静电放电对电火工品桥丝影响的实验研究

白瑞祥，严 楠

（北京理工大学机电学院 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京，100081）

在火工品以及武器系统的生产、装配、储存、运输和使用过程中，静电放电(ESD, Electrostatic Discha-rge)的危害普遍存在。脚脚间静电能量的注入将对电火工品的发火性能（感度、发火时间等）以及安全性能（安全电流等）造成影响，甚至导致瞎火或意外发火。

对于静电放电对电热火工品的影响，多数研究的是某产品对 ESD是否安全、产品的 ESD感度以及ESD刺激后性能的变化。齐杏林等[1]研究了ESD刺激对单头电点火具恒流发火时间的影响，发现多次ESD刺激后的发火时间有变短的趋势。魏光辉等[2]采用升降法试验研究了静电放电刺激前后JD-11电点火具的发火电流分布，发现 ESD刺激有使桥丝式电火工品临界发火电流变小的趋势。王韶光等[3]测试了某型火箭弹电火工品的ESD感度。李志鹏等[4]采用多种ESD模型对某桥丝式火工品进行了抗静电能力测试。

前述主要是从宏观上统计分析ESD的影响，为了分析静电损伤的机理，需要从微观上研究。李志鹏等[5]运用工业CT研究了脚脚ESD对药剂的影响，100次放电后未发现变化。穆丽军等[6]利用瞬态脉冲试验原理，通过 ESD前后桥丝温升的变化，研究了静电放电对电火工品的性能影响，发现 ESD作用后样品正常发火时作用时间变长。

为了便于观察，本文采用不装药剂样品，研究了脚脚ESD对桥丝的影响，以期为桥丝式电火工品ESD损伤机理的分析提供参考。对焊好桥丝而不装药剂的电极塞脚脚间进行静电放电，静电放电后测量桥丝电阻并用显微镜观察桥丝的表观形貌。

1 试验方案设计

1.1 样品

采用传统的锡焊方式焊接桥丝，典型桥丝形貌如图1所示，桥丝材料为Ni80Cr20（6J20），直径为12μm，电阻为5～8Ω。

图1 桥丝典型外观形貌Fig.1 Typical appearance of bridgewire

1.2 ESD模拟电路

根据放电场合的不同，ESD模拟电路在电路形式和参数上各有不同。本文试验所用的放电电路符合GJB 5309.14-2004 《火工品试验方法第14部分：静电放电试验》的要求，用来模拟人体静电放电对火工品的作用，放电电路原理如图2所示。

1.3 放电试验方案

对焊好桥丝而不装药剂的电极塞在室内（室温20℃）进行一定电压的脚脚间静电放电，放电后测量桥丝电阻并用显微镜观察桥丝的表观形貌。具体包括如下两方面：

（1）为了寻找对桥丝造成显著影响的放电电压水平，以5kV为步长，从5kV到30kV依次升高放电电压，对同一发样品进行静电放电，每次静电放电后，测量电阻值并用显微镜观察桥丝形貌。

（2）为了研究多次静电放电对桥丝的影响，对同一发样品进行同一电压的多次静电放电，每次静电放电后，测量电阻并用显微镜观察桥丝形貌。

图2 静电放电模拟电路原理图Fig.2 Schematic diagram of ESD modeling circuit

2 试验现象及规律

2.1 静电放电对桥丝电阻值的影响

2.1.1 依次升高放电电压对同一样品逐次作用

5发样品经ESD作用后的电阻值变化情况如图3所示。从图3中可见，15kV以下时，桥丝电阻降幅较小，并有小幅震荡现象；20kV ESD后，桥丝电阻出现较大幅度的降低，降幅在1.9%～4.6%。

图3 电压依次升高下静电放电作用后桥丝电阻的变化Fig.3 Change of bridgewire resistance after ESD with rising voltage

2.1.2 采用同一电压对同一样品多次放电

如图4所示，以10kV电压对同一样品进行了9次静电放电，首次放电后电阻下降明显，降幅为1.2%，之后电阻值基本稳定；对同一样品以20kV电压多次静电放电时，同样是首次放电后电阻下降较多，降幅为 5.1%，之后多次放电电阻继续呈降低趋势，但降幅较小。

图4 同一电压静电放电多次作用后桥丝电阻的变化Fig.4 Change of bridgewire resistance after multiple ESD with same voltage

2.2 静电放电对桥丝外观形貌的影响

使用光学显微镜对静电放电后桥丝的外观形貌进行观察，发现的形貌变化现象有：

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（1）弧形桥丝有变直的趋势，有的桥丝变直并有小幅波浪形弯曲（颈缩现象）；静电放电作用后，桥丝形状发生了变化。由于放电前桥丝形状不尽相同，放电后的变形也有差异，但普遍呈现变直变短的趋势。从图5可见，在依次升高的静电电压作用后，桥丝由弯曲逐渐变直，焊点间桥丝长度减小。

