CN107796268A

CN107796268A - 一种铁电体电击子弹

Info

Publication number: CN107796268A
Application number: CN201610804310.8A
Authority: CN
Inventors: 聂恒昌; 董显林; 曹菲
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-03-13

Abstract

本发明所公开的一种铁电体电击子弹，包括：壳体和容纳于所述壳体内的压力产生单元、电脉冲发生单元以及能量输出单元；所述压力产生单元产生规定的压力以用于发射子弹，并使所述电脉冲发生单元中极化的铁电材料发生去极化效应以产生电脉冲；在所述子弹击中活体目标物时所述电脉冲通过所述能量输出单元调节后使所述活体目标物触电。本发明基于铁电材料应力诱导的去极化效应，通过铁电材料产生电脉冲，其可以利用现有枪械进行连续发射，也可以作为泰瑟枪电击子弹的替代产品，并且其电脉冲通过调节后，不会对目标物产生致命伤害。

Description

一种铁电体电击子弹

技术领域

本发明涉及一种警用电击装备，特别涉及一种警用非杀伤性的铁电体电击子弹。

背景技术

目前国内外警用电击类装备主要包括警用电棍和泰瑟枪。警用电棍是最常用的警用电击装备，由高压源（又称高压发生器）、高性能电池（镍镉或镍氢电池）、电击头组成，常用来电击人体或其他活体目标。泰瑟枪（Taser Gun）的设计原理是基于电致肌肉失能效应，其核心是一种专用电击子弹。电击子弹包含有电池、放大电路、氮气气压弹夹、两根导线和带倒钩的金属电极。扣动扳机后，弹夹中的高压氮气迅速释放，将枪膛中的两个金属电极发射出来。命中目标后，倒钩可以钩住犯罪嫌疑人的衣服，枪膛中的电池则通过铜线释放出高压，令活体目标浑身肌肉痉挛，缩成一团，从而控制被攻击目标。泰瑟枪的最大优点是使目标因‘电休克’导致其神经系统暂时受损而失去行动能力，不会造成死亡或者永久性身体创伤。

警用电棍最大的缺点在于它是一种接触式装备，使用时需要与犯罪嫌疑人或者恐怖分子直接接触。因此，其作战半径小，警员使用时存在潜在的生命危险。此外，警用电棍的电源是高性能镍镉或镍氢电池，使用前需要充电或者不定期更换电池。泰瑟枪没有子弹，它是靠发射带电“飞镖”来制服目标的。无论是传统的M26型泰瑟枪还是最新研发的X26型泰瑟枪，都存在通过绝缘导线连接金属电极“飞镖”的问题，大大限制了泰瑟枪的射击距离。目前，泰瑟枪的最大射程仅为7米左右。

另一方面，泰瑟枪的电池寿命也是一个突出问题。目前使用的化学电池在使用前需要检查电量、不定期的更换电池，还有可能因为紧急情况下电池安装反向或者接触不良导致功能失效。

因此，警用电棍和泰瑟枪的作战半径和电池寿命等问题限制了警用电击装备的使用效能和使用范围。

铁电材料是一类特殊的功能材料，不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变。铁电材料在电场、温度和压力等外场诱导下可以发生相变，在发生相变的过程中，伴随着极化强度的改变和极化能的释放。

目前，基于铁电材料在外场下电荷的传输、转移、存储及其释放发展起来的脉冲功率技术已经获得诸多重要应用。例如，利用Pb(Zr_0.05Ti_0.95)O₃铁电陶瓷在电场下诱导的反铁电-铁电相变研制出可以反复使用的高功率脉冲电容器；利用Pb(Zr_0.05Ti_0.95)O₃铁电陶瓷在冲击应力作用下的去极化效应研制出紧凑型的铁电体脉冲电源等。

