汽车安全气囊用电点火药电感度研究❋

程秀莲 许赵伟②

①沈阳理工大学装备工程学院(辽宁沈阳，110159)

②陕西庆华汽车安全系统有限公司(陕西西安，710025)

引言

汽车安全气囊是一种被动安全装置[1]。汽车发生碰撞时，气囊瞬间充满，形成巨大的向上冲击力，在司乘人员和车体之间形成保护层，达到保护司乘人员的目的[2]。交通事故频发，安全气囊已成为汽车标准配件之一。但在实际交通事故中，常常会出现安全气囊无法打开或者低速碰撞时打开的情况，给司乘人员带来严重伤亡和巨大损失[3]。汽车低速碰撞时，国外安全气囊起爆率约5%，国内的超过30%，与国际水平差距较大[4]。

气体发生器是安全气囊的核心部件之一，电点火管[5]是其首发元件，要求电点火管作用迅速、安全可靠。电点火管的性能由电点火药和桥丝性能决定；因此，研究汽车安全气囊用电点火药的电感度具有重要意义。

黑火药[3]、硼-硝酸钾[2，6]、镁-过氧化钡[6]和5-氨基四唑体系的点火药[2]等都可以作为电点火管的电点火药，但都存在着各自的优点和缺点。

苦味酸钾(KP)的热分解温度为332.5℃[7]，热安定性好，机械感度低，不易吸湿，容易干燥，与桥丝的相容性好，长期储存不会对桥丝造成腐蚀[8]，被广泛用于引火药剂中[9-12]。高氯酸钾(KClO4)的热分解温度为610.0℃[8]，稳定性高，不易引起爆炸，微溶于水，不易吸湿[13]，是点火药中常用的氧化剂[14]。

以KP与KClO4为主要成分的电点火药，有望成为性能优异的汽车安全气囊用电点火药。KP和KClO4共沉淀物的成功制备[15]，提高了KP和KClO4混合的均匀程度，保证了电点火药质量的一致性，并简化了制备工艺。KP和KClO4共沉淀电点火药具有安全、污染较小、机械感度低等特点[16]。

研究了以KP-KClO4共沉淀物为主体，用于汽车安全气囊中的电点火药配方，制备出了安全性和可靠性高的电点火管。

1 实验部分

1.1 主要仪器与药品

安全气囊点爆实验系统，HUDE型，上海威测环保科技有限公司。

KP-KClO4共沉淀物，陕西庆华汽车安全系统有限公司化工分厂。

1.2 电点火药的制备

将KP-KClO4共沉淀物和适量添加剂混匀，再加入一定量的黏合剂混匀，造粒，干燥，过筛。

1.3 电点火管的制备

1)调节实验室温度为16～22℃，湿度≥60%。

2)先将90 mg药缓慢倒入管壳中，压药，再将45 mg药缓慢倒入管壳中。

3)把电阻为1.86～2.12Ω的桥丝电极塞放入管壳中，压合。

4)将电极塞与管壳进行焊接。

5)用注塑机注塑成型，即为电点火管。

6)检测，绝缘电阻不小于100 MΩ为合格。

1.4 电点火药的发火原理

电点火药的活化能、频率因子、反应热、密度、比热容、导热系数、桥丝的电阻、电流等因素都影响电点火药的发火过程。宏观上，其原理为利用电流通过桥丝时放出的热量加热装在其中的电点火药[17]，当温度达到发火温度时，电点火药被点燃。忽略向环境散热和桥丝自身升温消耗的热量，有

式中:I为电流，A；R为桥丝电阻，Ω；t为通电时间，s；c为电点火药比热容，J/(g·℃)；m为电点火药质量，g；T为电点火药发火温度，K；T0为电点火药初始温度，K。

通常对I、t、R和m都有一定的要求，T0为环境温度，不可调整。可以设计的只有c和T两个参数。

宏观上，表示安全性的0.01%发火电流I0.01%和表示可靠性的99.99%发火电流I99.99%都主要决定于式(1)中T的高低，二者影响因素相同。用户期待I0.01%尽量大些，降低意外发火的概率；同时期待I99.99%尽量小些，提高发火可靠性。通过筛选电点火药的组分，调整各组分间的配比，可获得发火温度适中的电点火药。

