一种基于钽核心的数码电子雷管发火装置

何 圣

（桂林电子科技大学，广西 桂林，541000）

一种基于钽核心的数码电子雷管发火装置

何 圣

（桂林电子科技大学，广西 桂林，541000）

针对数码电子雷管的应用环境，提出了一种不含敏感火工品药剂的数码电子雷管发火装置设计。其包含一个钽金属颗粒烧结而成的多层结构核心，可在一定脉冲电压的冲击下自燃，由此产生高温高压射流来实现雷管的起爆。该发火装置具有很好的安全性和很高的发火能量输出，适合在数码电子雷管中应用。

数码电子雷管；发火装置；钽芯；发火能量

现今行业内使用的数码电子雷管采用的电发火装置均为传统的热桥丝式。桥丝式发火装置由于采用了敏感的火工品药剂，因而在生产、运输、使用中存在很大的安全隐患。半导体桥发火装置不含敏感火工品药剂，其利用半导体电击穿产生的高温等离子喷射来实现发火，具有较高的安全性。但其需要的激发电能过大，当前数码电子雷管储能电容无法满足，故至今也未能应用于数码电子雷管领域。

本文提出了一种基于钽核心的电发火装置设计。这种发火装置依靠一颗可由低压电脉冲激发自燃的多层结构钽核心进行发火，兼具热桥丝发火装置对激发电能的要求较低、发火输出能量高，以及半导体桥发火装置不含敏感火工品药剂、安全性高的优点，在数码电子雷管领域具有很大的应用潜力，本文对此发火装置开展了相关的设计研究。

1 发火装置主体结构

发火装置的主体外形结构如图1所示。发火装置主体呈圆柱状，便于沿同轴方向装入雷管壳内。外壳由合成树脂材料制成，包裹着内部长方体状的钽核心和金属正负极引脚。在发火装置上端面开有一个梯形凹槽，部分裸露出内部的钽核心。当钽核心燃烧时，由于受到外壳的束缚，燃烧产生的高温熔融碎屑射流会通过梯形凹槽开口向上定向喷射而出，点燃上方的雷管装药。

图1 发火装置结构示意图Fig.1 Sketch of the ignition device

2 钽核心构造

钽核心结构与钽电容核心[1]类似，外形示意图如图2所示。钽核心成长方体状，左后两个正交面分别连接金属正负极引脚。钽核心的层结构剖视图如图3所示。

图2 钽核心外形示意图Fig.2 Sketch of the tantalum core

图3 钽核心构造剖视图Fig.3 Section of the tantalum core

多孔阳极钽烧结块由钽粉颗粒压模烧结而成，具有疏松的海绵状多孔结构，是整个内核的结构主体，也是阳极主体，具有很大的表面积。

阳极引出钽丝是内核阳极的输入端，材质为实心钽金属，一端与正极引脚焊接在一起，另一端埋入固体烧结阳极块并与其烧结成一体。五氧化二钽层由多孔阳极钽烧结块经氧化处理形成，覆盖在多孔阳极钽烧结块海绵状多孔结构的表面，是内核阳极与阴极间的隔离介质。 二氧化锰阴极覆层包覆在五氧化二钽层之上，是内核的阴极主体。

聚四氟乙烯垫圈包覆于阳极引出钽丝与多孔阳极钽烧结块的外部接合处，主要起绝缘作用，防止五氧化二钽层以外的覆层与阳极引出钽丝接触发生短路。同时聚四氟乙烯良好的韧性和可成型性可起到局部结构加强的作用，减少阳极引出钽丝受力弯曲，造成此处烧结块崩落这类情况的发生。

石墨涂层涂覆在长方体钽核心除阳极引出钽丝所在面外的5个外表面上，作为阴极的引出，为二氧化锰阴极覆层提供电气连接。银浆涂层涂覆在石墨涂层之上，为其提供可粘接或焊接的表面。银粘接剂层用于粘接或焊接银覆层与负极引脚。正极引脚和负极引脚是外界电压输入到内核的桥梁，一般为镍铁合金材质。正极引脚与阳极引出钽丝焊接在一起；负极引脚小面积粘接或焊接于内核表面上，且位置必须保证能使引脚与内核的接合缝通过外壳上的梯形凹槽裸露出来，如图1所示。

