孫金夢(mèng) 衛(wèi)延安 武壽昌

①南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②上海芯跳科技有限公司(上海，201101)

引言

數(shù)碼電子雷管使用電子延時(shí)芯片取代傳統(tǒng)電雷管中的延期藥或延期體，實(shí)現(xiàn)對(duì)延期時(shí)間的控制，從而使延期精度和可靠性都有了極大提高[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，電子延期技術(shù)逐漸成熟，數(shù)碼電子雷管除了具有延期精度高的優(yōu)勢(shì)之外，還對(duì)爆破振動(dòng)的減振效果顯著，并擁有專門的編碼程序，可根據(jù)需要設(shè)定延期時(shí)間，方便管理[2-4]。目前，橋絲式電引火元件在工業(yè)雷管中應(yīng)用較廣泛、技術(shù)較成熟。它主要通過電阻絲的電熱效應(yīng)，使橋絲周圍的點(diǎn)火藥劑點(diǎn)燃。

電點(diǎn)火藥頭是數(shù)碼電子雷管的核心部分，其發(fā)火性能直接影響著數(shù)碼電子雷管的爆炸性能。點(diǎn)火藥頭制造完成后，所需的激發(fā)能量是一定的，而由于藥劑差異與制造工藝差異等因素，導(dǎo)致每發(fā)藥頭之間的激發(fā)能量存在細(xì)微的區(qū)別。因此，對(duì)電點(diǎn)火藥頭輸入一定的能量時(shí)，批量的藥頭的發(fā)火時(shí)間在一定范圍內(nèi)不是某一固定值。已有研究表明，輸入能量對(duì)電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間有很大影響:電雷管電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間隨著電流的增大逐漸減小，并且每發(fā)藥頭之間的差異也逐漸減小；當(dāng)電流達(dá)到一定程度之后，藥頭的發(fā)火時(shí)間穩(wěn)定，彼此間的差異甚微[5-6]。

國內(nèi)關(guān)于電流對(duì)電雷管點(diǎn)火藥頭的影響已經(jīng)有了相關(guān)研究。對(duì)于數(shù)碼電子雷管，研究人員更關(guān)注輸出電壓對(duì)電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間等的影響。王文斌等[7]測(cè)試了4種不同電阻率的橋絲與二硝基間苯二酚鉛系點(diǎn)火藥組合時(shí)點(diǎn)火藥頭的發(fā)火電壓和發(fā)火時(shí)間，以此研究橋絲直徑與點(diǎn)火藥頭的發(fā)火電壓、發(fā)火時(shí)間及發(fā)火時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差之間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了李志雄等[8]的理論分析:在一定的橋絲直徑范圍內(nèi)，小直徑點(diǎn)火藥頭的發(fā)火電壓、發(fā)火時(shí)間及發(fā)火時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差都小。

目前，關(guān)于電容器的輸出電壓對(duì)數(shù)碼電子雷管電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間的影響規(guī)律研究較少。本文中，以苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭為試驗(yàn)對(duì)象，研究其發(fā)火時(shí)間與電容器的輸出電壓、藥頭的橋絲直徑之間的關(guān)系，總結(jié)出藥頭發(fā)火時(shí)間的變化規(guī)律，并通過高速攝影儀拍攝藥頭的燃燒狀況。

1 發(fā)火理論

灼熱橋絲式電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火過程簡(jiǎn)單描述為:儲(chǔ)能電容放電后，橋絲接受能量并升溫；同時(shí)，橋絲加熱周圍的點(diǎn)火藥劑，達(dá)到一定溫度后，點(diǎn)火藥發(fā)生化學(xué)變化，自身釋放熱量并繼續(xù)升溫，加速化學(xué)反應(yīng)直至藥頭發(fā)火；產(chǎn)生的火焰作用于后續(xù)的藥劑，從而引發(fā)電子雷管的爆炸[9]。

數(shù)碼電子雷管使用電容器放電，電流隨放電時(shí)間的增長(zhǎng)而減小[10]。理想條件下，電容器對(duì)橋絲的輸出能量為

式中:Q1為儲(chǔ)能電容輸出能量，J；C為儲(chǔ)能電容，F(xiàn)；U為輸出電壓，V；t為放電時(shí)間，s；τ為放電時(shí)間常數(shù)，s。

