鐵氧體材料在火工品電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

任煒，白穎偉，褚恩義，張周梅，李明

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710061)

0 引言

在電熱火工品全壽命周期內(nèi)，由于受周圍電磁波環(huán)境的干擾與影響，電磁波能量會(huì)以傳導(dǎo)或輻射的耦合方式作用于電熱火工品，進(jìn)而在電熱火工品上形成電磁危害。以連續(xù)電磁波環(huán)境為例，由于電熱火工品某種狀態(tài)條件下呈現(xiàn)的天線特性，使得在其腳線上產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致橋絲換能元產(chǎn)生焦耳熱積累，周圍藥劑被加熱，使火工品出現(xiàn)性能變化或發(fā)火現(xiàn)象，影響了正常使用的安全性與可靠性［1］。

針對(duì)連續(xù)電磁波環(huán)境下電熱火工品的作用機(jī)理及其適應(yīng)性設(shè)計(jì)，王可暄等采用模擬電磁波環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件，完成了典型電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下響應(yīng)規(guī)律的分析與實(shí)驗(yàn)研究，獲得了電磁波參數(shù)、火工品結(jié)構(gòu)等對(duì)電熱火工品電磁效應(yīng)的影響規(guī)律［2］;楊潔等提出了機(jī)電混合模式的電火工品電磁加固方法，采用單容性低通濾波器，通過(guò)并聯(lián)電容的方法，取得了較好的電磁防護(hù)效果［3］，但由于電容器內(nèi)儲(chǔ)能元件的緣故，導(dǎo)致其對(duì)火工品自身的安全性造成影響，限制了該方法的具體使用。

國(guó)外研究針對(duì)電爆裝置的電磁危害問(wèn)題，最早提出采用羧基鐵粉、鐵氧體等衰減材料用于電磁波危害能量的耗散或衰減。如美國(guó)匹克汀尼工廠以羧基鐵粉與環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑混合制作電極塞組件，代替了敏感酚醛電極塞組件，達(dá)到在頻率500 MHz 下衰減20 dB 的設(shè)計(jì)效果［4］。但關(guān)于鐵氧體材料在電爆裝置電磁環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面未見報(bào)道。因此，本文研究主要結(jié)合電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境響應(yīng)特性規(guī)律的分析與試驗(yàn)研究，針對(duì)連續(xù)電磁波環(huán)境對(duì)電熱火工品形成的危害及影響，探索鐵氧體材料在火工品電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提出了采用串聯(lián)鐵氧體磁珠的連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法，此外，還探索了鐵氧體磁珠在電熱火工品器件的集成設(shè)計(jì)，測(cè)試研究了鐵氧體磁珠集成設(shè)計(jì)前后對(duì)電熱火工品橋絲換能元電熱輸出性能的影響。

1 電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下的失效現(xiàn)象與響應(yīng)規(guī)律

本文首先采用安全電流為25 mA 的某敏感電熱火工品開展連續(xù)電磁波環(huán)境下的電磁危害效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用如圖1所示的火工品電磁輻射(EMR)效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，火工品試件裝配如圖2所示。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)感應(yīng)電流接近50 mA 時(shí)即出現(xiàn)試件發(fā)火情況，驗(yàn)證了電磁波環(huán)境會(huì)對(duì)電熱火工品形成危害的理論分析。針對(duì)這一問(wèn)題，為了有效積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免意外發(fā)火對(duì)響應(yīng)規(guī)律研究造成的不利影響，主要以火工品換能元為樣品，補(bǔ)充了120 ～360 MHz間7 個(gè)頻率點(diǎn)的感應(yīng)電流測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖1 電熱火工品電磁輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 EMR test system

圖2 電熱火工品試件裝配圖Fig.2 Assembly diagram of EED

表1為7 個(gè)固定頻率點(diǎn)在不同電場(chǎng)強(qiáng)度條件下(30 ～70 V/m)測(cè)試得到的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)。

表1 電熱火工品在不同頻率與不同電場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)電磁波環(huán)境下的感應(yīng)電流Tab.1 Induced currents in continuous electromagnetic environment with different frequencies and field intensities mA

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，電熱火工品的最大感應(yīng)電流約為160 mA，已超出大多數(shù)敏感電熱火工品的安全電流，可能引起火工品的意外發(fā)火，再次驗(yàn)證了電磁危害的存在，因此，必須通過(guò)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)加以解決。

2 鐵氧體磁珠在電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析與試驗(yàn)