3 作用原理

3.1 发火原理

五氧化二钽层（Ta2O5）的晶化方向使其具有半导体特性，在给核心施加较低正向电压时，其两侧的阳极（Ta）与阴极（MnO2）不导通，只存在微小的漏电流，电荷在两极上聚集，整体呈现电容性。然而五氧化二钽层在生成过程中由于受杂质和晶化方向的影响，不会生成得很均匀，某些部位覆层会比较薄，或有尖锐棱角，又或是存在杂质、裂隙。这些部位对电场的承受能力较其它部分弱，是氧化层的薄弱处。当施加的正向电压继续增加并超过一定阀值时，五氧化二钽层的薄弱处由于无法承受增加的场强，继而发生击穿，漏电流增大，击穿处温度升高。当温度超过380℃，击穿处紧邻的二氧化锰会受热分解，生成三氧化二锰（Mn2O3）和氧气（O2）。

若此时施加的电压消失，或电流大小受到一定的限制，那么击穿处的升温就会受限，不会对结构产生物理破坏。同时由于生成的三氧化二锰电阻率很大，相当于对击穿处进行了绝缘补强修复，使得漏电流快速降低直至消失，击穿处实现自愈[2]，如图4所示。

图4 钽核心自愈机理示意图Fig.4 Self healing principle of the tantalum core

若对施加的电压电流不加限制，任由击穿处温度继续升高，就会发生闪火击穿效应[3]。当温度超过480℃时，五氧化二钽就会由于高温作用从不定形态转化为导电晶态，使击穿电流进一步增大，加剧升温扩散。周围的二氧化锰层结构被迅速分解，自愈的速度已无法跟上破坏的速度。随后五氧化二钽层在高温下发生物理破坏出现裂隙，由阴极（MnO2）分解产生的无法外散的高浓度氧气（O2）通过裂隙与阳极（Ta）相接触，在高温下发生化合反应并剧烈燃烧，释放大量热量，温度可达1 000℃以上。这样的高温将引发周围结构的连锁反应，燃烧会迅速扩散整个内核，直至阳极燃烧殆尽。钽核心的多孔结构包含有大量空穴，其中的气体在剧烈燃烧产生的高温下急速膨胀形成高压。受到半封闭外壳的束缚，高温高压气体会裹挟着部分崩落的高温熔融状态钽颗粒物从未封闭的开口处喷出数个厘米距离，可有效点燃作用范围内的雷管起爆药。

3.2 射流控制

钽核心燃烧后生成的五氧化二钽互相粘连，具有相当结构强度，它使得燃烧后的钽核心仍可保持着原有的多孔结构，不会轻易塌缩碎裂。在外壳的束缚下，高压气体很难粉碎钽核心，它只能使一小部分钽烧结块熔化崩落为碎屑，参与形成射流。如果碎屑崩落处于与外壳开口位置不重合或偏差过大，碎屑喷出受到阻挡，就会严重影响射流的形成，极易导致雷管发火失败。故必须对碎屑崩落点的位置进行严格控制。

由钽核心的发火原理可知，钽核心的燃烧是由一点而起，再向外扩散。起燃点处的钽最先开始燃烧熔化，这时相较于周围还没有起燃的结构，它的结构强度是最弱的，压力将会向这个部位聚集，使起燃点处的钽烧结块发生粉碎崩落。所以起燃点与碎屑崩落点具有很稳定的位置一致性。

起燃点发生的位置并非是随机，它与阴阳两极间的分布阻抗有着密切关系。某位置分布阻抗越小，发生击穿时通过的电流就越大，就越有可能成为起燃点。钽核心阴极材料二氧化锰的电导率远小于阳极材料的钽金属，故决定两极分布阻抗的主要因素为阴极材料二氧化锰。在击穿电流流经的所有通路中，经由负极引脚与钽核心贴合面附近的二氧化锰覆层通路是阻抗最小的，若此处被击穿，必然会成为起燃点。然而击穿点的位置实际上具有相当的随机性，不一定会先发生在此处。若击穿点先发生在另一位置，由于击穿电流流过的二氧化锰通路较长，阻抗较大，就会触发自愈效应，而非起燃。随后在一连串各种位置的击穿、自愈后，击穿点会不断向负极引脚与钽核心贴合面附近聚集，最终在此处引发起燃。由此可见，负极引脚与钽核心贴合面附近是起燃点、碎屑崩落点的可靠发生位置。将这一区域如图1中所示的方式通过外壳缺口暴露于外，将可以有效确保熔融碎屑射流的形成。同时在确保合适通路阻抗的前提下，适度缩小负极引脚与钽核心贴合面积（如图2所示），可以进一步强化这一效果。射流形成示意图如图5所示。