當(dāng)使用某一配方的電點(diǎn)火藥頭時(shí)，激發(fā)藥頭發(fā)火需要一定的能量Q2。假設(shè)橋絲升溫產(chǎn)生的熱量全部用于加熱點(diǎn)火藥，則

式中:Q2為橋絲升溫△T所需的熱量，J；ρ為橋絲的密度，g/cm3；L為橋絲長(zhǎng)度，cm；d為橋絲的直徑，cm；c為橋絲的比熱容，J/(kg·K)；T為電容放電使橋絲上升的溫度，K。

電容器放電的時(shí)間極短，故加熱橋絲的熱量損失可以忽略，認(rèn)為電容器放電的輸出能量全部用于加熱橋絲。若是電點(diǎn)火藥頭發(fā)火，則至少有Q1＝Q2，由此可計(jì)算得到

式(3)為灼熱橋絲在電容通電下的簡(jiǎn)單升溫模型，未考慮各部分熱損失。電容器的放電時(shí)間t極短，一般都小于電點(diǎn)火藥頭的激發(fā)時(shí)間，故忽略對(duì)藥頭發(fā)火時(shí)間的影響。

從式(3)可知，橋絲升溫的快慢主要與兩部分因素有關(guān):電容器的電容C及電壓U；橋絲的材質(zhì)和尺寸。橋絲升溫越快，橋絲與點(diǎn)火藥劑之間熱量傳遞越快，電點(diǎn)火藥頭越易被激發(fā)，從而發(fā)火時(shí)間縮短，發(fā)火越可靠。固定選用某一配方的電點(diǎn)火藥頭和橋絲材質(zhì)，電容器的設(shè)計(jì)完成后，電容器電容一定，則電容器的輸出電壓、藥頭的橋絲尺寸對(duì)電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間會(huì)有較大的影響。

2 點(diǎn)火試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

苦味酸鉀，純度大于99.1%，自制；高氯酸鉀，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；三硫化二銻，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司；聚乙烯醇1788，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

高氯酸鉀取200目篩下物，三硫化二銻使用行星式球磨機(jī)球磨，粒度D90＝21 μm；配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%的聚乙烯醇水溶液。

2.2 試驗(yàn)儀器

電子分析天平，上海箐海儀器有限公司；水浴烘箱，南京理工大學(xué)機(jī)電廠；磁力加熱攪拌器，金壇市城東新瑞儀器廠；發(fā)火測(cè)試儀，上海興軟信息技術(shù)有限公司；高速攝影儀，滿幅分辨率2 560×1 920，選擇2 000幀/s。

2.3 電點(diǎn)火藥頭的制備

將按配比稱量好的高氯酸鉀、三硫化二銻放入混合容器，手工干混后過100目網(wǎng)篩3次；將此二元混合物與無水乙醇按質(zhì)量比1∶2加入到混合容器中，濕混一定時(shí)間。出料先風(fēng)干，再于烘箱內(nèi)50℃干燥12 h以上，直至連續(xù)兩次稱量的質(zhì)量差不大于0.001 g。稱取干燥好的二元混合物放入混合容器，將稱量好的苦味酸鉀倒入，在防護(hù)裝置下混合均勻后，按照每千克點(diǎn)火藥加720～800 mL黏合劑的原則，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%的聚乙烯醇黏合劑，攪拌均勻。

制作藥頭時(shí)，用尖頭竹簽蘸取混合好的點(diǎn)火藥涂抹橋絲及腳片，分3次沾制點(diǎn)火藥頭，每次先風(fēng)干，再于50℃的烘箱內(nèi)干燥6 h，控制藥頭的藥量在(19±2)mg內(nèi)。將電阻檢查合格、表面光滑的藥頭放入干燥器中保存。

使用剛性腳片與無模組的PCB組合器件(以下簡(jiǎn)稱發(fā)火板)制造電點(diǎn)火藥頭。未沾點(diǎn)火藥的發(fā)火板及沾好點(diǎn)火藥的發(fā)火板如圖1所示。發(fā)火板的金屬橋絲為鎳鉻合金絲，橋絲直徑有35、25 μm，對(duì)應(yīng)的電阻分別為(1.50±0.10)Ω、(3.10±0.15)Ω。

