铁氧体材料在火工品电磁波环境适应性设计中的应用

任炜，白颖伟，褚恩义，张周梅，李明

(陕西应用物理化学研究所应用物理化学国家重点实验室，陕西西安710061)

0 引言

在电热火工品全寿命周期内，由于受周围电磁波环境的干扰与影响，电磁波能量会以传导或辐射的耦合方式作用于电热火工品，进而在电热火工品上形成电磁危害。以连续电磁波环境为例，由于电热火工品某种状态条件下呈现的天线特性，使得在其脚线上产生感应电流，导致桥丝换能元产生焦耳热积累，周围药剂被加热，使火工品出现性能变化或发火现象，影响了正常使用的安全性与可靠性［1］。

针对连续电磁波环境下电热火工品的作用机理及其适应性设计，王可暄等采用模拟电磁波环境实验条件，完成了典型电热火工品连续电磁波环境下响应规律的分析与实验研究，获得了电磁波参数、火工品结构等对电热火工品电磁效应的影响规律［2］;杨洁等提出了机电混合模式的电火工品电磁加固方法，采用单容性低通滤波器，通过并联电容的方法，取得了较好的电磁防护效果［3］，但由于电容器内储能元件的缘故，导致其对火工品自身的安全性造成影响，限制了该方法的具体使用。

国外研究针对电爆装置的电磁危害问题，最早提出采用羧基铁粉、铁氧体等衰减材料用于电磁波危害能量的耗散或衰减。如美国匹克汀尼工厂以羧基铁粉与环氧树脂粘结剂混合制作电极塞组件，代替了敏感酚醛电极塞组件，达到在频率500 MHz 下衰减20 dB 的设计效果［4］。但关于铁氧体材料在电爆装置电磁环境适应性设计方面未见报道。因此，本文研究主要结合电热火工品连续电磁波环境响应特性规律的分析与试验研究，针对连续电磁波环境对电热火工品形成的危害及影响，探索铁氧体材料在火工品电磁波环境适应性设计中的应用，提出了采用串联铁氧体磁珠的连续电磁波环境适应性设计方法，此外，还探索了铁氧体磁珠在电热火工品器件的集成设计，测试研究了铁氧体磁珠集成设计前后对电热火工品桥丝换能元电热输出性能的影响。

1 电热火工品连续电磁波环境下的失效现象与响应规律

本文首先采用安全电流为25 mA 的某敏感电热火工品开展连续电磁波环境下的电磁危害效应试验，试验采用如图1所示的火工品电磁辐射(EMR)效应测试系统，火工品试件装配如图2所示。试验中发现，当感应电流接近50 mA 时即出现试件发火情况，验证了电磁波环境会对电热火工品形成危害的理论分析。针对这一问题，为了有效积累试验数据，避免意外发火对响应规律研究造成的不利影响，主要以火工品换能元为样品，补充了120 ～360 MHz间7 个频率点的感应电流测试数据。

图1 电热火工品电磁辐射效应测试系统Fig.1 EMR test system

图2 电热火工品试件装配图Fig.2 Assembly diagram of EED

表1为7 个固定频率点在不同电场强度条件下(30 ～70 V/m)测试得到的感应电流数据。

表1 电热火工品在不同频率与不同电场强度连续电磁波环境下的感应电流Tab.1 Induced currents in continuous electromagnetic environment with different frequencies and field intensities mA

由表1的试验结果可知，电热火工品的最大感应电流约为160 mA，已超出大多数敏感电热火工品的安全电流，可能引起火工品的意外发火，再次验证了电磁危害的存在，因此，必须通过环境适应性设计加以解决。

2 铁氧体磁珠在电热火工品连续电磁波环境适应性设计中的应用分析与试验

铁氧体材料是一类较常使用的亚铁磁性材料，一般可用作电磁干扰滤波器件，主要利用其复数磁导率引起的磁损耗机理，吸收电磁波干扰。根据该类材料不同频率条件下呈现的不同作用机理，常被作为高频磁介质型吸波材料使用，具有成本低廉，应用广泛等优点［5-7］。

针对电热火工品电磁波环境下产生感应电流带来的危害与威胁，借鉴传统电子行业的设计经验，本文考虑利用铁氧体材料高频损耗大的优点，将一种铁氧体磁珠器件用于电热火工品电磁波感应电流的抑制与防护，试验采用的叠层片式铁氧体磁珠器件如图3所示。

图3 铁氧体磁珠结构图(上)和外形图(下)Fig.3 Structure (upper)and appearance (lower)of ferrite bead

为了获得铁氧体磁珠数量对其适应性设计效果的影响规律，铁氧体磁珠器件装配成如图4所示的3 种结构状态。具体试验结果与影响分析如下。

图4 铁氧体磁珠防护效果研究试件装配状态Fig.4 Assembling of ferrite beads in adaptability design test

2.1 不同电磁波频率对磁珠调整性能的影响

电磁波频率点的选取，主要结合铁氧体磁珠的频率响应曲线以及试件谐振频率计算［2，8］结果，选取80 ～300 MHz 间4 个典型频率点，固定电场强度100 V/m，得到的感应电流数据及串联磁珠后感应电流的调整百分比见表2.

