朱顺官, 张 琳，李 燕，高 朦



碳晶膜电点火桥特性研究

朱顺官, 张 琳，李 燕，高 朦

（南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094）

利用碳晶膜作为发火元件制作了碳晶电点火桥，研究了碳晶填量及脚线极距对点火桥发火性能的影响，并比较了5种药剂的碳晶点火桥发火感度，同时对碳晶电点火桥进行了脚-脚间抗静电性能测试。结果表明：当电极塞凹槽面积一定、碳晶填量为1.2mg、脚线极距为2.4mm时，碳晶电点火桥最小全发火电压最低为17.3V（电容47μF），且在一定范围内，随着碳晶填量的增加，点火桥最小全发火电压先下降后上升；在一定范围内极距越大，最小全发火电压越大；5种药剂碳晶点火桥发火感度从高到低依次为：斯蒂芬酸铅、叠氮化铅、硝酸肼镍、B/KNO3、苦味酸铅；此外，点火桥脚-脚间抗静电电压大于50kV。

碳晶；电极塞；发火特性；抗静电

电火工品换能元的作用方式有两种：一是热传导形式，如金属桥丝、金属桥膜；二是微对流形式，如SCB。它们都是通过电流的直接作用，致使发热材料以热量传递或等离子体渗入的方式，引发接触药剂的化学变化，继而发生燃烧或爆炸。这样的换能元已有着长久的应用[1-2]，而且SCB正在不断开发新的技术[3-4]。

碳膜作为一种电致发热材料而用作换能元，将石墨加粘结剂形成的导电性浆料，涂抹在带有电极的基底上，固化后即形成碳膜。由于石墨型碳膜的电阻较高（700~14 000Ω左右），需要较大的输入电压（大于100V）才能产生足够热量而点燃药剂，相应的发火能量却只有几十微焦耳。然而美军早期的反坦克导弹中一直使用碳膜雷管，其能量精度很高，说明制备工艺达到了相当高的水平[5]。目前国内外少有文献报道制作工艺简单的点火桥。本文采用一种新材料碳晶，将其应用于点火桥中作为发火元件，制备出了安全可靠、工艺简单的碳晶电点火桥，并对其电爆特性进行了初步研究。

1 实验

1.1 碳晶电点火桥的制作及装药

将短切碳纤维置于研钵中研磨成一定粒径的粉末，先在10%NaOH溶液中常温下充分浸泡一段时间以除去杂质，过滤干燥再转移到乙醇中超声振荡，然后烘干即得碳晶。将碳晶加入溶剂丙酮中，向溶剂中加入固化剂搅拌混合均匀，蒸干溶剂后碳晶固化前将其放入模具中，施加一定压力压入陶瓷电极塞的凹槽内即得碳晶电点火桥。实测桥膜电阻处于几欧姆至十几欧姆的范围，其随极距大小和碳晶填充量而变化。

装药条件：选取常规的起爆药和点火药剂，药量15mg，压药压力90MPa，形成实验样品。装药结构如图1所示。

图1 装药结构图

1.2 碳晶电点火桥发火特性

实验研究了不同碳晶装填量、不同极距和不同装药下的发火性能，获得发火电压、发火能量和发火时间等参数，初步认识碳晶桥膜换能元的作用特性。

点火实验装置由储能放电起爆仪（ALG-CN1）、光探头（南京理工大学制造）、数字示波器（LeCroy44 Xs）等组成，实验装置如图2所示。储能电容选用47μF钽电容。电路连接好后先给电容充电，充至实验电压后使碳晶电点火桥通电发火。用数字示波器采集记录发火过程中点火桥两端的电压、电流信号以及光信号。

图2 脉冲放电实验装置图

1.3 碳晶电点火桥安全性能及环境适应性

采用静电感度测试仪（JGY-50Ⅲ型），按GJB 736. 11-90进行人体放电考核，并减小串联电阻测得50%发火的静电电压值。利用恒流电源（ALG-HL-20A型，南京理工大学）对碳晶点火桥火工品进行升降法试验，计算得到其最小不发火电流，以此电流值为依据，进一步试验得到5min不发火的安全电流。将样品分别置于70℃和-50℃恒温箱中2h，以及30℃恒湿箱中48h（RH为95%），再对样品进行脉冲放电发火性能测试实验。

