B_KNO_3激光点火器装药参数与点火性能研究_郭伟.pdf

火工品INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：1003-1480（2023）01-0011-05B/KNO3激光点火器装药参数与点火性能研究郭伟1，张志新2，王端1，郭晋3，姬宇飞4，郭宇轩1(1.中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原，030051;2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳，712099；3.西安机电信息技术研究所，陕西 西安，710065；4.山西潞安煤炭技术装备有限责任公司，山西 长治，046200)摘要：为了探索硼/硝酸钾（B/KNO3）激光点火器的装药参数对其点火性能的影响，设计了光窗式 B/KNO3激光点火器并搭建了激光点火系统，试验研究了硝酸钾粒径、硼与硝酸钾配比、添加粘结剂种类与质量分数、B/KNO3装药密度及输入端密封性等因素对其发火功率和点火延迟时间的影响。结果表明：硝酸钾粒径为 212m、wBwKNO3为37、添加 3%的酚醛树脂、装药密度为 1.6gcm-3的B/KNO3激光点火器的点火性能最佳，其发火功率和点火延迟时间分别为4.52W 和 160ms；对 B/KNO3激光点火器进行密封设计可进一步增强其点火性能，其发火功率和点火延迟时间分别为4.24W 和120ms。关键词：激光点火；硼/硝酸钾；装药参数；光窗式点火器；点火性能中图分类号：TJ450.3文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2023.01.003Study on Charge Parametersand Ignition Performance of B/KNO3Laser IgniterGUO Wei1,ZHANG Zhi-xin2,WANG Duan1,GUO Jin3,JI Yu-fei4,GUO Yu-xuan1(1.School of Environment and Safety Engineering,The North University of China,Taiyuan,030051；2.Northwest Instituteof Mechanical and Electrical Engineering,Xianyang,712099；3.Xian Institute of Mechanical and Electrical InformationTechnology,Xian,710065；4.Shanxi Luan Coal Technology and Equipment Co.Ltd.,Changzhi,046200)Abstract：Inordertoexploretheinfluenceof chargeparametersofB/KNO3laserigniteronitsignitionperformance,alightwindow B/KNO3laser igniter was designed and a laser ignition system was built.The effects of the particle size of potassiumnitrate,themass ratioof boron to potassium nitrate,the typeand mass fraction of binder added,thedensityof B/KNO3charge andthe sealing property of the input end on the ignition power and ignition delay time were experimentally studied.The results showthat the B/KNO3laser igniter with the potassium nitrate particle size of 212m,the mass ratio of wBto wKNO3of 37,theaddition of 3%phenolic resin and the charge density of 1.6gcm-3has the best ignition performance,the ignition power andignition delaytime are 4.52W and160ms respectively.The sealing design of B/KNO3laser igniter can further enhanceits ignitionperformancewiththeignitionpowerof4.24Wandtheignitiondelaytimeof120msrespectively.Keywords：Laserignition；B/KNO3；Chargeparameter；Lightwindowigniter；Ignitionperformance针对现代武器高安全性和高可靠性发展需求，由激光器、保险与保险接触装置、激光火工品等组成的直列式激光点火系统，因其优良的点火性能和抗电磁辐射性能而得到快速发展1-2。其中，激光与药剂的相互作用是激光点火技术的主要研究方向之一，药剂本身的热性能对激光点火器的发火性能有很大影响。硼/硝酸钾（B/KNO3）具有高输出性、高可靠性和感度适中等优点，是直列式点火系统唯一许用的点火药剂2023 年第1 期2023 年02 月收稿日期：2022-05-19作者简介：郭伟（1997-），男，在读硕士研究生，从事火工品技术研究。郭伟等：B/KNO3激光点火器装药参数及点火性能研究122023 年第1 期3-8。国内外研究发现，B/KNO3的粒度和配比、添加粘结剂的种类和质量分数、装药密度和点火器密封性都会对其激光点火性能造成影响9-14。