静电放电对爆炸桥丝火工品作用性能影响研究

李志鹏，文 雯，吕子剑，代 斌，龙新平

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳，621900）

随着科学技术的发展，高分子材料、微电子器件以及电爆装置在各个领域的应用越来越广泛，静电造成的危害也日益受到人们的关注和重视[1]。

目前，对武器系统总体作用可靠性的要求不断提高，对火工品也提出了更高的要求，不仅要进行静电放电安全性试验，而且要进行作用可靠性试验。美军标中明确要求火工品进行静电刺激后其作用可靠性不应降低。美国曾对4种高能热桥丝起爆器和3种不同类型的爆炸桥丝火工品进行了静电刺激后的作用性能测试，结果表明静电放电刺激导致火工品出现施加正常发火脉冲不能发火、超出全发火和不发火水平范围、作用时间和爆炸电流阈值有所提高等问题[2]。齐杏林[3]等研究了多次静电放电刺激对电点火具恒流发火时间的影响，结果发现静电放电刺激使电点火具恒流发火时间有变短的趋势。由此可见，静电放电对火工品作用性能的影响不容忽视，但该方面的工作尚未引起人们的足够关注，相关的文献报道和研究工作都较少见。因此，非常有必要研究静电放电对火工品作用性能的影响情况，并对其原因进行分析。

本文采用静电放电模拟发生器对某爆炸桥丝火工品进行了静电放电刺激，并用微焦距工业CT详细观测了静电放电对火工品桥丝以及始发装药造成的损伤情况，然后对其桥路电阻以及施加正常发火脉冲能否发火等性能进行了测试。根据试验结果分析了静电放电影响火工品作用性能的主要原因。研究工作对于深入认识静电放电对火工品的作用效应、了解静电放电对火工品可靠性的影响机理及原因有一定意义。

1 试验方法

通过对被测爆炸桥丝火工品的结构分析，静电放电对其可能的作用方式主要包括脚-脚放电以及脚-壳放电两种，如图 1所示。其中脚-脚方式放电（图 1（a）中A-B）与火工品正常的起爆方式类似。脚-壳方式放电（图1（b）中A(B)-C）时，静电放电可能导致火工品脚壳间发生击穿，从而对火工品的装药产生损伤，影响其作用性能。

图1 静电放电对火工品的两种主要作用方式示意图Fig.1 Two manner of ESD applied to detonators

目前公开报导的ESD（ElectroStatics Discharge）模型有人体模型（HESD）、场增强模型(或者人体－金属模型)、机器(日本)模型等8种之多[4]。由于火工品在生产、运输、装配等过程发生的静电威胁几乎都与人的活动有关，人体静电也成为引起电火工品发生意外爆炸的最主要和最经常的因素。因此，火工品的静电安全性评价侧重于采用人体ESD模型进行研究。

据文献报道[5]，生产实践中人体可能携带的最大静电电位值一般不超过 50kV，人体比较严酷的模型参数为：C=500pF，R＝100Ω。采用上述人体ESD模型参数，按图2所示的方法对被测火工品分别进行脚－脚和脚－壳两种方式的静电放电刺激。每种放电方式选取20发火工品试样，对每发试样进行1次静电放电刺激，然后检测静电放电刺激对火工品作用性能的影响情况。

图2 静电放电试验方法原理示意图Fig.2 Sketch of ESD experimental principle

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

对静电放电刺激后爆炸桥丝火工品的桥路电阻值变化情况、火工品施加正常发火脉冲后能否起爆，以及起爆后的单发作用时间是否仍满足技术指标要求等进行了测试，结果见表1。

表1 静电放电刺激后被测火工品的作用性能检测结果Tab.1 Performance test results of detonators after ESD

测试结果表明：当静电放电以脚-脚方式对被测火工品作用后，未对其桥路电阻值产生明显影响，被测的20发火工品全部正常发火，且测试得到的单发作用时间均在技术指标要求的范围内。而当静电放电以脚-壳方式对被测火工品作用后，虽然其桥路电阻值也未发生明显变化，但20发中出现2发火工品施加正常发火脉冲后未能发火。

2.2 脚-脚间静电放电对火工品作用性能的影响分析

为了分析造成上述测试结果的原因，采用微聚焦工业CT对静电放电刺激后火工品始发装药的情况进行了检测。图3所示为被测火工品桥丝与装药部分的结构示意图，用CT分别对A-A剖面和B-B剖面进行了观测和

图3 被测火工品经脚-脚静电放电后检测部位结构示意图Fig.3 Sketch of detection part of the detonator after ESD applied to pin-to-pin