图5 电压升高下静电放电后桥丝形貌Fig.5 Appearance of bridgewire after ESD with voltage from low to high

从图6可见，经受多次静电放电后桥丝明显变直且有小幅波浪形弯曲（颈缩）。

（2）在高于25kV放电作用后，桥丝表面颜色变黄；在25kV放电作用后桥丝颜色明显变黄，尤其是在桥丝中部；在低于20kV的静电作用下，桥丝逐渐变直，但桥丝颜色没有显著变化。

（3）在25kV或30kV放电作用后桥丝熔断。

图6 经受多次20kV静电放电后桥丝形貌Fig.6 Appearance of bridgewire after multiple 20kV ESD

3 试验现象分析

3.1 桥丝变直、电阻减小原因分析

从电阻测量结果可以看到，静电放电冲击后桥丝电阻呈现下降趋势。分析桥丝电阻减小的原因，主要有如下3个方面：

（1）对桥丝外观形貌的观察发现，静电冲击后两个焊点间桥丝有变直的趋势。桥丝由弯曲变直，焊点间桥丝变短，由此推知桥丝的横截面积有一定的增加。而桥丝变直变短的原因，可能是静电放电使桥丝放热升温，桥丝软化强度降低，内应力减弱，桥丝形状趋于平滑，放电结束，桥丝冷却收缩，进一步变直。

（2）桥丝在火工品生产过程中会产生冷变形。比如，桥丝在焊接前要由线轴上的卷曲状态撑直；桥丝焊接好后要用毛笔蘸酒精洗去桥丝和焊点及其周围插塞上的焊剂残留物，并要将贴在插塞面上的桥丝挑起，由于桥丝较细，不可避免地会使桥丝局部拉伸[7]。

根据精密合金材料学[8]的相关理论，冷变形会引起晶格畸变，使晶格中出现空位、置换原子及位错、引起晶体弯曲等现象，造成电子波的散射，使电阻率增大。当在一定温度下退火时，晶格缺陷减少，畸变减轻，原子排列更有序，内应力基本消除，致使电阻率降低。静电放电使桥丝放热升温，相当于一种形式的热处理，因此桥丝电阻率会有一定的减小。

（3）随着Cr含量的增加，Ni-Cr合金的电阻率增大[9]。静电放电使桥丝放热升温，暴露于空气中的桥丝中Cr首先被氧化，生成Cr2O3。由于桥丝很细，长径比很大，因此比表面积很大，被氧化的Cr相对较多，Cr含量降低，这也是桥丝电阻率下降的原因。

3.2 对桥丝式电火工品损伤机理分析的启示

桥丝电阻的变化将改变桥丝的生热。根据桥丝变直的现象，可推断静电放电后桥丝和药剂接触状态发生改变。桥丝变直会使桥丝与一侧药剂接触更紧密，而与另一侧药剂产生间隙。这些现象将造成火工品的损伤，影响产品的性能。为了减轻上述不利现象，在生产过程中要注意减小桥丝的冷变形并对桥丝形状进行一定的控制和检查。

4 结论

（1）当静电放电电压达到一定值时，桥丝电阻会出现显著的下降。对本文所用样品（直径12μm的6J20 Ni-Cr桥丝，电阻5～8Ω）20kV放电时，电阻显著降低，降幅在1.9%～5.1%。

（2）电阻减小的原因主要有：静电放电作用后，桥丝变直，导致焊点间桥丝长度减小，横截面积增大；静电放电使桥丝放热升温，相当于一种热处理，使火工品生产过程中桥丝由于冷变形而产生的晶格缺陷减少，因此桥丝电阻率减小；氧化使桥丝中Cr含量降低，电阻率减小。

（3）电阻变化将改变桥丝的生热，桥丝变形将改变桥药的接触状态，从而影响火工品的性能。

[1]齐杏林, 陈砚桥, 李宏建,等. 静电放电刺激对电点火具恒流发火时间的影响[J].火工品,1999(1): 9-12.

[2]魏光辉,刘尚合.静电放电对电火工品发火性能影响的研究[C]//中国物理学会第八届静电学术年会.西安:中国物理学会,1999.

[3]王韶光,等. 火箭弹电火工品真实静电感度试验研究[C]//中国物理学会静电专业委员会.石家庄:中国物理学会静电专业委员会,2006.

[4]李志鹏,等.某桥丝式火工品抗静电能力研究[C]//第 15届静电学术年会.郑州:中国物理学会,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]穆丽军,高俊国,张玉令.静电放电对电火工品作用机理分析与试验研究[J].工业安全与环保,2010(5):39-40.

[7]张光明.桥丝式电雷管电阻变化问题初探[J].火工品,1994(4):1-6.

[8]何开元.精密合金材料学[M].北京:冶金工业出版社,1991.

[9]王振东,宫元生.电热合金[M].北京:化学工业出版社,2006.