一种碳膜桥的点火特性研究

万早雁，张 琳，朱顺官，易镇鑫



一种碳膜桥的点火特性研究

万早雁，张 琳，朱顺官，易镇鑫

（南京理工大学化工学院，江苏南京，210094）

以类石墨碳膜为点火材料制作了碳膜电点火桥，研究了温度对碳膜电点火桥阻值和发火性能的影响，并比较了两种常用起爆药剂的碳膜电点火桥的发火性能，同时对碳膜电点火桥进行了脚-脚间抗静电测试。结果表明：碳膜电点火桥是一类具有负温度系数、发火区间小、散步精度高、安全性高且制作简便的点火件，具有极强的应用前景。

碳膜点火桥；负温度系数；发火性能；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；二是微对流形式，如SCB。金属桥丝具有体积大、发火临界能量高、作用时间长等缺点，而半导体薄膜的换能元制作工艺复杂、成本高，特别是对药剂与SCB界面匹配性要求高[1]。目前，国内外少有文献报道工艺简单的点火桥制备研究。

碳材料具有较高的化学稳定性和较大的电阻率，以及受电压和频率的影响小等优点。早期曾将碳材料用于制造点火桥，如涂膜式雷管[2]是将石墨加聚苯乙烯的醋酸丁酯溶液粘结在电极上，固化形成半导电的薄膜，获得的石墨型碳膜电阻较高（700~14 000Ω左右），需要较大的输入电压（100~300V）才能够产生足够的热量点燃药剂，而且它的内电阻不是常数，起爆也与电流、电压有关。为了发挥碳材料的导热性和安全性方面的优势，本文采用一种新材料碳膜，其阻值为石墨型碳膜的1/1 000~1/100，以制备体积小、安全可靠且成本低廉的碳膜电点火桥[3]，并研究其性能。

1 试验部分

1.1 碳膜电点火桥结构

碳膜电点火桥的典型结构如图1所示。发火部分由陶瓷基底和碳膜之间呈“H”形的结构组成。碳膜点火桥的尺寸为240μｍ×430μm，阻值为6.2Ω。本实验中，采用蘸药的装药方式，药量约为15mg。

图1 碳膜点火桥的结构

1.2 碳膜电点火桥的温度特性

试验选取4种不同阻值的的碳膜点火桥，对每种阻值的点火桥进行3组平行试验，分别测量从室温（20℃）到200℃温度下的阻值变化。获取电阻值数据后，进行数据分析以及曲线拟合。

1.3 碳膜结构表征

拉曼光谱是碳材料结构表征常用的一种非破坏性方法。一般而言，非晶碳膜的Raman谱图由位于1 350cm-1的D峰和1 560cm-1处的G峰构成，它们通常被认为是非晶碳膜的特征峰[4]。D峰与G峰的强度比I/I与薄膜中sp2和sp3键合碳相对含量相关，I/I值越大，薄膜中sp2键合碳含量就越高。采用Renishaw (in Via)激光共焦显微拉曼光谱仪对碳膜进行结构分析，激光波长为785nm（近红外激光器），光谱测量范围在100~4 000cm-1，最小步长为0.1μm，激发功率(100%)为23mJ。

1.4 碳膜电点火桥发火特性

试验选取阻值为3.0Ω、6.2Ω、9.0Ω、20.0Ω的碳膜换能元，起爆药为斯蒂芬酸铅和叠氮肼镍，采用蘸药的方式，药量约15mg，形成试验样品。试验方法采用的是Neyer’s D-最优化法，试验样本量为15。

1.5 低温发火试验

采用GJB 150.4A-2009，试验选取30发6.2Ω蘸有斯蒂芬酸铅的样品，分为2组进行平行试验，放入已恒温在﹣(40±2)℃的低温箱中保持4h之后，取出样品，在5min中内按规定对其进行低温性能试验。利用D-最优法计算得到发火电压，并与室温下的发火电压进行对比，分析低温环境对点火桥的可靠性[5]造成的影响。

1.6 碳膜电点火桥脚-脚抗静电性能

静电测试装置主要由静电火花感度测试仪（JGY- 50III）组成，储能电容为500pF，电阻为5 000Ω，试验采用GJB 5309.14-2004(K)方法进行。

2 结果与讨论

2.1 电点火桥的温度特性

选取5.60Ω、8.89Ω、19.56Ω和38.06Ω阻值的碳膜点火桥，经大量统计其误差均小于±5%。每种阻值的样品进行3组平行试验，每组典型样品的温度特性试验的数据处理结果见表1。

表1 碳膜电点火桥温度系数

Tab.1 CFB temperature coefficient

表1中2为相关系数，其平均值为0.95，说明温度与点火桥阻值呈高度的线性相关关系。从表1中可以看出，碳膜电点火桥为负温度系数，温度的变化对点火桥的阻值大小影响较小，但这种特性恰恰有利于低温下的发火，即低温状态时，药剂的可点燃性会有所下降，而桥膜的阻值变大，能够提高发火感度，从而保持低温下的良好发火感度，相关实验证实了此推论。