2 结果与讨论

2.1 碳晶装填量对点火桥发火性能的影响

将不同量的碳晶压入脚线极距为3.1mm的电极塞凹槽中制成点火桥，测试其最小全发火电压、发火能量等。实验结果如图3所示。

图3 不同碳晶填量对点火桥发火性能的影响

从图3可以看出，当碳晶装填量为1.2mg时，最小全发火电压为20.6V，在一定范围内，随着碳晶填量增大，最小全发火电压与发火能量先下降后升高。碳晶电点火桥的发火机理是通电后点火元件产生电火花从而使药剂发火，火花自脚线的端平面处产生，当碳晶压入厚度比脚线端平面低时，碳晶点火元件与脚线接触不良，不能充分发挥其导电性能，所需发火电压较大。当碳晶压入厚度比脚线端平面高时，脚线端平面上方的碳晶将电火花覆盖，阻断火花与药剂接触，因此需要更高的电压产生较大的电火花使药剂发火。只有当碳晶压入高度与脚线端平面等高时，所需发火电压最小。根据能量计算公式=1/22，在一定电容下，发火电压越大，发火能量越高。

2.2 电极塞脚线极距对点火桥发火性能的影响

将1.2mg碳晶压入脚线极距分别为2.4mm、3.1mm、4.2 mm，面积一定的电极塞凹槽中制成点火桥，并用斯蒂芬酸铅装药测试其发火性能，实验结果如表1所示。

表1 脚线极距对点火桥发火性能的影响

Tab.1 Influence of electrode distance on the firing property of CC bridge film

从表1可以看出，当其他条件一定时，在一定范围内脚线极距越小，最小全发火电压与发火能量越小，发火时间越长。根据场强计算公式=/，同一电压下，极距越小场强越大，碳晶内阻也随脚线极距变小而变小，因此流过碳晶电流越大，形成电火花也越大，更容易使药剂发火。药剂发火存在一定的临界发火能量，=∫d，电压越小，因此电流越小，所需发火时间越长。

2.3 不同药剂的发火特性对比

采用脚线极距为3.1mm，碳晶填量为1.2mg的点火桥分别对5种药剂进行发火试验，参照文献[6]方法比较不同药剂的发火感度顺序。使用D-最优化程序进行了点火电压的预计，实验结果如表2所示，5种药剂发火时间——电压数据如图4所示。

表2 5种药剂的D-最优法数据

Tab.2 Function data of 5 kind of compositions by D-optimal method

通过对比不同药剂的50%发火电压和全发火电压，结合图4，可以得出不同药剂碳晶电点火桥发火的感度从高到低的顺序为：斯蒂芬酸铅、叠氮化铅、硝酸肼镍、B/KNO3、苦味酸铅。

图4 5种药剂发火时间——电压

2.4 碳晶电点火桥脚-脚间抗静电测试

对点火桥在斯蒂芬酸铅装药条件下进行脚-脚间抗静电实验，电容500pF、串联5 000Ω电阻。碳晶电点火桥脚-脚间抗静电电压大于50kV；当串联电阻为500Ω时，其50%发火电压为53kV，抗静电性能相当好，这是碳晶点火桥的一个非常突出的优势。

2.5 碳晶电点火桥的安全电流

极距3.1mm的碳晶桥装填细颗粒（200目下）斯蒂芬酸铅，实测的安全电流只有0.38A。为提高其安全电流，在脚-脚间并联一个负温度系数热敏电阻（NTC），该NTC热敏电阻主要起分流作用，其灵敏度高、性能稳定，能对各种温度变化快速响应。此条件下能够达到1A、5min不发火。并联NTC热敏电阻后，发火性能与并联前没有任何改变，表明热敏电阻分流技术对提高碳晶桥的安全性非常有效。

2.6 高低温及高湿下的发火性能

同样采用极距3.1mm的碳晶桥装填细颗粒（200目下）斯蒂芬酸铅，经过高低温存放后，对其进行脉冲放电发火性能测试，放电电容47μF，在不同输入电压下测量并记录发火时间与发火能量，实验结果见表3~4。

表3 70℃下碳晶电点火桥的发火性能

Tab.3 Firing property of CC bridge film under 70℃

表4 -50℃下碳晶电点火桥的发火性能

Tab.4 Firing property of CC bridge film under -50℃

将表3~4中的数据与图4的结果对比，可以看出，系统点火条件下，70℃与-50℃下碳晶电点火桥的发火时间及发火能量与常温下的发火性能数据一致，由此可以认为高低温对碳晶电点火桥的发火性能没有影响，原因可能是碳晶电点火桥的发火机理不同于半导体桥的等离子体点火，其主要是产生电火花从而使药剂发火，因而受外界环境温度影响较小。

