粉含量较少，在点火药用量较低(如4.8 mg MF-Zr/Pb3O4)时，难以在局部形成较多的热点、促进发射药迅速燃烧、产生压力，从而出现低压时间较长、p-t曲线不稳定的现象。

同样的，在换能元供给的初始热量较分散(桥丝换能元)的情况下，也难以在短时间内点燃较多的氧化剂，形成大量热点，致使点火药燃烧却未能点燃发射药，点火失败。

综上，Zr/Pb3O4点火药与桥丝换能元的匹配程度较差，而在金属薄膜换能元上可获得较好的点火能力。Pb(SCN)2/KClO3的燃烧反应及药剂性质较为稳定，因此，在桥丝换能元与金属薄膜换能元上均能获得较好的点火效果。但由于金属薄膜能提供较为集中的能量，因此，MF-Pb(SCN)2/KClO3点火药量与增压速率的相关性较好。

3 结论

研究不同种类换能元与点火药剂匹配关系，能够探明何种点火元件的点火性能较强，可以可靠完成作为电火工品的点火、做功任务，提供更为多样化的点火药剂与换能元选择。

使用典型换能元与点火药剂进行了密闭爆发器试验，测量了相应药包的p-t曲线，并进行了一定的数值计算。

通过对比点火元件的p-t曲线与增压速率发现:Pb(SCN)2/KClO3点火药在金属薄膜换能元上可获得更加稳定的点火能力，点火增压速率上升与药量的增加存在较强的线性关系；Zr/Pb3O4点火药在金属薄膜与桥丝上的点火能力存在一定的差异。通过理论计算解释了点火能力的差距原因在于换能元的热交换面积及电热转换效率。