微观上，电点火药发火遵循热点发火机理，某些点首先达到发火温度或热分解温度，发生放热反应，迅速加热周围药剂使电点火药发火。提高电点火管中电点火药化学组分和密度的均一性，提高桥丝电阻的均一性，可使热点在更大的电流或更长的通电时间下才产生，可提高I0.01%；提高电点火药和桥丝电阻质量的均一性，可同时产生更多热点，从而降低I99.99%。

1.5 电点火管电感度的测定

美国汽车行业USCAR—28标准规定:电点火管的安全电流大于0.4 A(持续时间10 s)；全发火电流小于1.2 A(持续时间2 ms)，均采用勃罗西登法测定[18]。

1.5.1 测定单个电点火管的电感度

将电点火管装配在10 cm3密闭爆发器中，用HUDE型安全气囊点爆实验系统，测定电点火管的发火性能。

1.5.1.1 1.2 A、2 ms电点火管发火性能的测定

对电点火管通以1.2 A的电流，持续时间为2 ms，读取并记录点火时间TT、上升时间Tr、峰值压力pm等数据。

1.5.1.2 0.4 A、10 s电点火管发火性能的测定

对电点火管通以0.4 A的电流，持续时间为10 s，观察电点火管的发火状态。若电点火管在10 s内发火，则电点火管的安全电流不满足指标要求；若电点火管未发火，则HUDE型测试系统会自动持续增加电流，直到电点火管发火为止。

1.5.2 升降法测定电点火管的电感度

在电流大于0.4 A、通电持续1 s条件下实验，并计算置信水平为0.95时电点火管50.00%和0.01%的发火电流。

在电流小于1.2 A、通电持续2 ms条件下实验，并计算置信水平为0.95时电点火管50.00%和99.99%的发火电流。

2 结果与讨论

2.1 KP与KClO4质量比的选择

KP与KClO4的热分解温度相差270℃以上；且KP-KClO4共沉淀物的热分解峰比KP的热分解峰滞后了6℃，比KClO4的热分解峰提前了241℃[15]。说明共沉淀物中，KP与KClO4两者的热分解会相互作用，对KClO4有显著的促进作用。因此，调整共沉淀物中KP与KClO4的质量比，可以调整电点火药的发火温度，改变电点火管的电感度。

2.1.1 1.2 A、2 ms条件下共沉淀物中KP与KClO4质量比对电点火管全发火性能的影响

用不同组分质量比的KP-KClO4共沉淀物各制备10个电点火管，测定1.2 A、2 ms时的全发火性能，见表1。

点火时间TT为从通电时刻起到发火点时刻的时间。上升时间Tr为从通电时刻起到出现闪光时刻或压力开始增加时刻的时间。TT和Tr决定电点火管作用速度，峰值压力pm决定电点火管的点火能力，决定汽车安全气囊的可靠性。

由表1中实验数据可见，当KP与KClO4质量比≥3.0∶7.0时，1.2 A、2 ms条件下电点火管全发火性能同时满足TT＜2 ms、Tr＜2ms、4.0 MPa＜pm＜6.5 MPa的功能指标要求。

TT和Tr都随着KP-KClO4共沉淀物中KP含量的减小而增大，TT所受影响更大。是由于KP比KClO4的热分解温度低277.5℃；且KP与KClO4共沉淀后，KP的热分解峰值温度升高。Tr实质上为从通电到有气体产生的时间，即达到KP的起始热分解温度的时间。KP起始热分解温度为303.0℃，KP与KClO4共沉淀起始热分解温度为304.7℃[15]。共沉淀物中，KP的起始分解温度受KClO4影响极小，因此，Tr基本不变。

pm随着KP含量的减小而减小，这是由于pm大小由温度和气体总物质的量决定。随着KP含量的减小，KP与KClO4反应热随之减小，温度随之降低。每克KP分解产生0.024 mol气体，每克KClO4分解产生0.014 mol气体；且KClO4分解产生的部分O2与KP分解产生的CO和N2反应后，体系气体总物质的量减小；因此，随着KP含量的减小，KP与KClO4体系生成气体物质的量随之减小。综合温度和气体物质的量两种因素，pm随着KP含量的减小而减小。