圖1 發(fā)火板Fig.1 Ignition plates

2.4 試驗(yàn)程序

采用點(diǎn)火測(cè)試儀測(cè)試電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火性能。測(cè)試儀器主要由F10測(cè)試儀、發(fā)火夾具、發(fā)火板以及光電傳感器組成，設(shè)計(jì)使用的為120 μF的鋁電解電容器。

先將各部分儀器連接起來:將光電感應(yīng)頭接到F10測(cè)試儀背板的接線柱上，同時(shí)，光電感應(yīng)頭用膠帶固定在發(fā)火測(cè)試載具上并正對(duì)著藥頭；用連接線將發(fā)火夾具與F10測(cè)試儀連接起來；將帶藥頭的發(fā)火板放到發(fā)火夾具上壓好。

打開F10測(cè)試儀的控制面板，設(shè)置發(fā)火電壓，按下“開始發(fā)火測(cè)試”按鍵，芯片模塊輸出充電信號(hào)，儲(chǔ)能電容開始充電，此時(shí)控制面板上顯示“正在充電”。充電至設(shè)置電壓后，芯片模塊給出放電信號(hào)，電點(diǎn)火藥頭發(fā)火，同時(shí)記錄下發(fā)火時(shí)間。

3 結(jié)果與討論

3.1 輸出電壓對(duì)電點(diǎn)火藥頭發(fā)火時(shí)間的影響

測(cè)試不同輸出電壓下藥頭的發(fā)火時(shí)間及變化規(guī)律，輸出電壓分別為5.0、8.0、11.0、14.0、15.0、15.5、16.0、16.5 V和17.0 V。發(fā)火板的橋絲直徑為35 μm，每個(gè)電壓下均測(cè)試5發(fā)。發(fā)火時(shí)間為t。作t-U的變化曲線，如圖2所示。

圖2 電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間隨輸出電壓的變化Fig.2 Ignition time variation of the electric fusehead with output voltage

由圖2可以清晰地看出，隨著輸出電壓的增大，苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，發(fā)火時(shí)間越來越集中，即電點(diǎn)火藥頭個(gè)體之間發(fā)火時(shí)間的差異越來越小。

隨著輸出電壓的增大，發(fā)火時(shí)間呈現(xiàn)出指數(shù)型降低的趨勢(shì)。對(duì)不同輸出電壓下點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間變化進(jìn)行擬合，關(guān)系式為:t＝6.922 9e-0.169U，R2＝0.977，擬合精度比較高。當(dāng)輸出電壓小于14.0 V時(shí)，電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間隨電壓增大的變化速率很快；大于14.0 V后，發(fā)火時(shí)間逐漸平緩，最終穩(wěn)定在一個(gè)較小范圍內(nèi)。因此，在橋絲參數(shù)固定不變的條件下，每種點(diǎn)火藥劑會(huì)有一個(gè)最小發(fā)火時(shí)間。

對(duì)藥頭的發(fā)火時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出不同輸出電壓下藥頭的平均發(fā)火時(shí)間t、發(fā)火時(shí)間極差R和標(biāo)準(zhǔn)差S，列于表1。并作相應(yīng)的t-U、R-U、S-U曲線，如圖3所示。

表1 電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間參數(shù)Tab.1 Ignition time parameters of the electric fusehead ms

由圖3可以看出，隨著輸出電壓的增大，電點(diǎn)火藥頭的平均發(fā)火時(shí)間、發(fā)火時(shí)間的極差和標(biāo)準(zhǔn)差都逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)。這表明電點(diǎn)火藥頭之間發(fā)火時(shí)間的差異越來越小，發(fā)火一致性提高。當(dāng)輸出電壓大于15.0 V后，點(diǎn)火藥頭的平均發(fā)火時(shí)間穩(wěn)定在0.42 ms左右，發(fā)火時(shí)間的極差和標(biāo)準(zhǔn)差都很小。故在此能量激發(fā)條件下，苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭的最小發(fā)火時(shí)間在0.42 ms左右。

圖3 電點(diǎn)火藥頭的平均發(fā)火時(shí)間t 、發(fā)火時(shí)間極差R和標(biāo)準(zhǔn)差S隨輸出電壓U的變化Fig.3 Average ignition time t，ignition time range R and standard deviation S of the electric fusehead changing with output voltage U