表2 电场强度100 V/m 时不同频率电磁波下的响应结果Tab.2 The induced currents with and without cascaded ferrite beads under different electromagnetic frequencies for field intensity of 100 V/m

由表2的试验结果可知，串联单个磁珠的调整效果在低频时比较明显，但在较高频率时无明显效果，而串联两个磁珠的试件综合调整效果更好。

2.2 不同谐振频率试件对磁珠调整性能的影响

试验选择两种不同谐振频率试件进行试验，其对应谐振频率分别为300 MHz 和400 MHz，固定电场强度70 V/m，得到的感应电流数据及串联磁珠后感应电流的调整百分比见表3.

表3 电场强度70 V/m 时不同谐振频率试件的响应结果Tab.3 The induced currents with and without cascaded ferrite beads under different resonant frequencies for field intensity of 70 V/m

由表3的试验结果可知，随着频率的增加，不论试件种类及其对应的谐振频率如何，串联单个磁珠的调整效果在较高频率时均无明显效果，而串联两个磁珠的调整效果比较明显。因此，磁珠在电热火工品的电磁波环境适应性设计中主要考虑采用串联两个磁珠的方法进行。

2.3 不同电场强度下响应结果的影响

为了补充验证串联两个磁珠的防护设计效果，固定试件，在其谐振频率300 MHz 下，选取30 V/m、50 V/m 和70 V/m 3 种电场强度条件，得到的感应电流数据及串联两个磁珠后感应电流的调整百分比见表4.

表4 300 MHz 谐振频率下不同电场强度电磁波下的响应结果Tab.4 The induced currents with and without cascaded ferrite beads under different field intensities at resonance frequency of 300 MHz

由表4的试验结果可知，固定试件条件下，串联铁氧体两个磁珠对连续电磁波环境下的感应电流有很好的衰减效果，大约可衰减30%的感应电流，达到了一定的环境适应性设计效果。

3 集成铁氧体磁珠电热火工品器件的设计与性能试验

3.1 集成铁氧体磁珠电热火工品器件的设计

针对铁氧体磁珠在电热火工品中的具体应用实施，本文考虑将铁氧体磁珠与电热火工品器件进行组合设计，主要结合磁珠形状(叠层片式和线圈式)、结构尺寸等因素，提出了两种铁氧体磁珠在火工品中应用的设计思路:

1)采用叠层片式铁氧体磁珠，将其如图5所示集成封装于火工品换能元件内部，基本不改变火工品换能元件的结构尺寸，该设计方法存在主要问题在于受铁氧体磁珠尺寸及加工工艺的影响，限制了其只能在较大尺寸的换能元件中实施。

2)采用线圈式铁氧体磁珠，将其如图6所示套装于火工品脚线，该设计方法实施较为灵活、方便，在较小尺寸火工品中也同样适用，但采用外接器件的方式可能影响火工品的装配使用。上述两种设计，具体使用时，可根据不同场合要求进行选择。

3.2 铁氧体磁珠对电热火工品的性能影响试验

图5 叠层片式铁氧体磁珠在电热火工品中的应用实施Fig.5 Multilayer ferrite chip bead used in hot-wire EED

图6 线圈式铁氧体磁珠在电热火工品中的应用实施Fig.6 RH ferrite bead used in hot-wire EED

铁氧体磁珠对电热火工品作用性能影响的试验研究，本文主要从电热火工品的电热换能作用机理出发，以集成铁氧体磁珠前后的桥丝换能元为研究对象，采用红外热波成像测试系统，对桥丝换能元特定激励条件下产生的温度场分布与变化进行测试与表征，并以二者温度场分布与变化判定铁氧体磁珠对电热火工品桥丝换能元电热输出性能的影响［9］。

试验测试时，为了便于对比分析，两种桥丝换能元试件同时进行测试，具体工装如图7所示，均采用0.5 V 的输入电压，根据两种桥丝换能元电阻，分别为未加磁珠换能元1.61 Ω、集成磁珠换能元1.58 Ω，计算得出施加到电热桥丝上的电流约为300 mA.

图7 红外热波成像测试试验工装Fig.7 Assemble of infrared thermal wave image test

图8为测试得到的桥丝换能元静态、升温及热散失过程温度场分布的红外热像图，每个图中的右图为集成磁珠的桥丝换能元，左图为未集成磁珠的桥丝换能元。

图8 桥丝换能元不同阶段温度场分布红外热像图Fig.8 The infrared thermal images of temperature field distribution at different stages

由图8的桥丝换能元不同阶段温度场分布红外热像图可以看出，两种桥丝换能元升温过程及温度场分布变化趋势基本一致，说明集成铁氧体磁珠后对桥丝换能元的电热输出性能基本无影响。

4 结论

本文针对连续电磁波环境对电热火工品的危害问题，即在一定条件下火工品会发生意外发火等现象，将铁氧体磁珠引入火工品的连续电磁波环境适应性设计，主要利用铁氧体磁珠低频时的电感效应与高频时的磁损耗效应，较大程度地衰减了电热火工品连续电磁波环境下的感应电流。试验结果表明，采用脚线串联铁氧体磁珠设计可使电热火工品电磁感应电流衰减约30%，有效提升了电热火工品连续电磁波环境的耐受能力。初步开展的铁氧体磁珠对电热火工品性能影响的试验表明，集成铁氧体磁珠后电热火工品电阻变化不大，且对其桥丝换能元的电热输出性能影响不大，为电热火工品的连续电磁波环境适应性设计提供了一种方法。后续还将开展铁氧体磁珠对电热火工品响应时间等作用性能的影响研究。

References)

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