恒温高湿条件进行了2项试验，一项是正常装药的样品，存放后进行脉冲放电点火；另一项是碳晶桥裸桥在高湿存放后，装药压药形成样品进行脉冲点火试验。实验结果见表5~6。

表5 30℃95%RH下碳晶电点火桥发火性能（先装药）

Tab.5 Firing property of CC bridge film under 30℃, 95% RH condition

表6 30℃95%RH下碳晶电点火桥发火性能（后装药）

Tab.6 Firing property of bared CC bridge film under 30℃, 95% RH condition

从表5可以看出，30℃95%RH下碳晶电点火桥的发火时间及发火能量均比正常条件（40V时131.5μs、2.14mJ）[7]下大，说明在高湿度下碳晶电点火桥的发火性能恶化；由表6可见裸露桥膜经历高湿环境后再装药，其发火时间及发火能量与正常条件下几乎一致，因此可以确认碳晶桥膜能够耐受潮湿环境。

3 结论

利用碳晶作为发火元件制作出了碳晶膜电点火桥，并对其点火特性进行了初步研究，结果表明：

（1）对确定的矩形填充槽，在一定范围内，随着碳晶填量的增加，点火桥最小全发火电压先下降后上升；当槽宽2.28mm、脚线极距为2.4mm时，碳晶填量为1.2mg，碳晶膜电点火桥最小全发火电压为17.3V。（2）相同槽宽时，在一定范围内，极距越大，最小全发火电压越大，点火桥趋于钝感。（3）5种药剂碳晶膜点火桥发火感度从高到低依次为：斯蒂芬酸铅、叠氮化铅、硝酸肼镍、B/KNO3、苦味酸铅，这与装药的成型密度有关联。（4）碳晶桥膜自身具有很强的抗潮湿能力，且受高低温的影响也极其微小。（5）碳晶膜电点火桥自身就有很强的静电防护能力，值得深入研究其内在机理。

[1] 叶迎华.火工品技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.

[2] 朱朋,沈瑞琪,叶迎华,等.介电式Al/CuO复合薄膜含能点火桥和点火桥阵列:中国,CN201107644U[P].2012- 01-11.

[3] Bickes R W, Grubelich M C, Harris S M, et al. An overview of semiconductor bridge, SCB, application at Sandia National Laboratories [R]. AIAA 95-2549,1995.

[4] 祝逢春,徐振相,陈西武,等.半导体桥火工品研究的新进展[J].兵工学报,2003,24(1):106-110.

[5] 蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社, 2002.

[6] 马鹏,朱顺官,张垒,等.起爆药等离子体感度研究[J].含能材料,2010,18(1):72-75.

[7] 高朦. 碳晶电点火桥技术研究[D].南京:南京理工大学,2015.

Study on the Igniter with Carbon Crystal Bridge-film

ZHU Shun-guan, ZHANG Lin, LI Yan, GAO Meng

（Nanjing University of Science & Technology, Nanjing, 210094）

Carbon crystal（CC）electric ignition bridge has been prepared by using carbon crystal as ignition components，the impact of the mass of carbon crystal and foot line spacing on the ignition bridge performance was studied, and the ignition sensitivity of five kinds of explosive was compared, at the same time, the experiment of foot-foot antistatic was carried out. Results show that the ignition bridge attains the lowest minimum total ignition voltage of 17.3V, when the quantity of carbon crystal is 1.2mg, and the foot line spacing is 2.4mm. Within a certain range, with the increase of carbon crystal filling quantity, the minimum total ignition voltage drop before they rise, and within a certain range, the bigger of foot line spacing, the higher of the minimum total ignition voltage. The order of electro-spark sensitivity from high to low is lead styphnate, lead azide, nickel hydrazine nitrate, B/KNO3,lead picrate. Meanwhile, the carbon crystal electric ignition bridge has good foot-foot antistatic performance of 50kV.

Carbon crystal；Electric plug；Firing property；Antistatic

1003-1480（2015）03-0001-04

TJ450.3

A

2015-02-23

朱顺官（1962-），男，研究员，从事新型火工药剂技术研究。