添加四氧化三鉛且鋯粉過量的快燃速引燃條

閆　雷，王勝華，劉　亮，李　陽

(1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安　710065；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安　710065；3.中國兵器工業試驗測試研究院，陜西 西安　714200)

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添加四氧化三鉛且鋯粉過量的快燃速引燃條

閆雷1,2，王勝華2，劉亮3，李陽2

(1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安710065；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安710065；3.中國兵器工業試驗測試研究院，陜西 西安714200)

針對現有熱電池激活時間較長的問題，提出了添加四氧化三鉛且鋯粉過量的方法制備快燃速引燃條。在熱電池現有鋯-鉻酸鋇引燃條中加入四氧化三鉛且使鋯粉過量，形成鋯-鉻酸鋇-四氧化三鉛引燃條，以縮短電池激活時間。試驗表明：在高低溫環境下，裝有快燃速引燃條的熱電池比現有熱電池的激活時間減小了約50%。

熱電池；激活時間；引燃條；四氧化三鉛；鋯粉

0　引言

熱電池因其具有高比能量、高比功率、環境適應能力強、便于長期儲存等特點，在軍用電源中占有十分重要的地位。其工作原理為：外部信號引爆電點火頭，電點火頭發火點燃引燃條，引燃條向下燃燒，逐層點燃各加熱片，加熱片燃燒使得單體電池中電解質熔融成離子導體，陽極和陰極通過融熔鹽發生氧化還原反應產生電能，電流通過引流條輸送到蓋體上的導流柱，熱電池開始輸出電流。熱電池的激活時間是指從輸入激活信號開始到電池的工作電壓達到規定下限值所需要的時間。現在熱電池的激活時間一般為0.5～2 s[1]。但隨著武器系統的發展，特別是智能彈藥的研制，其對熱電池提出更快的激活時間，現在的技術無法滿足要求。激活時間是引燃條燃燒時間、加熱片燃燒時間和熱量傳遞到電解質并使其熔化的三者之和[2]。采用燃速較快的引燃條，在電極或電解質中加入適當的添加劑可減小電池的激活時間，采用煙火藥加熱劑的引燃條燃速遠大于目前通用的鋯加熱劑、鐵加熱劑引燃條[3]。有文獻列舉了幾種快燃速燃燒藥劑的最大燃速[4]，但無具體配方。在熱電池鋯-鉻酸鋇加熱材料中引入四氧化三鉛，可調節加熱材料的線燃速[5]。因此針對現有熱電池激活時間較慢的問題，本文提出在熱電池中裝配一種添加四氧化三鉛且鋯粉過量的快燃速引燃條以提高電池激活時間。

1　現有熱電池引燃條

現有的引燃條是由鋯粉、鉻酸鋇、石棉纖維等組成，線燃速一般在10 cm/s[1]。其中鋯粉為還原劑，鉻酸鋇為氧化劑，石棉纖維起吸附作用。相關單位研究了鋯-鉻酸鋇加熱紙的表征方法[6]及燃燒機理[7]，提出其反應方程為：

Zr+BaCrO4=BaO+CrO+ZrO2+Q

(1)

鋯粉與鉻酸鋇的摩爾比例為1∶1。當引燃條被點燃即發生連續的固-固態氧化還原反應，形成燃燒至反應結束，石棉纖維不參與反應。其燃速與氧化還原反應的反應速率成正比。將固態反應物氧化劑與還原劑按一定比例混合后，在相互接觸的顆粒界面上，發生氧化還原反應，生成物會把初始的反應物隔開。氧化劑分解出的氧必須通過氧化膜擴散到還原劑表面，燃燒反應才能進行下去。氧化劑的分解速率越快則整個反應速率越快。其速率常數的表達式為：

k=A·exp(-Ea/Rτ)

(2)

式(2)中，k為速率常數，A為指數前因子，Ea為活化能。

同時總反應速率的計算式為：

v=k[B]n

(3)