鐵氧體材料是一類較常使用的亞鐵磁性材料，一般可用作電磁干擾濾波器件，主要利用其復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率引起的磁損耗機(jī)理，吸收電磁波干擾。根據(jù)該類材料不同頻率條件下呈現(xiàn)的不同作用機(jī)理，常被作為高頻磁介質(zhì)型吸波材料使用，具有成本低廉，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。

針對(duì)電熱火工品電磁波環(huán)境下產(chǎn)生感應(yīng)電流帶來(lái)的危害與威脅，借鑒傳統(tǒng)電子行業(yè)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文考慮利用鐵氧體材料高頻損耗大的優(yōu)點(diǎn)，將一種鐵氧體磁珠器件用于電熱火工品電磁波感應(yīng)電流的抑制與防護(hù)，試驗(yàn)采用的疊層片式鐵氧體磁珠器件如圖3所示。

圖3 鐵氧體磁珠結(jié)構(gòu)圖(上)和外形圖(下)Fig.3 Structure (upper)and appearance (lower)of ferrite bead

為了獲得鐵氧體磁珠數(shù)量對(duì)其適應(yīng)性設(shè)計(jì)效果的影響規(guī)律，鐵氧體磁珠器件裝配成如圖4所示的3 種結(jié)構(gòu)狀態(tài)。具體試驗(yàn)結(jié)果與影響分析如下。

圖4 鐵氧體磁珠防護(hù)效果研究試件裝配狀態(tài)Fig.4 Assembling of ferrite beads in adaptability design test

2.1 不同電磁波頻率對(duì)磁珠調(diào)整性能的影響

電磁波頻率點(diǎn)的選取，主要結(jié)合鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)曲線以及試件諧振頻率計(jì)算［2，8］結(jié)果，選取80 ～300 MHz 間4 個(gè)典型頻率點(diǎn)，固定電場(chǎng)強(qiáng)度100 V/m，得到的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)及串聯(lián)磁珠后感應(yīng)電流的調(diào)整百分比見表2.

表2 電場(chǎng)強(qiáng)度100 V/m 時(shí)不同頻率電磁波下的響應(yīng)結(jié)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的試驗(yàn)結(jié)果可知，串聯(lián)單個(gè)磁珠的調(diào)整效果在低頻時(shí)比較明顯，但在較高頻率時(shí)無(wú)明顯效果，而串聯(lián)兩個(gè)磁珠的試件綜合調(diào)整效果更好。

2.2 不同諧振頻率試件對(duì)磁珠調(diào)整性能的影響

試驗(yàn)選擇兩種不同諧振頻率試件進(jìn)行試驗(yàn)，其對(duì)應(yīng)諧振頻率分別為300 MHz 和400 MHz，固定電場(chǎng)強(qiáng)度70 V/m，得到的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)及串聯(lián)磁珠后感應(yīng)電流的調(diào)整百分比見表3.

表3 電場(chǎng)強(qiáng)度70 V/m 時(shí)不同諧振頻率試件的響應(yīng)結(jié)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的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著頻率的增加，不論試件種類及其對(duì)應(yīng)的諧振頻率如何，串聯(lián)單個(gè)磁珠的調(diào)整效果在較高頻率時(shí)均無(wú)明顯效果，而串聯(lián)兩個(gè)磁珠的調(diào)整效果比較明顯。因此，磁珠在電熱火工品的電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)中主要考慮采用串聯(lián)兩個(gè)磁珠的方法進(jìn)行。

2.3 不同電場(chǎng)強(qiáng)度下響應(yīng)結(jié)果的影響

為了補(bǔ)充驗(yàn)證串聯(lián)兩個(gè)磁珠的防護(hù)設(shè)計(jì)效果，固定試件，在其諧振頻率300 MHz 下，選取30 V/m、50 V/m 和70 V/m 3 種電場(chǎng)強(qiáng)度條件，得到的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)及串聯(lián)兩個(gè)磁珠后感應(yīng)電流的調(diào)整百分比見表4.

