白瑞祥，嚴(yán) 楠

（北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081）

在火工品以及武器系統(tǒng)的生產(chǎn)、裝配、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，靜電放電(ESD, Electrostatic Discha-rge)的危害普遍存在。腳腳間靜電能量的注入將對(duì)電火工品的發(fā)火性能（感度、發(fā)火時(shí)間等）以及安全性能（安全電流等）造成影響，甚至導(dǎo)致瞎火或意外發(fā)火。

對(duì)于靜電放電對(duì)電熱火工品的影響，多數(shù)研究的是某產(chǎn)品對(duì) ESD是否安全、產(chǎn)品的 ESD感度以及ESD刺激后性能的變化。齊杏林等[1]研究了ESD刺激對(duì)單頭電點(diǎn)火具恒流發(fā)火時(shí)間的影響，發(fā)現(xiàn)多次ESD刺激后的發(fā)火時(shí)間有變短的趨勢(shì)。魏光輝等[2]采用升降法試驗(yàn)研究了靜電放電刺激前后JD-11電點(diǎn)火具的發(fā)火電流分布，發(fā)現(xiàn) ESD刺激有使橋絲式電火工品臨界發(fā)火電流變小的趨勢(shì)。王韶光等[3]測(cè)試了某型火箭彈電火工品的ESD感度。李志鵬等[4]采用多種ESD模型對(duì)某橋絲式火工品進(jìn)行了抗靜電能力測(cè)試。

前述主要是從宏觀上統(tǒng)計(jì)分析ESD的影響，為了分析靜電損傷的機(jī)理，需要從微觀上研究。李志鵬等[5]運(yùn)用工業(yè)CT研究了腳腳ESD對(duì)藥劑的影響，100次放電后未發(fā)現(xiàn)變化。穆麗軍等[6]利用瞬態(tài)脈沖試驗(yàn)原理，通過(guò) ESD前后橋絲溫升的變化，研究了靜電放電對(duì)電火工品的性能影響，發(fā)現(xiàn) ESD作用后樣品正常發(fā)火時(shí)作用時(shí)間變長(zhǎng)。

為了便于觀察，本文采用不裝藥劑樣品，研究了腳腳ESD對(duì)橋絲的影響，以期為橋絲式電火工品ESD損傷機(jī)理的分析提供參考。對(duì)焊好橋絲而不裝藥劑的電極塞腳腳間進(jìn)行靜電放電，靜電放電后測(cè)量橋絲電阻并用顯微鏡觀察橋絲的表觀形貌。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 樣品

采用傳統(tǒng)的錫焊方式焊接橋絲，典型橋絲形貌如圖1所示，橋絲材料為Ni80Cr20（6J20），直徑為12μm，電阻為5～8?。

圖1 橋絲典型外觀形貌Fig.1 Typical appearance of bridgewire

1.2 ESD模擬電路

根據(jù)放電場(chǎng)合的不同，ESD模擬電路在電路形式和參數(shù)上各有不同。本文試驗(yàn)所用的放電電路符合GJB 5309.14-2004 《火工品試驗(yàn)方法第14部分：靜電放電試驗(yàn)》的要求，用來(lái)模擬人體靜電放電對(duì)火工品的作用，放電電路原理如圖2所示。

1.3 放電試驗(yàn)方案

對(duì)焊好橋絲而不裝藥劑的電極塞在室內(nèi)（室溫20℃）進(jìn)行一定電壓的腳腳間靜電放電，放電后測(cè)量橋絲電阻并用顯微鏡觀察橋絲的表觀形貌。具體包括如下兩方面：

（1）為了尋找對(duì)橋絲造成顯著影響的放電電壓水平，以5kV為步長(zhǎng)，從5kV到30kV依次升高放電電壓，對(duì)同一發(fā)樣品進(jìn)行靜電放電，每次靜電放電后，測(cè)量電阻值并用顯微鏡觀察橋絲形貌。

（2）為了研究多次靜電放電對(duì)橋絲的影響，對(duì)同一發(fā)樣品進(jìn)行同一電壓的多次靜電放電，每次靜電放電后，測(cè)量電阻并用顯微鏡觀察橋絲形貌。

圖2 靜電放電模擬電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of ESD modeling circuit