式(3)中，v為反應速率，k為速率常數，[B]為還原劑含量，n為反應級數。

2　添加四氧化三鉛且鋯粉過量的快燃速引燃條

探討通過在引燃條中加入四氧化三鉛形成鋯-鉻酸鋇-四氧化三鉛引燃條，并使其中鋯粉含量過量，從而提高其線燃速，以減小電池的激活時間。

2.1原理

在現有的鋯-鉻酸鋇引燃條中加入四氧化三鉛形成鋯-鉻酸鋇-四氧化三鉛引燃條，其燃燒時的化學反應方程式為式(1)與式(4)同時進行。

Zr+2Pb3O4=ZrO2+6PbO+Q

(4)

兩個反應均為氧化還原反應，其中鋯為還原劑，鉻酸鋇、四氧化三鉛為氧化劑。從式(2)可以看出氧化劑的反應難易程度與它的活化能有關，同時分解溫度與活化能成正相關。所以通常知道其分解溫度的高低，即可判定該藥劑點燃的難易程度及燃燒反應速度的快慢。分解溫度低則反應活化能低，速率常數大，反應速度快。鉻酸鋇、四氧化三鉛的分解溫度分別為1 400℃及500℃。加入四氧化三鉛降低了反應活化能，增大了速率常數，加快了反應速率，從而增加燃速。

增加還原劑鋯粉含量使其過量，可使氧更易與其接觸并反應,結合式(3)可以看出反應速率與鋯粉含量成冪函數關系。同時加大鋯粉組分，雖有可能引起偏離化學計量平衡，但可使引燃紙的導熱性提高，有利于藥劑的燃燒反應和加快熱量傳播，從而引起燃速的增加。

2.2快燃速引燃條配方優化

根據燃速設計配比，計算出鋯粉、鉻酸鋇、四氧化三鉛和無機纖維的質量，將無機纖維在水中分散成漿狀，制成鋯粉-鉻酸鋇-四氧化三鉛混合的懸濁液，倒入紙漿中，在專用造紙機上制成引燃紙并烘干備用[5]。

加熱材料線的線燃速通過RSY線燃速測定儀測試。將引燃紙裁剪成寬6mm，長150～250mm的引燃條。將裁剪好的引燃條在燃速測定儀上依次拼接起來，總長1 000mm。點火并計時至燃燒結束。即可通過式(5)計算出此種引燃條的燃速。引燃條配方及燃速測定值見表1。

v=s/t

(5)

式(5)中，v為燃速，s為引燃條長度，t為燃燒時間。

將B配方與A配方比較，是將A中50%的鉻酸鋇置換為四氧化三鉛，兩組均保持化學計量平衡，引燃條燃速由5.6 cm/s升到8.3 cm/s，提高48%。C、D、E配方均為在B配方基礎上將鋯粉含量10%、30%、50%依次增加，結果顯示引燃條的燃速呈快速上升趨勢，其趨勢圖見圖1。以冪函數進行趨勢預測并擬合的方程為：y=7.116x9.0737，與式(4)進行對比，可驗證原理推論基本符合事實。

圖1　鋯粉與氧化劑比例對引燃條燃速的影響Fig.1　Proportion of zirconium and oxidizer impact on burning rate of igniting tape

配方號氧化劑中各組份的摩爾分數/%鉻酸鋇四氧化三鉛鋯粉∶氧化劑(摩爾比)燃速/(cm/s)備注A10001∶15.6原引燃條B50501∶18.3加入50%四氧化三鉛C50501.1∶115.4加入50%四氧化三鉛,鋯粉過量10%D50501.3∶160.6加入50%四氧化三鉛,鋯粉過量30%E50501.5∶1335.8加入50%四氧化三鉛,鋯粉過量50%

其中E配方引燃條與原引燃條(A配方)比較，是置換50%四氧化三鉛，并鋯粉過量50%。其燃速由5.6 cm/s升到335.8 cm/s，提高了5 892%，在幾種配方中提高最大。因此將E配方引燃條定為快燃速引燃條。