2.1.2 0.4 A、10 s条件下共沉淀物中KP与KClO4质量比对电点火管发火率的影响

用不同组分质量比的KP-KClO4共沉淀物各制备10个电点火管，测定0.4 A、10 s条件下的发火率，见表2。由表2中实验数据可见，当共沉淀物中m(KP)∶m(KClO4)≤4.0∶6.0时，满足电流为0.4 A、通电时间为10 s、发火率为0的要求。与表1中TT随着KP含量的减小而增大的原因相同。

综合表1和表2结论，共沉淀物中，KP与KClO4质量比为3.0∶7.0～4.0∶6.0时，可同时满足1.2 A、2 ms和0.4 A、10 s条件下对电点火管的性能要求。由表1可见:m(KP)∶m(KClO4)=4.0∶6.0时性能指标优于m(KP)∶m(KClO4)=3.0∶7.0的情况；因此，共沉淀物中KP与KClO4的较佳质量比定为4.0∶6.0，其氧差为12.09 g，添加适量的黏合剂等可燃剂可使氧差趋于0。

表1 1.2 A、2 ms条件下，共沉淀物中KP与KClO4质量比对电点火管全发火性能的影响Tab.1 Effect of mass ratio of potassium picrate to potassium perchlorate in coprecipitation on full ignition performance of electric ignition tube under the conditions of 1.2 A and 2 ms

表2 0.4 A、10 s条件下，共沉淀物中KP与KClO4质量比对电点火管发火率的影响Tab.2 Effect of mass ratio of potassium picrate to potassium perchlorate in coprecipitation on ignition rate of electric ignition tube under the conditions of 0.4 A and 10 s

2.2 黏合剂的选择

气体发生器用点火药储存期为10～15 a[19]。因此，要求黏合剂具有良好的储存稳定性。用于汽车安全气囊中的电点火管要求通0.4 A的电流、持续10 s不发火，以保证汽车安全气囊在低速碰撞时不打开。因此，要求黏合剂与KP-KClO4共沉淀物的热分解温度相近。若黏合剂热分解温度偏低，则可降低电点火药的发火电流，严重时导致电点火管安全性不合格。

常用的点火药黏合剂有氟橡胶、酚醛树脂、虫胶、硝化棉等[20]。由于每个虫胶分子中含有1个自由的羧基、3个酯键、5个羟基以及1个醛基，会使虫胶发生自发的老化或聚合[21]，储存稳定性较差。硝化棉热分解的起始温度为454 K(约181℃)，远低于KP-KClO4共沉淀物的热分解温度；且硝化棉中的热敏感性基团容易引发自催化分解反应，给含有硝化棉的含能材料的运输和储存带来了很大的挑战[22]。酚醛树脂起始分解温度135℃[23]，远低于KP-KClO4共沉淀物的热分解温度。因此，上述3种常用点火药黏合剂不适合作为汽车安全气囊中电点火管用电点火药的黏合剂。聚偏氟乙烯中C—F键能大，热分解温度高达316℃[24]，与KP-KClO4共沉淀物的热分解温度相近。聚偏氟乙烯分子无反应活性高的官能团，具有优异的储存稳定性。以聚偏氟乙烯为主成分的氟橡胶，可溶于低分子量的酮类、酯类等溶剂[6]；因此，选用此类氟橡胶溶液做为汽车安全气囊中电点火管用电点火药的黏合剂。

当外加质量分数6%的氟橡胶黏合剂时，药剂烘干后，颗粒间有细小絮状丝；当外加质量分数2%～4%的氟橡胶黏合剂时，比较容易造粒，颗粒的均匀性、流散性较好。因此，外加黏合剂质量分数范围为2%～4%。

