CN103499252B - 一种低发火电压和高威力输出的微型雷管 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种低发火电压和高威力输出的微型雷管，主要包括脚线、陶瓷电极塞、管壳、半导体桥芯片、发火药、起爆药、猛炸药。将Cl-20猛炸药和羧甲基纤维素叠氮化铅起爆药依次压入管壳中以增加微型雷管轴向输出威力，通过管壳收口工艺和口部涂密封胶使半导体桥发火组件固定在管壳的口部。采用本发明的微型雷管的技术指标特征是最小全发火电压低至3.83V（10μF），最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA，雷管尺寸不大于Ф2.5×4mm，用锰铜压力计法测试雷管输出爆压，得到微型雷管的输出威力最大到达13～15GPa，与现有桥丝式电雷管的技术指标相比，其综合性能得到大幅度提高。本发明适用于需要低发火电压和高威力输出的微机电系统传爆序列设计。

Description

一种低发火电压和高威力输出的微型雷管

所属技术领域

本发明专利涉及一种微型雷管，尤其是能在低发火电压输入条件下可靠发火、体积小型化的半导体桥微型雷管。

背景技术

雷管是弹药爆炸序列和工程爆破爆炸序列的重要组成部分，一般包括发火组件、起爆药、猛炸药和管壳。传统雷管的发火组件一般以桥丝为换能元件，桥丝焊接两根金属脚线之间，当通入发火电流时，桥丝发热引燃与桥丝接触的发火药，发火药发火并引燃起爆药，起爆药实现快速的燃烧转爆轰后又会引爆猛炸药并输出爆轰继而完成雷管功能。现有桥丝式电雷管在设计和使用过程中存在明显的不足：一是在要求有较高的安全电流（如≥100mA）时，则需要较高的发火电压（如≥28V）及较高的发火能量（如≥10mJ）。这样，对于仅有低电能、低电压的微机电系统或在需要同时起爆大量雷管的爆破工程起爆器中，则存在雷管起爆电能偏高，起爆可靠性降低的问题。二是为了降低电雷管的发火电压、发火电流及发火能量，就必须减小电雷管的桥丝直径，增加发火药的热感度。但随着发火能量的降低和发火感度的提高，电雷管的安全电流也随之降低，即降低了电雷管的抗静电、抗电磁干扰的能力，即以牺牲安全性为代价来提高发火可靠性。二者设计要求是一对相互对立的矛盾，采用桥丝式电雷管难以更好地满足微机电系统和工程爆破的发展需求。因此，发展低发火电压、低发火能量同时具备较高安全电流的电雷管是微机电系统和工程爆破领域技术发展的瓶颈。

随着近年来微机电系统的应用，对电雷管的尺寸要求也越来越小。现有成熟技术的电雷管最小尺寸为Ф2.5×6.47mm，可在钢板上形成深度大于0.13mm的炸坑。而对于微机电系统设计而言，需要电雷管高度或直径进一步减小，一方面可以减小电雷管容腔尺寸，同时也可以减小隔爆隔板厚度。电雷管高度和直径每减小0.1mm，都会为微机电系统级其组成零件设计和加工打来极大的尺寸空间和技术效益。因此，减小电雷管高度和减小隔板厚度是微机电系统微型化发展的技术需求。减小电雷管高度，提高雷管轴向输出威力及减小隔爆隔板厚度是微机电系统爆炸序列设计中相互对立的矛盾和技术瓶颈。

可以说，现有的传统桥丝式雷管，虽然容易达到低发火电能的要求，但难以同时具备电磁安全性好、发火时间短、体积小、结构坚固、输出威力大等综合要求。如果采用半导体桥组件、管壳和含能材料，则低发火能量、短发火时间、微结构尺寸等参数均难以满足上述微机电系统的技术要求。根据微机电系统的要求来设计电雷管的发火电压、安全电流、结构尺寸、输出威力等已成为微型雷管发展的技术瓶颈。要想达到微机电系统的技术要求，简单采用文献中的现有技术组合是很难实现的，还需要通过半导体桥换能元、微型陶瓷电极塞、雷管装药结构、含能材料性能的优化方案组合，探索新的设计思想，才能解决上述的技术瓶颈。

