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        靜電放電對(duì)爆炸橋絲火工品作用性能影響研究

        2014-07-07 12:30:42李志鵬呂子劍龍新平
        火工品 2014年3期
        關(guān)鍵詞:火工品電流值裝藥

        李志鵬,文 雯,呂子劍,代 斌,龍新平

        (中國工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽,621900)

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,高分子材料、微電子器件以及電爆裝置在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,靜電造成的危害也日益受到人們的關(guān)注和重視[1]。

        目前,對(duì)武器系統(tǒng)總體作用可靠性的要求不斷提高,對(duì)火工品也提出了更高的要求,不僅要進(jìn)行靜電放電安全性試驗(yàn),而且要進(jìn)行作用可靠性試驗(yàn)。美軍標(biāo)中明確要求火工品進(jìn)行靜電刺激后其作用可靠性不應(yīng)降低。美國曾對(duì)4種高能熱橋絲起爆器和3種不同類型的爆炸橋絲火工品進(jìn)行了靜電刺激后的作用性能測(cè)試,結(jié)果表明靜電放電刺激導(dǎo)致火工品出現(xiàn)施加正常發(fā)火脈沖不能發(fā)火、超出全發(fā)火和不發(fā)火水平范圍、作用時(shí)間和爆炸電流閾值有所提高等問題[2]。齊杏林[3]等研究了多次靜電放電刺激對(duì)電點(diǎn)火具恒流發(fā)火時(shí)間的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)靜電放電刺激使電點(diǎn)火具恒流發(fā)火時(shí)間有變短的趨勢(shì)。由此可見,靜電放電對(duì)火工品作用性能的影響不容忽視,但該方面的工作尚未引起人們的足夠關(guān)注,相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道和研究工作都較少見。因此,非常有必要研究靜電放電對(duì)火工品作用性能的影響情況,并對(duì)其原因進(jìn)行分析。

        本文采用靜電放電模擬發(fā)生器對(duì)某爆炸橋絲火工品進(jìn)行了靜電放電刺激,并用微焦距工業(yè)CT詳細(xì)觀測(cè)了靜電放電對(duì)火工品橋絲以及始發(fā)裝藥造成的損傷情況,然后對(duì)其橋路電阻以及施加正常發(fā)火脈沖能否發(fā)火等性能進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了靜電放電影響火工品作用性能的主要原因。研究工作對(duì)于深入認(rèn)識(shí)靜電放電對(duì)火工品的作用效應(yīng)、了解靜電放電對(duì)火工品可靠性的影響機(jī)理及原因有一定意義。

        1 試驗(yàn)方法

        通過對(duì)被測(cè)爆炸橋絲火工品的結(jié)構(gòu)分析,靜電放電對(duì)其可能的作用方式主要包括腳-腳放電以及腳-殼放電兩種,如圖 1所示。其中腳-腳方式放電(圖 1(a)中A-B)與火工品正常的起爆方式類似。腳-殼方式放電(圖1(b)中A(B)-C)時(shí),靜電放電可能導(dǎo)致火工品腳殼間發(fā)生擊穿,從而對(duì)火工品的裝藥產(chǎn)生損傷,影響其作用性能。

        圖1 靜電放電對(duì)火工品的兩種主要作用方式示意圖Fig.1 Two manner of ESD applied to detonators

        目前公開報(bào)導(dǎo)的ESD(ElectroStatics Discharge)模型有人體模型(HESD)、場(chǎng)增強(qiáng)模型(或者人體-金屬模型)、機(jī)器(日本)模型等8種之多[4]。由于火工品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配等過程發(fā)生的靜電威脅幾乎都與人的活動(dòng)有關(guān),人體靜電也成為引起電火工品發(fā)生意外爆炸的最主要和最經(jīng)常的因素。因此,火工品的靜電安全性評(píng)價(jià)側(cè)重于采用人體ESD模型進(jìn)行研究。

        據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[5],生產(chǎn)實(shí)踐中人體可能攜帶的最大靜電電位值一般不超過 50kV,人體比較嚴(yán)酷的模型參數(shù)為:C=500pF,R=100Ω。采用上述人體ESD模型參數(shù),按圖2所示的方法對(duì)被測(cè)火工品分別進(jìn)行腳-腳和腳-殼兩種方式的靜電放電刺激。每種放電方式選取20發(fā)火工品試樣,對(duì)每發(fā)試樣進(jìn)行1次靜電放電刺激,然后檢測(cè)靜電放電刺激對(duì)火工品作用性能的影響情況。