图 4所示为对被测火工品以脚-脚方式静电放电刺激后的CT检测照片。由图4可见，在桥丝周围与火工品壳体间的区域内，始发装药的分布灰度值一致，表明始发药密度分布仍保持均匀，未观察到始发药状态发生改变。由此可见，静电经被测火工品脚－脚之间放电时，未对始发药造成损伤。

图4 被测火工品经脚-脚静电放电后的CT照片Fig.4 CT pictures of detonator after ESD applied to pin-to-pin

当火工品脚-脚间静电放电时，可以简化为电容放电起爆电火工品的问题，但同一般意义上的电容放电不同，由于静电放电时间极短，桥丝热量几乎来不及向外扩散，可以视作绝热过程。因此，桥丝温升的大小往往决定着是否会对始发装药造成损伤，以及火工品在静电刺激条件下是否发生点火。桥丝温升和冲击电流的关系式如下[6]：

式（1）中：△T为桥丝温升（起始温度20 ℃）；I为电流；t为时间；c为桥丝材料比热；ρ为桥丝材料密度；ω为桥丝体电阻；A为桥丝横截面积；λ为桥丝电阻温度系数。

根据式（1），已知被测火工品中始发装药发生熔融、桥丝熔化和汽化所需的临界温度值，计算可得到相应的冲击电流值，如表2所示。

图5 冲击电流的密度函数分布图Fig.5 Density function distribution of action integral

表2 冲击电流值计算结果Tab.2 Numerical results of action integral

本文采用的人体静电模型（HESD）参数为：50 kV，500pF，100 Ω。根据冲击电流为能量与电阻的比值，计算可得到该条件下静电放电最大的冲击电流值为：

表2仅计算了临界温度值处的冲击电流值，考虑到产品的实际差别，温度以及冲击电流值应该分布在一定的误差范围内。假定冲击电流的分布服从正态分布，标准偏差取产品制造所允许的典型偏差10%，由此可计算得到冲击电流的密度函数分布图。为便于比较，对图形进行归一化处理，如图5所示。

由图5可见，人体模型静电放电的冲击电流值不仅小于该火工品始发装药熔融所需的冲击电流值，而且远小于其桥丝熔融以及汽化所需冲击电流值。也就是说，在本文采用的静电放电刺激条件下，对桥丝造成的温升很小，不会对桥丝及始发药造成损伤。因此，也就不会对其作用性能产生影响。

2.3 脚-壳间静电放电对火工品作用性能的影响分析

图 6为对被测火工品以脚-壳方式静电放电刺激后检测部位结构示意图。

图6 被测火工品经脚-壳静电放电后检测部位结构示意图Fig.6 Sketch of the detection part of the detonator after ESD applied to pin-to-cup

图7为静电放电后CT检测照片。由图7可见，由于受到静电放电火花的冲击作用，导致部分区域始发装药的分布灰度值变小，表明其密度降低，受到一定程度的损伤。损伤的形貌呈现典型的“树杈”形状，主要分布在桥丝焊点和壳体间的区域内，越接近电极塞的部分损伤越严重，这可能与该处距离壳体较近，静电更易释放，且放电能量更为集中有关。

图7 被测火工品经脚-壳静电放电后不同部位CT照片Fig.7 CT pictures of detonators after ESD applied to pin-to-cup

在火工品脚-壳间静电放电形成电火花的过程中，由于空气瞬时被电离加热到很高的温度，迅速膨胀产生冲击波，在始发装药中形成放电击穿通道，形成一个密度疏松区。该区域在冲击波传播过程中形成稀疏波，稀疏效应使得爆燃反应无法自持传播，最后导致反应熄灭，这可能就是部分火工品未能正常发火的主要原因。

3 结 论

在本文采用的人体模型静电放电刺激试验条件下（50 kV，500 pF，100Ω），静电通过被测爆炸桥丝火工品脚-脚放电时，由于人体模型静电放电的冲击电流值较小，对桥丝造成的温升有限，未对桥丝及始发药造成损伤，因此也未对其作用性能产生影响。然而，当静电通过被测爆炸桥丝火工品脚-壳放电时，静电放电的冲击作用对其始发装药造成了一定损伤，影响火工品的正常发火过程，导致部分被测火工品出现瞎火。研究工作对于认识静电放电对爆炸桥丝火工品的损伤效应以及对其作用性能的影响原因有参考意义。

[1]刘尚合,宋学君.静电及其研究进展[J].自然杂志,2008,29(2):63-69．

[2]王凯民,温玉全.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3]齐杏林,陈砚桥.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．

[4]魏光辉,国海广,孙永卫．电火工品静电安全性评价方法研究[J].火工品,2005(2):21-24．

[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．