3　試驗驗證

將原引燃條(A配方)及快燃速引燃條(E配方)裁剪后各裝配8發試驗熱電池，并進行高低溫放電試驗，測試不同引燃條對電池激活時間的影響。試驗電池為鋰硅合金-二硫化鐵體系，采用鐵加熱劑，6單元疊層裝配，電點火頭激活，并對電池進行高低溫放電試驗，從0 V至7 V的電壓上升時間為激活時間，用HIKO8855數據采集儀記錄放電曲線。試驗結果見表2。

從表2可以看出低溫狀態下原引燃條、快燃速引燃條的試驗電池激活時間的平均值分別為：0.373 s和0.183 s，減小了0.190 s(50.9%)，高溫狀態下原引燃條、快燃速引燃條的試驗電池激活時間的平均值分別為：0.343 s和0.160 s，減小了0.173 s(50.4%)，且相對標準差較小，說明快燃速引燃條在高低溫環境下均可有效減小激活時間。

將裝有原引燃條與快燃速引燃條的電池在低、高溫狀態下，選取1號、9號與5號、13號的激活段放電曲線進行對比，見圖2、圖3。

從圖2、圖3可以看出無論是高溫低溫，激活段曲線都可分為平線段及斜線段。平線段為引燃條的傳火過程，斜線段為加熱片燃燒及電解質熔融電極開始反應的時間。因兩種電池中除引燃條外其余因素均相同，所以圖中斜線段的斜率基本相同，而平線段縮短一半，是由于引燃條燃速增加所致。綜上所述，快燃速引燃條可有效減小熱電池激活時間，解決現有熱電池激活時間偏長的問題。

表2　放電試驗狀態及結果

圖2　低溫條件下的激活時間比較Fig.2　Comparison of activation time of low temperature

圖3　高溫條件下的激活時間比較Fig.3　Comparison of activation time of high temperature

4　結論

本文提出了添加四氧化三鉛且鋯粉過量的快燃速引燃條。在熱電池現有鋯-鉻酸鋇引燃條中加入四氧化三鉛且使鋯粉過量，形成鋯-鉻酸鋇-四氧化三鉛引燃條，以減小熱電池激活時間。試驗表明，低溫狀態下原引燃條、快燃速引燃條的試驗電池激活時間的平均值分別為：0.373s和0.183s，減小了0.190s(50.9%)，高溫狀態下原引燃條、快燃速引燃條的試驗電池激活時間的平均值分別為：0.343s和0.160s，減小了0.173s(50.4%)，解決了現有熱電池激活時間偏長的問題。

[1]陸瑞生，劉效疆. 熱電池[M]. 北京:國防工業出版社,2005.

[2]陳茂斌. 熱電池用加熱材料的性能研究[J].電子技術參考,2001,1(2):27-31.

[3]劉占辰.熱電池激活時間研究[J].火工品，2006(6):28-31.

[4]CallawayJ.熱電池用煙火加熱劑[J].火工情報,2003(1):110-116.

[5]王勝華,閆雷,李陽.引入四氧化三鉛的鋯-鉻酸鋇加熱材料[J].探測與控制學報,2013, 35(6):57-50.

[6]董靜,劉仕偉. 鋯粉加熱紙性能表征方法研究[J]. 電源技術,2008(10):693-695.

[7]種晉. 鋯粉加熱紙燃燒機理研究[J]. 電源技術,2009(7):590-595.

A Fast Burning Igniting Tape Added with Lead Tetraoxide and Excess Zirconium

YAN Lei1,2, WANG Shenghua2, LIU Liang3,LI Yang2

(1.Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory,Xi’an 710065, China;2.Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China;3. Norin co. Group Test and Measuring Academy, Xi’an 714200, China)

For the problem that the activating time is too longer in thermal battery, a fast burning igniting tape added with lead tetraoxide and excess zirconium was present. The fastr burning igniting tape added with lead tetraoxide and exsess zirconium at conventional igniting tape which was composed of zirconium and barium chromate, thus to decreasing activating time of thermal battery. Test results showed that the activating time of thermal battery decreased 50% .

thermal battery; activating time; igniting tape; lead tetraoxide; Zirconium

2016-02-03

閆雷(1983—)，男，陜西周至人，工程師，研究方向：引信電源。E-mail:89574331@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0093-03