表4 300 MHz 諧振頻率下不同電場(chǎng)強(qiáng)度電磁波下的響應(yīng)結(jié)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的試驗(yàn)結(jié)果可知，固定試件條件下，串聯(lián)鐵氧體兩個(gè)磁珠對(duì)連續(xù)電磁波環(huán)境下的感應(yīng)電流有很好的衰減效果，大約可衰減30%的感應(yīng)電流，達(dá)到了一定的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)效果。

3 集成鐵氧體磁珠電熱火工品器件的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

3.1 集成鐵氧體磁珠電熱火工品器件的設(shè)計(jì)

針對(duì)鐵氧體磁珠在電熱火工品中的具體應(yīng)用實(shí)施，本文考慮將鐵氧體磁珠與電熱火工品器件進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，主要結(jié)合磁珠形狀(疊層片式和線圈式)、結(jié)構(gòu)尺寸等因素，提出了兩種鐵氧體磁珠在火工品中應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路:

1)采用疊層片式鐵氧體磁珠，將其如圖5所示集成封裝于火工品換能元件內(nèi)部，基本不改變火工品換能元件的結(jié)構(gòu)尺寸，該設(shè)計(jì)方法存在主要問(wèn)題在于受鐵氧體磁珠尺寸及加工工藝的影響，限制了其只能在較大尺寸的換能元件中實(shí)施。

2)采用線圈式鐵氧體磁珠，將其如圖6所示套裝于火工品腳線，該設(shè)計(jì)方法實(shí)施較為靈活、方便，在較小尺寸火工品中也同樣適用，但采用外接器件的方式可能影響火工品的裝配使用。上述兩種設(shè)計(jì)，具體使用時(shí)，可根據(jù)不同場(chǎng)合要求進(jìn)行選擇。

3.2 鐵氧體磁珠對(duì)電熱火工品的性能影響試驗(yàn)

圖5 疊層片式鐵氧體磁珠在電熱火工品中的應(yīng)用實(shí)施Fig.5 Multilayer ferrite chip bead used in hot-wire EED

圖6 線圈式鐵氧體磁珠在電熱火工品中的應(yīng)用實(shí)施Fig.6 RH ferrite bead used in hot-wire EED

鐵氧體磁珠對(duì)電熱火工品作用性能影響的試驗(yàn)研究，本文主要從電熱火工品的電熱換能作用機(jī)理出發(fā)，以集成鐵氧體磁珠前后的橋絲換能元為研究對(duì)象，采用紅外熱波成像測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)橋絲換能元特定激勵(lì)條件下產(chǎn)生的溫度場(chǎng)分布與變化進(jìn)行測(cè)試與表征，并以二者溫度場(chǎng)分布與變化判定鐵氧體磁珠對(duì)電熱火工品橋絲換能元電熱輸出性能的影響［9］。

試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，為了便于對(duì)比分析，兩種橋絲換能元試件同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，具體工裝如圖7所示，均采用0.5 V 的輸入電壓，根據(jù)兩種橋絲換能元電阻，分別為未加磁珠換能元1.61 Ω、集成磁珠換能元1.58 Ω，計(jì)算得出施加到電熱橋絲上的電流約為300 mA.

圖7 紅外熱波成像測(cè)試試驗(yàn)工裝Fig.7 Assemble of infrared thermal wave image test

圖8為測(cè)試得到的橋絲換能元靜態(tài)、升溫及熱散失過(guò)程溫度場(chǎng)分布的紅外熱像圖，每個(gè)圖中的右圖為集成磁珠的橋絲換能元，左圖為未集成磁珠的橋絲換能元。

圖8 橋絲換能元不同階段溫度場(chǎng)分布紅外熱像圖Fig.8 The infrared thermal images of temperature field distribution at different stages

由圖8的橋絲換能元不同階段溫度場(chǎng)分布紅外熱像圖可以看出，兩種橋絲換能元升溫過(guò)程及溫度場(chǎng)分布變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明集成鐵氧體磁珠后對(duì)橋絲換能元的電熱輸出性能基本無(wú)影響。

4 結(jié)論

本文針對(duì)連續(xù)電磁波環(huán)境對(duì)電熱火工品的危害問(wèn)題，即在一定條件下火工品會(huì)發(fā)生意外發(fā)火等現(xiàn)象，將鐵氧體磁珠引入火工品的連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，主要利用鐵氧體磁珠低頻時(shí)的電感效應(yīng)與高頻時(shí)的磁損耗效應(yīng)，較大程度地衰減了電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下的感應(yīng)電流。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用腳線串聯(lián)鐵氧體磁珠設(shè)計(jì)可使電熱火工品電磁感應(yīng)電流衰減約30%，有效提升了電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境的耐受能力。初步開展的鐵氧體磁珠對(duì)電熱火工品性能影響的試驗(yàn)表明，集成鐵氧體磁珠后電熱火工品電阻變化不大，且對(duì)其橋絲換能元的電熱輸出性能影響不大，為電熱火工品的連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了一種方法。后續(xù)還將開展鐵氧體磁珠對(duì)電熱火工品響應(yīng)時(shí)間等作用性能的影響研究。

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