        圖2 靜電放電試驗(yàn)方法原理示意圖Fig.2 Sketch of ESD experimental principle

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)靜電放電刺激后爆炸橋絲火工品的橋路電阻值變化情況、火工品施加正常發(fā)火脈沖后能否起爆,以及起爆后的單發(fā)作用時(shí)間是否仍滿足技術(shù)指標(biāo)要求等進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果見表1。

        表1 靜電放電刺激后被測(cè)火工品的作用性能檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Performance test results of detonators after ESD

        測(cè)試結(jié)果表明:當(dāng)靜電放電以腳-腳方式對(duì)被測(cè)火工品作用后,未對(duì)其橋路電阻值產(chǎn)生明顯影響,被測(cè)的20發(fā)火工品全部正常發(fā)火,且測(cè)試得到的單發(fā)作用時(shí)間均在技術(shù)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)。而當(dāng)靜電放電以腳-殼方式對(duì)被測(cè)火工品作用后,雖然其橋路電阻值也未發(fā)生明顯變化,但20發(fā)中出現(xiàn)2發(fā)火工品施加正常發(fā)火脈沖后未能發(fā)火。

        2.2 腳-腳間靜電放電對(duì)火工品作用性能的影響分析

        為了分析造成上述測(cè)試結(jié)果的原因,采用微聚焦工業(yè)CT對(duì)靜電放電刺激后火工品始發(fā)裝藥的情況進(jìn)行了檢測(cè)。圖3所示為被測(cè)火工品橋絲與裝藥部分的結(jié)構(gòu)示意圖,用CT分別對(duì)A-A剖面和B-B剖面進(jìn)行了觀測(cè)和

        圖3 被測(cè)火工品經(jīng)腳-腳靜電放電后檢測(cè)部位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of detection part of the detonator after ESD applied to pin-to-pin

        圖 4所示為對(duì)被測(cè)火工品以腳-腳方式靜電放電刺激后的CT檢測(cè)照片。由圖4可見,在橋絲周圍與火工品殼體間的區(qū)域內(nèi),始發(fā)裝藥的分布灰度值一致,表明始發(fā)藥密度分布仍保持均勻,未觀察到始發(fā)藥狀態(tài)發(fā)生改變。由此可見,靜電經(jīng)被測(cè)火工品腳-腳之間放電時(shí),未對(duì)始發(fā)藥造成損傷。

        圖4 被測(cè)火工品經(jīng)腳-腳靜電放電后的CT照片F(xiàn)ig.4 CT pictures of detonator after ESD applied to pin-to-pin

        當(dāng)火工品腳-腳間靜電放電時(shí),可以簡(jiǎn)化為電容放電起爆電火工品的問題,但同一般意義上的電容放電不同,由于靜電放電時(shí)間極短,橋絲熱量幾乎來不及向外擴(kuò)散,可以視作絕熱過程。因此,橋絲溫升的大小往往決定著是否會(huì)對(duì)始發(fā)裝藥造成損傷,以及火工品在靜電刺激條件下是否發(fā)生點(diǎn)火。橋絲溫升和沖擊電流的關(guān)系式如下[6]:

        式(1)中:△T為橋絲溫升(起始溫度20 ℃);I為電流;t為時(shí)間;c為橋絲材料比熱;ρ為橋絲材料密度;ω為橋絲體電阻;A為橋絲橫截面積;λ為橋絲電阻溫度系數(shù)。

        根據(jù)式(1),已知被測(cè)火工品中始發(fā)裝藥發(fā)生熔融、橋絲熔化和汽化所需的臨界溫度值,計(jì)算可得到相應(yīng)的沖擊電流值,如表2所示。

        圖5 沖擊電流的密度函數(shù)分布圖Fig.5 Density function distribution of action integral

        表2 沖擊電流值計(jì)算結(jié)果Tab.2 Numerical results of action integral

        本文采用的人體靜電模型(HESD)參數(shù)為:50 kV,500pF,100 Ω。根據(jù)沖擊電流為能量與電阻的比值,計(jì)算可得到該條件下靜電放電最大的沖擊電流值為:

        表2僅計(jì)算了臨界溫度值處的沖擊電流值,考慮到產(chǎn)品的實(shí)際差別,溫度以及沖擊電流值應(yīng)該分布在一定的誤差范圍內(nèi)。假定沖擊電流的分布服從正態(tài)分布,標(biāo)準(zhǔn)偏差取產(chǎn)品制造所允許的典型偏差10%,由此可計(jì)算得到?jīng)_擊電流的密度函數(shù)分布圖。為便于比較,對(duì)圖形進(jìn)行歸一化處理,如圖5所示。

        由圖5可見,人體模型靜電放電的沖擊電流值不僅小于該火工品始發(fā)裝藥熔融所需的沖擊電流值,而且遠(yuǎn)小于其橋絲熔融以及汽化所需沖擊電流值。也就是說,在本文采用的靜電放電刺激條件下,對(duì)橋絲造成的溫升很小,不會(huì)對(duì)橋絲及始發(fā)藥造成損傷。因此,也就不會(huì)對(duì)其作用性能產(chǎn)生影響。

        2.3 腳-殼間靜電放電對(duì)火工品作用性能的影響分析

        圖 6為對(duì)被測(cè)火工品以腳-殼方式靜電放電刺激后檢測(cè)部位結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖6 被測(cè)火工品經(jīng)腳-殼靜電放電后檢測(cè)部位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch of the detection part of the detonator after ESD applied to pin-to-cup

        圖7為靜電放電后CT檢測(cè)照片。由圖7可見,由于受到靜電放電火花的沖擊作用,導(dǎo)致部分區(qū)域始發(fā)裝藥的分布灰度值變小,表明其密度降低,受到一定程度的損傷。損傷的形貌呈現(xiàn)典型的“樹杈”形狀,主要分布在橋絲焊點(diǎn)和殼體間的區(qū)域內(nèi),越接近電極塞的部分損傷越嚴(yán)重,這可能與該處距離殼體較近,靜電更易釋放,且放電能量更為集中有關(guān)。

        圖7 被測(cè)火工品經(jīng)腳-殼靜電放電后不同部位CT照片F(xiàn)ig.7 CT pictures of detonators after ESD applied to pin-to-cup

        在火工品腳-殼間靜電放電形成電火花的過程中,由于空氣瞬時(shí)被電離加熱到很高的溫度,迅速膨脹產(chǎn)生沖擊波,在始發(fā)裝藥中形成放電擊穿通道,形成一個(gè)密度疏松區(qū)。該區(qū)域在沖擊波傳播過程中形成稀疏波,稀疏效應(yīng)使得爆燃反應(yīng)無法自持傳播,最后導(dǎo)致反應(yīng)熄滅,這可能就是部分火工品未能正常發(fā)火的主要原因。

        3 結(jié) 論

        在本文采用的人體模型靜電放電刺激試驗(yàn)條件下(50 kV,500 pF,100Ω),靜電通過被測(cè)爆炸橋絲火工品腳-腳放電時(shí),由于人體模型靜電放電的沖擊電流值較小,對(duì)橋絲造成的溫升有限,未對(duì)橋絲及始發(fā)藥造成損傷,因此也未對(duì)其作用性能產(chǎn)生影響。然而,當(dāng)靜電通過被測(cè)爆炸橋絲火工品腳-殼放電時(shí),靜電放電的沖擊作用對(duì)其始發(fā)裝藥造成了一定損傷,影響火工品的正常發(fā)火過程,導(dǎo)致部分被測(cè)火工品出現(xiàn)瞎火。研究工作對(duì)于認(rèn)識(shí)靜電放電對(duì)爆炸橋絲火工品的損傷效應(yīng)以及對(duì)其作用性能的影響原因有參考意義。

        [1]劉尚合,宋學(xué)君.靜電及其研究進(jìn)展[J].自然雜志,2008,29(2):63-69.

        [2]王凱民,溫玉全.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

        [3]齊杏林,陳硯橋.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.

        [4]魏光輝,國海廣,孫永衛(wèi).電火工品靜電安全性評(píng)價(jià)方法研究[J].火工品,2005(2):21-24.

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        [6]Michael J.Wilson.Projected response of typical detonators to electrostatic discharge(ESD) environments[R].UCRL-ID-145 642,2002.

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