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及規(guī)律

2.1 靜電放電對(duì)橋絲電阻值的影響

2.1.1 依次升高放電電壓對(duì)同一樣品逐次作用

5發(fā)樣品經(jīng)ESD作用后的電阻值變化情況如圖3所示。從圖3中可見(jiàn)，15kV以下時(shí)，橋絲電阻降幅較小，并有小幅震蕩現(xiàn)象；20kV ESD后，橋絲電阻出現(xiàn)較大幅度的降低，降幅在1.9%～4.6%。

圖3 電壓依次升高下靜電放電作用后橋絲電阻的變化Fig.3 Change of bridgewire resistance after ESD with rising voltage

2.1.2 采用同一電壓對(duì)同一樣品多次放電

如圖4所示，以10kV電壓對(duì)同一樣品進(jìn)行了9次靜電放電，首次放電后電阻下降明顯，降幅為1.2%，之后電阻值基本穩(wěn)定；對(duì)同一樣品以20kV電壓多次靜電放電時(shí)，同樣是首次放電后電阻下降較多，降幅為 5.1%，之后多次放電電阻繼續(xù)呈降低趨勢(shì)，但降幅較小。

圖4 同一電壓靜電放電多次作用后橋絲電阻的變化Fig.4 Change of bridgewire resistance after multiple ESD with same voltage

2.2 靜電放電對(duì)橋絲外觀形貌的影響

使用光學(xué)顯微鏡對(duì)靜電放電后橋絲的外觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)的形貌變化現(xiàn)象有：

教師是教育的主體，教師的思想、品格、職業(yè)素養(yǎng)直接對(duì)學(xué)生產(chǎn)生影響。教師要在學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程中起到身先示范的作用，既要熟練掌握教育學(xué)、心理學(xué)、教學(xué)法等基本功，又要具有較高的道德修養(yǎng)，根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況，結(jié)合學(xué)生自身個(gè)體成長(zhǎng)等因素，用自身的人格魅力、良好的品德修養(yǎng)和教育情感去熏陶和感染學(xué)生。在此基礎(chǔ)上教師還應(yīng)適時(shí)通過(guò)調(diào)查了解行業(yè)企業(yè)招聘人才的素質(zhì)和技能要求，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方式方法，保持與企業(yè)的同步。

（1）弧形橋絲有變直的趨勢(shì)，有的橋絲變直并有小幅波浪形彎曲（頸縮現(xiàn)象）；靜電放電作用后，橋絲形狀發(fā)生了變化。由于放電前橋絲形狀不盡相同，放電后的變形也有差異，但普遍呈現(xiàn)變直變短的趨勢(shì)。從圖5可見(jiàn)，在依次升高的靜電電壓作用后，橋絲由彎曲逐漸變直，焊點(diǎn)間橋絲長(zhǎng)度減小。

圖5 電壓升高下靜電放電后橋絲形貌Fig.5 Appearance of bridgewire after ESD with voltage from low to high

從圖6可見(jiàn)，經(jīng)受多次靜電放電后橋絲明顯變直且有小幅波浪形彎曲（頸縮）。

（2）在高于25kV放電作用后，橋絲表面顏色變黃；在25kV放電作用后橋絲顏色明顯變黃，尤其是在橋絲中部；在低于20kV的靜電作用下，橋絲逐漸變直，但橋絲顏色沒(méi)有顯著變化。

（3）在25kV或30kV放電作用后橋絲熔斷。

圖6 經(jīng)受多次20kV靜電放電后橋絲形貌Fig.6 Appearance of bridgewire after multiple 20kV ESD

3 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

3.1 橋絲變直、電阻減小原因分析

從電阻測(cè)量結(jié)果可以看到，靜電放電沖擊后橋絲電阻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。分析橋絲電阻減小的原因，主要有如下3個(gè)方面：

（1）對(duì)橋絲外觀形貌的觀察發(fā)現(xiàn)，靜電沖擊后兩個(gè)焊點(diǎn)間橋絲有變直的趨勢(shì)。橋絲由彎曲變直，焊點(diǎn)間橋絲變短，由此推知橋絲的橫截面積有一定的增加。而橋絲變直變短的原因，可能是靜電放電使橋絲放熱升溫，橋絲軟化強(qiáng)度降低，內(nèi)應(yīng)力減弱，橋絲形狀趨于平滑，放電結(jié)束，橋絲冷卻收縮，進(jìn)一步變直。

（2）橋絲在火工品生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生冷變形。比如，橋絲在焊接前要由線軸上的卷曲狀態(tài)撐直；橋絲焊接好后要用毛筆蘸酒精洗去橋絲和焊點(diǎn)及其周圍插塞上的焊劑殘留物，并要將貼在插塞面上的橋絲挑起，由于橋絲較細(xì)，不可避免地會(huì)使橋絲局部拉伸[7]。