由前述發(fā)火理論可知，電容器的輸出電壓越高，電容器輸出的能量越大，橋絲升溫越快，橋絲與點(diǎn)火藥劑之間的傳熱效率也越快，從而加速激發(fā)電點(diǎn)火藥頭，縮短發(fā)火時(shí)間。

3.2 橋絲直徑對(duì)電點(diǎn)火藥頭發(fā)火時(shí)間的影響

分別制成橋絲直徑為35、25 μm的苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭。輸出電壓為8.0 V，利用F10發(fā)火測(cè)試儀測(cè)試發(fā)火時(shí)間，每種藥頭測(cè)試30發(fā)。對(duì)藥頭的發(fā)火時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，列于表2。

表2 不同橋絲直徑時(shí)電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間參數(shù)Tab.2 Ignition time parameters of the electric fusehead with different bridge-wire diameters ms

由表2可知，減小橋絲直徑，苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間縮短，發(fā)火時(shí)間的極差和標(biāo)準(zhǔn)差較小，即藥頭的發(fā)火一致性提高。在8.0 V的輸出電壓下，橋絲直徑由35 μm減小至25 μm，藥頭的平均發(fā)火時(shí)間由2.21 ms縮短至1.30 ms。原因在于鎳鉻金屬橋絲的直徑減小，電阻增加，橋絲升溫產(chǎn)生的熱量積累增多，橋絲與點(diǎn)火藥之間的傳熱量增加，從而加速激發(fā)電點(diǎn)火藥頭，縮短發(fā)火時(shí)間。因此，其他參數(shù)保持一致，選擇較細(xì)的橋絲，可使橋絲與藥頭之間的傳熱效率提高，有利于提高數(shù)碼電子雷管電點(diǎn)火藥頭的瞬發(fā)度和發(fā)火可靠性。

但橋絲直徑的選擇要考慮橋絲生產(chǎn)工藝的影響:當(dāng)橋絲直徑過小時(shí)，橋絲一致性會(huì)變差，從而輸入每個(gè)藥頭的能量的差異增大，影響發(fā)火一致性和可靠性。

3.3 藥頭發(fā)火狀態(tài)

利用高速攝影儀拍攝苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭在穩(wěn)定發(fā)火時(shí)間下的發(fā)火過程，F(xiàn)10發(fā)火測(cè)試儀的輸出電壓為14.0 V。使用橋絲直徑為35 μm的發(fā)火板，發(fā)火板平放在發(fā)火夾具上，藥頭朝向高速攝影儀，拍攝距離為(1.0±0.1)m。藥頭的發(fā)火過程如圖4所示。

圖4 苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火過程Fig.4 Ignition process of potassium picrate type electric fusehead

結(jié)果表明:電點(diǎn)火藥頭在電容放電作用下被激發(fā)，發(fā)火較為迅速?？辔端徕浵惦婞c(diǎn)火藥頭的火焰明亮，藥劑燃燒充分，固體熾熱物多，冒白煙，燃燒時(shí)間較長(zhǎng)(百毫秒級(jí))，點(diǎn)火能力比較理想。

4 結(jié)論

1)在5.0~17.0 V的測(cè)試電壓范圍內(nèi)，隨著輸出電壓的增大，電容器輸出能量增大，苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭的發(fā)火時(shí)間逐漸減小，發(fā)火時(shí)間的極差和標(biāo)準(zhǔn)差也逐漸減小，最后都趨于平穩(wěn)。

2)當(dāng)電容器輸出電壓大于15.0 V后，苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭的平均發(fā)火時(shí)間穩(wěn)定在0.42 ms左右，極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差很小，藥頭的發(fā)火一致性高。

3)直徑較小的橋絲可以加快橋絲與點(diǎn)火藥之間的傳熱效率，有利于提高數(shù)碼電子雷管點(diǎn)火藥頭的瞬發(fā)度和發(fā)火可靠性。

4)苦味酸鉀系電點(diǎn)火藥頭的火焰明亮，藥劑燃燒充分，燃燒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(百毫秒級(jí))，點(diǎn)火能力可靠。