发明内容

为了克服上述技术和产品的种种不足，本发明专利提供了一种实现在低电压下可靠发火、安全性高、尺寸小、输出威力大的微型雷管。

针对现有电雷管在减小发火电压、减小发火时间、保持较高的安全电流、减小雷管尺寸、等参数组合的设计方案中存在的不足和技术难点，本发明专利通过深入细致的理论计算分析和系统全面的实验验证，经过正交试验和D-最优化法设计提出一种低发火电压微型雷管，不仅能在最小全发火电压、发火能量、发火时间、安全电流等性能上满足微机电系统对发火件的技术要求，还在保证雷管输出威力最大的情况下，大大减小了雷管的轴向和径向尺寸，并能保证结构强度需要。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

电极塞的功能兼有固定半导体桥芯片、固定脚线，与管壳结合构成密封结构、实现电绝缘和散热等。采用微型不对称陶瓷电极塞的依据是基于结构形状成型、结构强度、电绝缘强度、尺寸微型化等技术角度考虑。

微型不对称陶瓷电极塞通过不对称脚线孔位置布局、梯形凹槽位置布局，电绝缘强度及结构强度校核等设计，实现电极塞尺寸最小化以及电绝缘强度和结构强度最大化。实现的电极塞样品典型尺寸为：直径为2.0～2.2mm，高度为1.0～1.2mm，其梯形凹槽短边长为0.5～0.55mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，可容纳外形尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm的发火芯片。

管壳的功能是装配容纳起爆药、猛炸药和发火组件。采用不锈钢管壳是增加抗冲击结构强度、增加压药压力、增加抗冲击结构强度，增加雷管轴向输出威力。

半导体桥芯片的功能是实现电能输入和可靠发火，并具有一定的抗静电、抗射频安全性。选取低电压发火的半导体桥芯片的依据是降低发火电压或发火能量，同时又具有较高的安全电流。半导体桥芯片典型的发火电压为3.83V（10μF），最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA。

发火药的功能是接受半导体桥电爆能量输入而发火。选取电热敏感发火药的依据是进一步降低发火电压，通过发火药的种类、粒度、品型、纯度、粘合剂及装药方式等来进行性能试验验证以实现发火电压最小化。

起爆药的功能是接受发火药的火焰而实现快速的燃烧转爆轰，引爆下一级猛炸药装药。本发明选取起爆药的依据是燃烧转爆轰距离最短，输出爆轰能可靠起爆下一级Cl-20猛炸药装药，极限起爆药量尽可能的小。

猛炸药的功能是接受起爆药的爆轰而起爆，实现迅速高速爆轰和增大雷管的输出威力。本发明选取猛炸药的依据是冲击波感度好，临界传爆直径小、输出威力大、能可靠起爆下一级导爆管或通过一定空气间隙传爆、1mm厚的隔爆隔板能可靠隔爆的猛炸药。适用于威力大、传爆间隙大的微机电系统的传爆序列设计场合。

本发明的有益效果是：基于对电极塞、管壳、发火芯片、发火药、起爆药和猛炸药影响因素设计和参数优化组合，本发明取得的较优的微型雷管结构和性能参数为：雷管尺寸为Ф2.5×4mm，最小全发火电压为3.83V（10μF），最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA，发火时间为12.6～16.5μs，输出威力达到13～15GPa，隔爆隔板厚度为1mm，可以通过0～3mm空气间隙起爆JO-9c传爆药导爆管，与现有桥丝式电雷管的技术指标相比，其综合性能得到大幅度提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是低发火电压半导体桥微型发火组件的三维结构示意图。

图2是低发火电压半导体桥微型发火组件的俯视图。

图3是图2低发火电压半导体桥微型发火组件A-A剖视图

图4是微型雷管的结构示意图。

具体实施方式

结合图1-3，低发火电压半导体桥微型发火组件包括三部分：半导体桥换能元芯片（1）、不对称微型陶瓷电极塞（2）和电热敏感发火药（9）。将矩形半导体桥换能元芯片（1）用粘结剂（8）固定在不对称陶瓷电极塞（2）的梯形凹槽（3）内，采用超声波焊接方式，用键合金属丝（6，7）将该半导体桥换能元芯片（1）上的两个金属焊盘分别与陶瓷电极塞（2）的两脚线电极（4，5）连接，使电极塞的两个脚线电极（4，5）与半导体桥换能元的两个金属焊盘构成电路通路，半导体桥换能元上装填电热敏感发火药（9）细化中性三硝基间苯二酚铅而组成发火组件。