根據(jù)精密合金材料學(xué)[8]的相關(guān)理論，冷變形會(huì)引起晶格畸變，使晶格中出現(xiàn)空位、置換原子及位錯(cuò)、引起晶體彎曲等現(xiàn)象，造成電子波的散射，使電阻率增大。當(dāng)在一定溫度下退火時(shí)，晶格缺陷減少，畸變減輕，原子排列更有序，內(nèi)應(yīng)力基本消除，致使電阻率降低。靜電放電使橋絲放熱升溫，相當(dāng)于一種形式的熱處理，因此橋絲電阻率會(huì)有一定的減小。

（3）隨著Cr含量的增加，Ni-Cr合金的電阻率增大[9]。靜電放電使橋絲放熱升溫，暴露于空氣中的橋絲中Cr首先被氧化，生成Cr2O3。由于橋絲很細(xì)，長(zhǎng)徑比很大，因此比表面積很大，被氧化的Cr相對(duì)較多，Cr含量降低，這也是橋絲電阻率下降的原因。

3.2 對(duì)橋絲式電火工品損傷機(jī)理分析的啟示

橋絲電阻的變化將改變橋絲的生熱。根據(jù)橋絲變直的現(xiàn)象，可推斷靜電放電后橋絲和藥劑接觸狀態(tài)發(fā)生改變。橋絲變直會(huì)使橋絲與一側(cè)藥劑接觸更緊密，而與另一側(cè)藥劑產(chǎn)生間隙。這些現(xiàn)象將造成火工品的損傷，影響產(chǎn)品的性能。為了減輕上述不利現(xiàn)象，在生產(chǎn)過(guò)程中要注意減小橋絲的冷變形并對(duì)橋絲形狀進(jìn)行一定的控制和檢查。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)靜電放電電壓達(dá)到一定值時(shí)，橋絲電阻會(huì)出現(xiàn)顯著的下降。對(duì)本文所用樣品（直徑12μm的6J20 Ni-Cr橋絲，電阻5～8?）20kV放電時(shí)，電阻顯著降低，降幅在1.9%～5.1%。

（2）電阻減小的原因主要有：靜電放電作用后，橋絲變直，導(dǎo)致焊點(diǎn)間橋絲長(zhǎng)度減小，橫截面積增大；靜電放電使橋絲放熱升溫，相當(dāng)于一種熱處理，使火工品生產(chǎn)過(guò)程中橋絲由于冷變形而產(chǎn)生的晶格缺陷減少，因此橋絲電阻率減小；氧化使橋絲中Cr含量降低，電阻率減小。

（3）電阻變化將改變橋絲的生熱，橋絲變形將改變橋藥的接觸狀態(tài)，從而影響火工品的性能。

[1]齊杏林, 陳硯橋, 李宏建,等. 靜電放電刺激對(duì)電點(diǎn)火具恒流發(fā)火時(shí)間的影響[J].火工品,1999(1): 9-12.

[2]魏光輝,劉尚合.靜電放電對(duì)電火工品發(fā)火性能影響的研究[C]//中國(guó)物理學(xué)會(huì)第八屆靜電學(xué)術(shù)年會(huì).西安:中國(guó)物理學(xué)會(huì),1999.

[3]王韶光,等. 火箭彈電火工品真實(shí)靜電感度試驗(yàn)研究[C]//中國(guó)物理學(xué)會(huì)靜電專業(yè)委員會(huì).石家莊:中國(guó)物理學(xué)會(huì)靜電專業(yè)委員會(huì),2006.

[4]李志鵬,等.某橋絲式火工品抗靜電能力研究[C]//第 15屆靜電學(xué)術(shù)年會(huì).鄭州:中國(guó)物理學(xué)會(huì),2009.

[5]Li Zhipeng，etc. Study on the damage effects of primary explosive in some detonator caused by ESD[C]//International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics. Kunming: China Ordnance Society,2009.

[6]穆麗軍,高俊國(guó),張玉令.靜電放電對(duì)電火工品作用機(jī)理分析與試驗(yàn)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2010(5):39-40.

[7]張光明.橋絲式電雷管電阻變化問(wèn)題初探[J].火工品,1994(4):1-6.

[8]何開(kāi)元.精密合金材料學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991.

[9]王振東,宮元生.電熱合金[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.