发明内容

本发明为了解决目前警用电棍和泰瑟枪需要额外电源、作战距离短、电池寿命短以及不能连续发射等问题，提供一种不需要外电源的、新型的铁电体电击子弹。

本发明所公开的一种铁电体电击子弹，包括：壳体和容纳于所述壳体内的压力产生单元、电脉冲发生单元以及能量输出单元；所述压力产生单元产生规定的压力以用于发射子弹，并使所述电脉冲发生单元中极化的铁电材料发生去极化效应以产生电脉冲；在所述子弹击中活体目标物时所述电脉冲通过所述能量输出单元调节后使所述活体目标物触电。

本发明基于铁电材料应力诱导的去极化效应，通过铁电材料产生电脉冲，其可以利用现有枪械进行连续发射，也可以作为泰瑟枪电击子弹的替代产品，并且其电脉冲通过调节后，不会对目标物产生致命伤害。具体而言，电脉冲发生单元中的铁电材料发生去极化效应，释放束缚电荷，产生电脉冲；在子弹击中活体目标物时，电脉冲经过能量输出单元调节后，使活体目标物产生触电反应，从而丧失反抗能力。

优选地，所述压力产生单元包含诱发装置、压力发生装置和压力匹配装置；压力发生装置优选为高压气囊或者炸药，诱发装置用于诱发压力发生装置产生所述规定的压力，所述压力匹配装置调节压力的幅值。

优选地，所述电脉冲发生单元包含储存电能的铁电材料以及电荷输出的电极材料和导线；铁电材料经极化后储存极化能，并在所述规定的压力作用下发生去极化效应。所述铁电材料的存在形式优选为陶瓷、薄膜、厚膜或者多层电容器元件。电极材料优选为金属薄片或者经过一定工艺涂覆在铁电材料表面的金属膜电极。

优选地，所述能量输出单元包含电子学震荡电路和两个金属电针，所述电子学震荡电路调节所述电脉冲发生单元输出的所述电脉冲的幅值和波形；所述金属电针用于刺入所述活体目标物后与电子学震荡电路形成闭合回路，并将所述电脉冲作用于所述活体目标物。

又，所述壳体可具有形状类似一般枪械子弹的外形，作用在于保护、容纳和支撑其内部的压力产生单元、电脉冲发生单元以及能量输出单元。优选地，所述壳体为绝缘材料。但其材质也可以是金属，所述壳体为金属材料的情况下，所述壳体与其内部各功能单元可进行绝缘防护处理。

在使用本发明的铁电体电击子弹时，例如可将铁电体电击子弹装入发射枪械的枪膛，扣动扳机时启动诱发装置，使其与压力发生装置发生作用诱发压力发生装置产生压力；所述压力一方面驱使铁电体电击子弹离开枪膛，另一方面经过压力匹配装置调节后作用于铁电材料，使铁电材料发生去极化效应，产生电脉冲；电脉冲流经电极材料和导线经过电子学震荡电路形成特定幅值和波形的电脉冲；子弹击中目标后，金属电针刺入活体目标物与该活体目标物之间形成闭合回路并释放电脉冲，使活体目标物产生电致肌肉失能反应并丧失反抗能力。

根据本发明的铁电体电击子弹，由于按照常规枪械的子弹进行设计，不需要额外的电池系统进行供电，可以连续发射。此外，所述铁电体电击子弹也不需要导线来连接电源和电针实现电能的传输，发射距离较长，因而能够解决目前警用电棍和泰瑟枪需要额外电源、作战距离短、电池寿命短以及不能连续发射等问题，并且其不会对目标物产生致命伤害。

附图说明

图1 是根据本发明一实施形态的铁电体电击子弹的结构示意图；

符号说明：

1壳体

2诱发装置（雷管装置或钢针）

3压力发生装置（炸药或高压气囊）

4压力匹配板

5 铁电材料

6电极材料

7 导线

8 电感

9 电容

10 电针固定材料

11金属电针

12 电针防护罩。

具体实施方式

以下结合附图和优选的实施形态进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明基于铁电材料应力诱导的去极化效应，通过铁电材料产生电脉冲，其可以利用现有枪械进行连续发射，也可以作为泰瑟枪电击子弹的替代产品，并且其电脉冲通过调节后，不会对目标物产生致命伤害。