为探究B/KNO3激光点火器的装药参数对其点火性能的影响，笔者设计了光窗式激光点火器并搭建了激光点火系统，试验研究了硝酸钾粒径、硼与硝酸钾配比、粘结剂种类与质量分数、点火器装药密度及输入端密封性等因素对其发火功率和点火延迟时间的影响。1试验1.1试验仪器与试剂仪器：WPL1-Y1009-A22-80810-50.0W-LCD 半导体激光器、WPL4-40022-S-L100-S3H光纤、SMA905光纤连接器，波粒北京光电科技有限公司；压药模具和收口模具，非标定制；MC-40 粉末压片机，长沙米淇仪器设备有限公司；MSOX2024A 示波器，是德科技有限公司；2CU2B 硅光敏二极管，杭州电子市场光禾电子商行；防爆箱，350mm350mm350mm，非标定制；EM-30 扫描电子显微镜，北京天耀科技有限公司；HCT-1 差示扫描量热分析仪，北京恒久科技试验设备有限公司。试剂：乙醇、乙酸乙酯、酚醛树脂、氟橡胶、硝酸钾，分析纯，天津渤海化工集团供销公司；硼粉，上海乃欧科技有限公司。1.2点火药制备常温下，将硝酸钾溶于蒸馏水中，制成一定量的饱和溶液，溶剂为水，反溶剂为乙醇；采用喷射细化技术对硝酸钾进行细化，制备出 2 种不同粒径的硝酸钾样本；将 2 种粒径的硝酸钾分别与粒径为 1m 的硼粉按照 wBwKNO3为 73、64、55、46、37 的比例混合于研钵中充分研磨；称取 1 g 混合物分别与质量分数为 1%、3%、5%的酚醛树脂或氟橡胶溶于乙酸乙酯和无水乙醇中混合，采用溶剂挥发法制备B/KNO3样品。称取 10 mg B/KNO3样品分别以 1.3，1.4，1.5，1.6，1.7 gcm-3的密度压至药环中，并将玻璃片、药环依次组装在装药壳体中进行收口，作为B/KNO3激光点火器样品。1.3发火功率与点火延迟时间测试激光点火测试系统由半导体激光器、示波器、防爆箱、激光火工品和光敏二极管组成，如图 1 所示。激光点火器采用光窗式结构，如图 2 所示。激光器产生的激光通过光纤传输至点火器，经过光学窗口作用到药剂表面。其中，光学窗口选用石英材质，直径为6.8 mm、厚度为 1.5 mm，满足透光性要求，同时起到保护光纤的作用。图1激光点火测试系统Fig.1Laserignitiontestsystem图2激光点火器结构Fig.2Laserigniterstructure测试发火功率时，由小到大调节激光器的输出功率直至使激光点火器发火。测试点火延迟时间时，利用二极管单向导电性，在防爆箱黑暗空间内二极管为截止状态，按下激光器触发电源，示波器输出 0V 电压信号，记为出光时刻 t1；当激光火工品作用后，二极管接收到光信号而导通，示波器输出5V 电压信号，记为发火时刻 t2；其时间差x 即为点火延迟时间，如图 3 所示。图3点火延迟时间测试Fig.3Ignitiondelaytimemeasurement半导体激光器光窗式激光火工品光敏二极管示波器光纤导线不透明防爆箱B/KNO3光学窗口药环壳体xt1t2火工品2023 年 02 月132试验结果与讨论2.1硝酸钾粒度对发火特性的影响对 2 种粒径的硝酸钾样本进行 SEM 表征，结果如图 4 所示。由图 4（a）（b）可知，样本 1 中硝酸钾粒径为 212m，样本 2 中的硝酸钾粒径为 25m；由图 4（c）（d）可知，大范围 SEM 观测图中，样本1中硝酸钾的分散度优于样本2中硝酸钾的分散度，这可能是因为样本 2 中硝酸钾粒度较小，容易出现积聚现象。图 4不同粒径硝酸钾 SEM 图Fig.4SEMdiagramof potassiumnitratewith differentparticlesizes试验测试硝酸钾粒度对B/KNO3激光点火器点火性能的影响。试验样品中硝酸钾粒度分别为 25m、212m 和 50m 3 种，其他参数一致（点火药配比wBwKNO3为 37、粘结剂为 3%的氟橡胶、装药密度为 1.6gcm-3）。针对每种粒度进行多次重复试验，去除有明显误差的数据，选取 5 组数据进行研究（后续试验沿用此思路），试验结果见表 1。表1硝酸钾粒度对点火性能的影响Tab.1Effectof potassiumnitrateparticlesizeon ignitionproperty硝酸钾粒度/m发火功率/W平均发火功率/W平均点火延迟时间/s1#2#3#4#5#255.35.55.45.45.45.401.682124.94.74.84.74.94.801.52505.75.75.85.85.95.781.84由表 1 可知，粒度在 25m 和 212m 的 2 种样品的点火性能优于粒度为 50m 的样品。这是由于较小的药剂粒度能够增大可燃剂或氧化剂受激光照射的表面积，从而增强其对激光的吸收；且较小的药剂粒度能够增加药剂接触的比表面积，从而加快化学反应速度，促进燃烧反应进行，进而降低发火功率、缩短点火延迟时间。此外，硝酸钾粒度为 212m 时，平均发火功率最低（4.80W），点火延迟时间最短（1.52s）。为了对比 25m 和 212m 2 种样品的点火性能，对 2种样品再次进行多组点火试验，结果表明：硝酸钾粒度在 212m 时，其平均发火功率稳定在 5W 之下；硝酸钾粒度在 25m 时，其平均发火功率均在 5W之上；二者点火延迟时间相差稳定在 0.2s 以内。由此推断硝酸钾粒度在212 m时对808nm激光更加敏感，因此选用该粒度样品进行后续试验。2.2点火药配比对发火特性的影响采用差式扫描量热法（DSC）对 wBwKNO3分别为 73、64、55、46、37 的 5 种配比 B/KNO3的热性能进行表征。每种配比 B/KNO3各称取 3mg，试验温度范围为室温至 600，升温速率为 10min-1，试验所得 DSC 曲线如图 5 所示。图 5不同配比 B/KNO3点火药的 DSC 曲线图Fig.5DSCplotof differentratiosof B/KNO3ignitionpowder由图 5 可知，5 种配比 B/KNO3的 DSC 曲线均包含 2 个吸热峰和 2 个放热峰，且