图4所示的实施例为有底管壳型的半导体桥微型雷管，包括起爆药（11）、猛炸药（12）、管壳（13）和发火件（10）。装药分为两层，第一层为起爆药（11），如羧甲基纤维素叠氮化铅；第二层为Cl-20猛炸药（12）。装药方式粉末药剂压装，在100～120MPa压药压力下将8.2～13mg的Cl-20猛炸药压入管壳，再在90～100MPa压药压力下将6.8～17mg的羧甲基纤维素叠氮化铅起爆药压入管壳。把半导体桥发火组件装入压装好起爆药和猛炸药的管壳中，最后通过管壳收口工艺和口部涂密封胶使半导体桥发火组件固定在管壳的口部组成微型电雷管。起爆药接受发火组件的火焰并实现燃烧转爆轰，引爆猛炸药；猛炸药实现爆轰能量放大，起爆微尺寸的下一级装药；管壳盛装各层装药，并与引信结构装配紧固，起到密封、紧固药剂、发火组件和减少微尺寸装药爆轰能量侧向损失的作用。

微型雷管是微型传爆序列实现燃烧转爆轰的关键部件，其发火电压和尺寸受到引信机构尺寸限制，因此合理地设计发火组件和结构是微型雷管设计的重要因素。本发明提出的半导体桥雷管采用10μF贮能电容进行发火能量测试，测得该微型半导体桥雷管的最小全发火电压为3.83V，最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA，发火时间为12.6～16.5μs，输出威力最大到达13～15GPa，最大限度地降低了微型雷管的发火电压，并减小了结构尺寸，具有尺寸小、结构强度好、发火能量低、抗杂散电流强、作用时间短、作用一致性好、输出威力大等优点，可以满足微机电系统低电压发火及安全性、输出爆轰威力和结构强度的要求。

Claims (4)

1.一种低发火电压和高威力输出的微型雷管，它主要包括脚线、陶瓷电极塞、管壳、半导体桥换能元芯片、发火药、起爆药、猛炸药，其特征在于：在微型不对称陶瓷电极塞里固定一个半导体桥换能元芯片，并且半导体桥换能元芯片(1)的两个金属焊盘与陶瓷电极塞(2)的两根脚线电极(4，5)之间用键合金属丝(6，7)以超声波焊接方式实现电路连接，在半导体桥换能元芯片上方装填电热敏感发火药(9)，组装成半导体桥发火组件(10)，将Cl-20猛炸药和羧甲基纤维素叠氮化铅起爆药依次压入管壳中，最后通过管壳收口工艺和口部涂密封胶使半导体桥发火组件固定在管壳的口部，其中微型不对称陶瓷电极塞(2)的直径为2.0～2.2mm，高度为1.0～1.2mm，其梯形凹槽短边长为0.5～0.55mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于陶瓷电极塞对称中心线上或附近，可容纳外形尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm的发火芯片；微型雷管的尺寸不大于Ф2.5×4mm，脚线直径为0.3～0.4mm，脚线长为20～30mm。

2.根据权利要求1所述的低发火电压和高威力输出的微型雷管，其特征是：所述半导体桥发火组件通过10μF的电容对其放电，可达到最小全发火电压为3.83V的低电能发火要求，最小全发火能量为0.074mJ，安全电流不小于200mA。

3.根据权利要求1所述的低发火电压和高威力输出的微型雷管，其特征是：起爆药为羧甲基纤维素叠氮化铅，装药量为6.8～17.0mg，装药高度为0.6～1.5mm，实现最短传爆距离内的燃烧转爆轰。

4.根据权利要求1所述的低发火电压和高威力输出的微型雷管，其特征是：猛炸药为Cl-20，药量为8.2～13.0mg，装药高度为1.5～2.4mm，实现最小药高条件下输出威力最大，输出爆压为13～15GPa。