图5 射流形成示意图Fig.5 Formation of the jet

4 试验情况

钽核心发火装置在开放空间的发火瞬间如图6所示。在初步10 000次雷管外开放空间实验中，发火装置的可靠发火率为99.90％，释放的射流可以碳化并击穿前方放置的双层A4打印纸。将发火装置搭配专用的数码电子雷管电路，封入常规雷管壳内，组成了实装的数码电子雷管，如图7所示。

图6 装置发火效果Fig.6 Fire of the ignition device

以20发雷管为1组，延时5s进行起爆试验，10 000发雷管起爆成功率为98.70％，排除电路故障、缺陷因素，发火装置的发火成功率为99.75％。

由以上试验结果，可以初步验证钽核心发火装置已经具备相当的实用性。但发火装置样品均为手工制作，大部分工艺标准无法满足，距离99.96％可靠性的行业目标还有距离，相信日后在采用标准工艺加工后，发火装置的可靠性还有很大提升空间。

图7 数码电子雷管Fig.7 The digital electronic detonator

5 有益特性

5.1 抗高温误燃

钽金属化学性质稳定，钽烧结块在空气中不会被明火点燃，在高温、高浓度氧气中才会发生燃烧。若用一般明火对裸露的钽核心进行外部灼烧，由于升温的方向是由外而内，所以二氧化锰覆层的分解也是由外而内，生成的氧气会迅速散失。同时受到致密五氧化二钽层的保护，阳极钽暴露于氧气中的时间被大为延后。当阳极钽与氧气接触时，氧气的浓度已经不足以支撑其燃烧，只能将其表面氧化，不会有引燃效果。钽核心外部包裹的合成树脂外壳具有很强的隔温阻燃作用，可以进一步增强发火装置的抗高温误燃能力。

5.2 抗电脉冲干扰误燃

发火装置静态时呈电容性，还拥有自愈效应，可有效抵抗一般的电传导、电磁辐射、人体静电产生的干扰电脉冲，不易发生误燃。当给发火装置施加负向电压时，由于在此状态下五氧化二钽层和二氧化锰覆层电导率不佳，会呈现出几十至几百欧姆的电阻，极大限制了漏电流的大小，这使得发火装置负向钝感性远高于正向，更不易发生误燃。

5.3 环境适应性强

发火装置整体为固态结构，有很高的物理强度，可以有效抵御各种震动、碰撞。得益于钽核心各层结构材质的高热稳定性，发火装置可长时间稳定工作于-45～170℃的环境下。

5.4 储存、运输、装配安全方便

发火装置不含敏感火工品药剂，可以如同一般电子元器件一样进行储存、运输、电路板焊接装配，无需专门的防爆措施。

5.5 发火能量输出大

发火装置喷射的高温熔融射流温度高，持续时间较长，引燃性强。

6 结语

钽核心发火装置设计经过初步实验，已经取得了良好的效果，实现了由小型电容提供15～30V电脉冲下的可靠发火。相信在进一步完善生产工艺、提高性能后，钽核心发火装置将可以成为雷管电发火装置中的一股新兴力量。

[1]廉军.片式钽电容的结构及制造工艺[J].电子工业专用设备，2000,29(3):60-63.

[2]潘齐凤.片式钽电容器浪涌电流失效研究[D].成都:电子科技大学,2012.

[3]J. D. Prymak and M. Prevallet. Scintillation testing of solid electrolytic capacitors [C].Proceedings of the 26th Symposium for Passive Components, CARTS′06, Orlando, FL, USA: Electronic Components Industry Association, 2006.

[4]刘家欣,肖大雏,王宾如.片状钽电容器失效分析[J].电子元件与材料,2004,23(3):3-6.

A Ignition Device of Digital Electronic Detonator Based on Tantalum Core

HE Sheng
(Guilin University of Electronic Technology, Guilin，541000)

According to the application environment of digital electronic detonator, a kind of electronic ignition device design without sensitive charge was proposed. The device contains a core which is sintered by tantalum metal particles and has a multilayer structure. The core can be ignited under a impulse of certain voltage, and then the jets with high temperature and pressure produced by combustion of the core would initiate the detonator. This ignition device has high security and high output energy, and is particularly suitable for the application of digital electronic detonator.

Digital electronic detonator；Ignition device；Tantalum core；Impulsing energy

TJ450.3

A

1003-1480（2016）06-0005-04

2016-10-09

何圣（1982 -），男，工程师，主要从事电子电路设计工作。