共沉淀物中，KP与KClO4的质量比为4.0∶6.0，分别外加氟橡胶黏合剂质量分数为2%、3%、4%，制备电点火药；并装配电点火管各10发，测定其性能，都能满足汽车安全气囊对电点火管的发火性能要求。

2.3 惰性添加剂的选择

添加惰性物质可提高电点火管0.01%发火电流，增强电点火管的安全性。电点火药常用的惰性添加物质主要有石墨、钨粉、硅藻土、铝粉。向KP与KClO4质量比为4.0∶6.0的共沉淀物中外加质量分数3%的氟橡胶黏合剂为基础配方，其氧差为9.84 g。在基础配方中分别加入适量不同种类的惰性添加剂，每种添加剂各制备10个样品，测定0.4 A、10 s条件下电点火管的发火电流，见表3。由表3中可见，0.4 A、10 s条件下，硅藻土使发火电流分布范围的上、下限都有所降低。这是由于硅藻土中除含SiO2外，还含有Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等；铁氧化物对KP的热分解反应有催化作用[25]。而MgO的存在使KClO4分解反应加速。石墨和铝粉使发火电流分布范围的上、下限上升较大；这是由于石墨和铝粉的比热容和导热系数都较大，不利于热点的形成。在含铝药剂中，铝粉会提高药剂机械感度，使药剂制造过程中风险系数增加。因此，初步选定石墨为较佳的惰性添加剂。石墨还具有良好的导电性能，可防止因静电导致的意外发火。

表3 0.4 A、10 s条件下惰性添加剂及其对电点火管发火电流的影响Tab.3 Effect of additives on ignition current of electric ignition tube the conditions of 0.4A and10s

制作10个石墨为惰性添加剂的样品，测定1.2 A、2 ms条件下电点火管的性能。实验结果表明，能满足安全气囊对电点火管性能的要求。因此，用升降法进一步准确测定以石墨为惰性添加剂制备的电点火管的0.01%和99.99%发火电流。

2.4 升降法测定电点火管发火性能

升降(UD)法实验的两个必备条件为实验条件可以等步长和实验结果呈正态分布[19]。具体步长、实验起始水平及分别在电流大于0.4 A、通电1 s和电流小于1.2 A、通电2 ms条件下电点火管是否发火等数据见表4、表5。表4～表5中:0表示未发火；1表示发火。

经检验，实验结果符合正态分布，为有效实验。按文献[19]和文献[26]分别对表4和表5进行实验数据处理，结果见表6。

表4 在电流大于0.4 A、通电1 s条件下电点火管的发火情况Tab.4 Ignition of electric ignition tube when the current is greater than 0.4 A and it is energized for 1 s

表5 在电流小于1.2 A、通电2 ms条件下电点火管的发火情况Tab.5 Ignition of electric ignition tube when the current is smaller than 1.2 A and it is energized for 2 ms

由表6可知，所制备的电点火管I0.01%=0.458 A，比安全电流0.4 A高14%，安全性高；I99.99%=0.891 A，比全发火电流1.2 A低25%，可靠性高。

表6 不同条件不同发火率下电点火管的发火电流Tab.6 Ignition current of electric ignition tube under different conditions and different ignition probabilities A

3 结论

1)能满足电流1.2 A、通电2 ms时电点火管的TT＜2 ms、Tr＜2 ms、4.0 MPa＜pm＜6.5 MPa，电流0.4 A、通电10 s时不发火的性能要求的汽车安全气囊用电点火药配方为KP与KClO4质量比3.0∶7.0～4.0∶6.0的共沉淀物、质量分数2%～4%的氟橡胶黏合剂、适量石墨。

2)电点火药的较佳配方为KP与KClO4质量比4.0∶6.0的共沉淀物、质量分数3%的氟橡胶黏合剂、适量石墨。用其制备的电点火药装填的电点火管，通电1 s，I0.01%=0.458 A；通电2 ms，I99.99%=0.891 A。

3)用较佳配方电点火药制备的电点火管不发火电流比标准值高14%，发火电流比标准值低25%。因此，用较佳配方电点火药制备的电点火管安全性和可靠性都较高。