2.2 碳膜电点火桥的结构表征

利用Gaussian函数对碳膜的Raman光谱（图2所示）进行拟合，确定每个分峰的位置和I/I信息。

图2 碳膜的Raman谱图

由图2可见，波数在1 594cm-1有G峰特征峰，1 360 cm-1处有D峰特征峰，ID/IG=1.053，sp2杂化键含量高于sp3杂化键，因而导电性能良好，可初步判定该碳膜为类石墨型碳膜。且由于sp2杂化键形成π键和其反键态，带隙为0.25~2.00eV，使得非晶碳膜具有一定的半导体特性。验证了碳膜电点火桥为负温度系数的结论。

2.3 不同条件下碳膜电点火桥的发火特性对比

采用Neyer’s D-最优化法，在蘸有斯蒂芬酸铅、叠氮肼镍两种药剂的条件下，对不同阻值的碳膜电点火桥进行50%发火电流和发火电压的试验。试验结果如图3~4所示。

图3 两种药剂的电点火桥恒流发火试验

图4 两种药剂的点火桥电容发火试验

由图3可以看出，对于同一阻值的桥膜，蘸有叠氮肼镍的发火电流均比斯蒂芬酸铅的低。表明碳膜电点火桥对叠氮肼镍的恒流发火感度较好，两种药剂的电点火桥在恒流源下的发火性能都很稳定。随着碳膜电点火桥电阻的增大，全发火电流和不发火电流都呈逐渐减小的趋势，而且全发火电流和不发火电流的区间很小，比桥丝式火工品的散布精度高。由图4可以看出随着电阻的增大，发火电压先下降后上升。蘸有叠氮肼镍的6.2Ω的点火桥感度较高，而蘸有斯蒂芬酸铅的9.0Ω的点火桥感度高，这与桥区本身的尺寸有关系。

2.4 碳膜电点火桥在低温下的发火性能

将蘸有斯蒂芬酸铅的6.2Ω碳膜电点火桥在-40℃存放4h后，即刻进行脉冲放电发火性能测试，在放电电容47μF下得到试验数据，如表2所示。

表2 6.2Ω碳膜电点火桥-LTNR低温发火试验结果

Tab.2 Low temperature ignition test of CFB-LTNR with 6.2Ω

由表2可见，相对于常温条件，低温环境(-40℃)中的碳膜电点火桥的发火电压略有降低，降低幅度约2.9%~6.5%，即低温条件下碳膜电点火桥的感度有微小的提高。原因在于碳材料具有负温度系数，当温度降低后，碳膜的电阻略有升高，因此感度有所上升，说明碳膜电点火桥有望应用于低温环境中。

2.5 碳膜电点火桥脚-脚间抗静电测试

用GJB 5309.14-2004(K)方法对碳膜电点火桥在斯蒂芬酸铅装药条件下进行脚-脚间抗静电试验，结果20发样品均没有发火，说明碳膜电点火桥可以耐受30kV、串联5 000Ω、500pF的静电放电，抗静电能力良好。

3 结论

本文研究了基于一种新型碳材料的的碳膜电点火桥的性能，结果表明：（1）碳膜的电阻随温度降低而增大，具有较小的负温度系数。（2）对于6.2Ω蘸有斯蒂芬酸铅的碳膜电点火桥，在47μF电容放电条件下，99.9%发火电压为21.68V，0.1%发火电压为20.56V；恒流发火条件下，99.9%发火电流为398mA，0.1%发火电流为380mA。可以看出碳膜电点火桥的不发火区间与全发火区间小，比桥丝式火工品的散布精度高。（3）6.2Ω蘸有斯蒂芬酸铅的碳膜电点火桥在-40°C放置4h后，感度略有提高（2.9%~6.5%），说明碳膜电点火桥有望应用于低温环境；（4）碳膜电点火桥可以耐受30kV、串联5 000Ω、500pF的静电放电，抗静电能力良好。

[1] 周蓉,岳素格,等.半导体桥SCB的研究[J].半导体学报,1998, 19(11):857-860.

[2] 叶迎华.火工品技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.

[3] Philip N.Martin.US. R. Electric actuated explosion detonator: US,6497180B1[P]. 2002-12-24.

[4] Ferrari, A .C,Robertson, J. Raman Spectroscopy in Carbons: from Nanotubes to Diamond[M]. Chemical Industry Press. 2007.

[5] 朱顺官,张琳,李燕,等.碳晶膜电点火桥特性研究[J].火工品,2015(3):1-4.

Study on the Performance of Carbon Film Ignition Bridge

WAN Zao-yan，ZHANG Lin，ZHU Shun-guan，YI Zhen-xin

（School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094）

Carbon film ignition bridge (CFB) has been prepared by using carbon film as ignition materials, the impact of the temperature on the CFB’s ignition performance and resistance was studied, and the ignition sensitivity of two kinds of explosives frequently used was compared, at the same time, the electrostatic discharge test was carried out. The results show that CFB is one kind of easy-making ignition component, which also has negative temperature coefficient, narrow ignition range and high security, and possesses expansive application prospect.

Carbon film ignition bridge；Negative temperature coefficient；Ignition performance；Antistatic

1003-1480（2017）02-0006-03

TJ450.3

A

2017-02-01

万早雁（1992-），女，在读硕士研究生，主要从事新型火工品换能元研究。