由此，本发明提供了一种铁电体电击子弹，包括：壳体和容纳于所述壳体内的压力产生单元、电脉冲发生单元以及能量输出单元；所述压力产生单元产生规定的压力以用于发射子弹，并使所述电脉冲发生单元中极化的铁电材料发生去极化效应以产生电脉冲；在所述子弹击中活体目标物时所述电脉冲通过所述能量输出单元调节后使所述活体目标物触电。

具体地，图1 示出了根据本发明一实施形态的铁电体电击子弹的结构示意图。如图1所示，本实施形态中，铁电体电击子弹包括壳体1。所述壳体1可具有形状类似一般枪械子弹的外形，作用在于保护、容纳和支撑其内部的压力产生单元、电脉冲发生单元以及能量输出单元。优选地，所述壳体1为绝缘材料。但其材质也可以是金属，所述壳体1为金属材料的情况下，所述壳体1与其内部各功能单元可进行绝缘防护处理。

本实施形态中，上述压力产生单元可包含诱发装置2、压力发生装置3和压力匹配装置4。压力发生装置3可以是高压气囊或者炸药。诱发装置2可以是雷管装置（如图1所示的电子雷管装置）或钢针等，可用于诱发压力发生装置3产生所述规定的压力。所述压力匹配装置4可以是图1所示的压力匹配板，可用于调节压力的幅值。

此外，上述电脉冲发生单元可包含储存电能的铁电材料5以及电荷输出的电极材料6和导线7。铁电材料5经极化后储存极化能，并在所述规定的压力作用下发生去极化效应。所述铁电材料5的存在形式优选为陶瓷、薄膜、厚膜或者多层电容器元件。电极材料6优选为金属薄片或者经过一定工艺涂覆在铁电材料表面的金属膜电极。

另外，上述能量输出单元可包含电子学震荡电路和两个金属电针11，所述电子学震荡电路调节所述电脉冲发生单元输出的所述电脉冲的幅值和波形；所述金属电针11用于刺入所述活体目标物后与电子学震荡电路形成闭合回路，并将所述电脉冲作用于所述活体目标物。该电子学震荡电路可以包括并联的电感8和电容9，以对流经的电脉冲进行整流。

优选地，在金属电针11上可设有电针防护罩12。一旦子弹击中目标，电针防护罩12受到压缩破碎，金属电针11刺入皮肤，与活体目标物之间形成闭合回路，从而释放电脉冲，使活体目标物产生电致肌肉失能反应，从而丧失反抗能力。

以下进一步列举出一些示例性的实施例以更好地说明本发明。

实施例1

如图1 所示，根据本发明的一种铁电体电击子弹包括用于保护和支撑其内部各功能单元的壳体1和壳体1内的压力产生单元、电脉冲发生单元以及能量输出单元。

将铁电体电击子弹装入发射枪械的枪膛，当扣动枪械的扳机时，撞击铁电体电击子弹的电子雷管装置2 ，通过雷管装置2 使作为压力发生装置的高能炸药3爆炸产生特定压力，该压力一方面发射子弹离开枪膛，另一方面经过压力匹配板4调节后作用于极化的铁电材料5，铁电材料5发生去极化，释放束缚电荷，产生电脉冲。电脉冲经过金属的电极材料6和导线7 流经电感8 和电容9，经电感8 和电容9 整流后形成特定幅值和波形的电脉冲。一旦子弹击中目标，电针防护罩12 受到压缩破碎，金属电针11 刺进衣服和皮肤，与活体目标物之间形成闭合回路，从而释放电脉冲，使活体目标物产生电致肌肉失能反应，从而丧失反抗能力。

