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，對武器系統(tǒng)總體作用可靠性的要求不斷提高，對火工品也提出了更高的要求，不僅要進行靜電放電安全性試驗，而且要進行作用可靠性試驗。美軍標(biāo)中明確要求火工品進行靜電刺激后其作用可靠性不應(yīng)降低。美國曾對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行了靜電刺激后的作用性能測試，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電點火具恒流發(fā)火時間的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)靜電放電刺激使電點火具恒流發(fā)火時間有變短的趨勢。由此可見，靜電放電對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)的文獻報道和研究工作都較少見。因此，非常有必要研究靜電放電對火工品作用性能的影響情況，并對其原因進行分析。

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

1 試驗方法

通過對被測爆炸橋絲火工品的結(jié)構(gòu)分析，靜電放電對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，靜電放電可能導(dǎo)致火工品腳殼間發(fā)生擊穿，從而對火工品的裝藥產(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

目前公開報導(dǎo)的ESD（ElectroStatics Discharge）模型有人體模型（HESD）、場增強模型(或者人體－金屬模型)、機器(日本)模型等8種之多[4]。由于火工品在生產(chǎn)、運輸、裝配等過程發(fā)生的靜電威脅幾乎都與人的活動有關(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價側(cè)重于采用人體ESD模型進行研究。

據(jù)文獻報道[5]，生產(chǎn)實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所示的方法對被測火工品分別進行腳－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，對每發(fā)試樣進行1次靜電放電刺激，然后檢測靜電放電刺激對火工品作用性能的影響情況。

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

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

對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)作用時間是否仍滿足技術(shù)指標(biāo)要求等進行了測試，結(jié)果見表1。

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

測試結(jié)果表明：當(dāng)靜電放電以腳-腳方式對被測火工品作用后，未對其橋路電阻值產(chǎn)生明顯影響，被測的20發(fā)火工品全部正常發(fā)火，且測試得到的單發(fā)作用時間均在技術(shù)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)。而當(dāng)靜電放電以腳-殼方式對被測火工品作用后，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-腳間靜電放電對火工品作用性能的影響分析

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

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

圖 4所示為對被測火工品以腳-腳方式靜電放電刺激后的CT檢測照片。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)被測火工品腳－腳之間放電時，未對始發(fā)藥造成損傷。

圖4 被測火工品經(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，可以簡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，由于靜電放電時間極短，橋絲熱量幾乎來不及向外擴散，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對始發(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僅計算了臨界溫度值處的沖擊電流值，考慮到產(chǎn)品的實際差別，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%，由此可計算得到?jīng)_擊電流的密度函數(shù)分布圖。為便于比較，對圖形進行歸一化處理，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，對橋絲造成的溫升很小，不會對橋絲及始發(fā)藥造成損傷。因此，也就不會對其作用性能產(chǎn)生影響。

2.3 腳-殼間靜電放電對火工品作用性能的影響分析

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

圖6 被測火工品經(jīng)腳-殼靜電放電后檢測部位結(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條件下（50 kV，500 pF，100Ω），靜電通過被測爆炸橋絲火工品腳-腳放電時，由于人體模型靜電放電的沖擊電流值較小，對橋絲造成的溫升有限，未對橋絲及始發(fā)藥造成損傷，因此也未對其作用性能產(chǎn)生影響。然而，當(dāng)靜電通過被測爆炸橋絲火工品腳-殼放電時，靜電放電的沖擊作用對其始發(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)致部分被測火工品出現(xiàn)瞎火。研究工作對于認(rèn)識靜電放電對爆炸橋絲火工品的損傷效應(yīng)以及對其作用性能的影響原因有參考意義。

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[3]齊杏林,陳硯橋.靜電放電刺激對電點火具恒流發(fā)火時間的影響[J].火工品,1999(1):9-12．

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[5]Dan Borovina，Douglas McHugh，Steven Clarke，et al．Electrostatic discharge sensitivity of detonators[C]//The 13th International Detonation Symposium.Norfolk,Virginia:Los Alamos National Laboratory,2006．

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