泰瑟枪电击子弹发射的每个电脉冲的能量~0.3J，使用时每秒放电2-40次，作用时间3-5秒。因此，电击子弹本身需要提供的能量至少1.8J。

线性电介质材料储能密度公式：

其中，P_r代表铁电材料的剩余极化强度，ϵ₀代表真空介电常数，ϵ_r代表相对介电常数。以目前在紧凑型铁电体脉冲电源上应用的Pb(Zr_0.05Ti_0.95)O₃铁电陶瓷为例，P_r为~35μC/cm²,ϵ₀为8.85×10^-12F/m，ϵ_r为~230左右。根据公式（1）计算出Pb(Zr_0.05Ti_0.95)O₃铁电陶瓷的储能密度~3.0J/cm³。根据常规子弹的尺寸计算，同样大小的铁电体电击子弹可以实现~15J能量的输出，能够满足电击子弹的设计要求。

实施实例2

如图1 所示，将铁电体电击子弹装入发射枪械的枪膛，当扣动枪械的扳机时，撞击铁电体电击子弹尾部的钢针2 ，通过钢针2刺破作为压力发生装置的高压气囊3产生特定压力，该压力一方面发射子弹离开枪膛，另一方面经过压力匹配板4调节后作用于极化的Pb(Zr_0.05Ti_0.95)O₃铁电材料5，Pb(Zr_0.05Ti_0.95)O₃铁电材料5发生去极化，释放束缚电荷，产生电脉冲。电脉冲经过金属的电极材料6 和导线7 流经电感8 和电容9，经电感8和电容9 整流后形成特定幅值和波形的电脉冲。一旦子弹击中目标，电针防护罩12 受到压缩破碎，金属电针11 刺进衣服和皮肤，与活体目标物之间形成闭合回路，从而释放电脉冲，使活体目标物产生电致肌肉失能反应，从而丧失反抗能力。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims

1.一种铁电体电击子弹，其特征在于，包括：

壳体，和

容纳于所述壳体内的压力产生单元、电脉冲发生单元以及能量输出单元；

所述压力产生单元产生规定的压力以用于发射子弹，并使所述电脉冲发生单元中极化的铁电材料发生去极化效应以产生电脉冲；

在所述子弹击中活体目标物时所述电脉冲通过所述能量输出单元调节后使所述活体目标物触电。

2.根据权利要求1所述的铁电体电击子弹，其特征在于，

所述压力产生单元包含诱发装置、压力发生装置和压力匹配装置；

所述诱发装置用于诱发所述压力发生装置产生所述规定的压力；

所述压力匹配装置调节所述压力的幅值。

3.根据权利要求2所述的铁电体电击子弹，其特征在于，

所述压力发生装置为高压气囊或炸药。

4.根据权利要求1所述的铁电体电击子弹，其特征在于，

所述电脉冲发生单元包含储存电能的铁电材料以及电荷输出的电极材料和导线；

所述铁电材料经极化后储存极化能，并在所述规定的压力作用下发生去极化效应。

5.根据权利要求4所述的铁电体电击子弹，其特征在于，

所述铁电材料的存在形式是陶瓷、薄膜、厚膜或多层电容器元件。

6.根据权利要求4所述的铁电体电击子弹，其特征在于，

所述电极材料为金属薄片或者涂覆在所述铁电材料表面的金属膜电极。

7.根据权利要求1所述的铁电体电击子弹，其特征在于，

所述能量输出单元包含电子学震荡电路和两个金属电针；

所述电子学震荡电路调节所述电脉冲发生单元输出的所述电脉冲的幅值和波形；

所述金属电针用于刺入所述活体目标物后与所述电子学震荡电路形成闭合回路，并将所述电脉冲作用于所述活体目标物。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的铁电体电击子弹，其特征在于，

所述壳体为金属材料的情况下，所述壳体与其内部各单元进行绝缘防护处理。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的铁电体电击子弹，其特征在于，

所述壳体为绝缘材料。