隨著信息技術發展,數字化網絡化已經逐漸深入到各行各業,為生活和生產帶來了極大便利。數碼電子雷管作為民爆行業數字化的代表產品,與其他種類雷管相比,在以下幾方面有著較大優勢:
數碼電子雷管以上優點,從根本上解決了雷管在生產、流通、使用、管理過程中的安全問題,廣泛適用于各種復雜環境的爆破工程,受到了國家工信部的鼓勵和發展。
數碼電子雷管起爆的原理是電子控制模塊內部的電容在接收到起爆器的起爆指令后對點火電阻的橋絲放電,橋絲發熱引燃點火藥,點火藥產生的火焰沖能引爆基礎雷管,最后由基礎雷管引爆炸藥。因此,點火電阻作為這一過程重要的換能元件,其性能直接影響雷管的起爆效果。
常見的點火電阻
目前國內在用的點火電阻主要有2Ω、4Ω、6Ω、8Ω四種阻值,形狀主要分直線型和S型兩種(如圖):
圖(一) 點火電阻外觀
直線型因橋絲較短,相同電容規格下,對直線型點火電阻放電更易達到更高發火溫度,如600℃以上,且熔斷時間較短,在50~100μs,沖量大。因此直線型所匹配的電容電量不需要很高,更適合偏敏感的藥劑;
圖(二) 電阻橋絲熔斷的電容放電曲線
S型相對直線型來說橋區長度更長,達到發火最高溫時間更長,大約在200~250μs左右,同電容規格下溫度略低于直線型,如550℃以上,橋絲完全熔斷所需能量也更高,需要匹配電量高的電容,可結合中性或稍鈍感藥劑使用,如硫氰酸鉛。
在點燃偏鈍感藥劑時,點火電阻的理想狀態是保持橋絲不斷,且橋絲溫度遠遠高于藥劑燃點,持續較長時間,將電能完全轉化為熱能。這時就要根據模塊中使用的電容,匹配合適規格的點火電阻。
圖(三) 橋絲未熔斷的電容放電曲線
點火電阻區別于普通電阻產品,選型時需要考慮的參數主要有以下幾點:
1. 最高發火(熔斷)溫度:電阻橋絲部分在能量轉換過程中能達到的最高溫度。
點火電阻的最高發熱溫度必須高于藥劑的燃點,且點火電阻轉化的熱量部分會通過基板耗散掉,因此最高發火溫度必須留有足夠余量。
2. 發火一致性:反映電阻批量使用的穩定性。
發火一致性可通過電阻同批次或批次間一致性得出,可通過電阻最高發火溫度的統計數據判斷。
3. 發火(熔斷)時間:反映電阻通電后達到最高溫所需的時間。
發火(熔斷)時間通常以 μs為單位,時間長度約在80μs~250μs左右。
4. 全發火電壓:電阻99.99%發火的電壓值。
全發火電壓可通過升降法計算得出,點火電阻的全發火電壓目前有分為蘸藥和不蘸藥兩種測定方法,在實際測量過程中,蘸藥測試方法測得的電壓數據更具有指導意義,能夠反映電容、點火電阻、藥劑三者的匹配程度的高低。點火電阻生產廠家提供的規格書的全發火電壓均為不蘸藥測試數據,僅可用來參考。
5. 不發火電壓:電阻0.01%發火的電壓值。
測定方法也是升降法,實際蘸藥測量的結果常常用來與數碼電子雷管安全電壓作比對,檢測雷管的安全性。
6. 發火能量:電阻橋絲完全熔斷所需能量。
點火電阻生產廠家規格書中的全發火能量為不蘸藥測試數據,通常是由全發火電壓計算得出,僅可用來參考。
性能優異的點火電阻,除了具有高可靠的點火性能、高精度、發火一致性好等電氣性能,還需要有較好的機械性能,國內現在使用的點火電阻主要有兩種,一種是采用傳統的FR4/FR5玻纖布為基板,另一種是采用硬度高的氧化鋁為基板。這兩種點火電阻各有優劣:
1.玻纖布基板的優勢在于具有很低的導熱率,FR4的z向熱導率典型值僅為0.25W/m-K,使得這種電阻轉換的熱能大部分都可以傳遞到藥劑,不需要考慮基板散熱,但是同時由于這種電阻的基板與電極材料的粘結性不強,機械強度不高,容易出現電極脫落現象。
2.氧化鋁的導熱性高,為FR4基板的導熱的幾十倍,所以目前以氧化鋁為基板的電阻需要采用低導熱率隔熱層的構造,來降低橋絲向基板側散熱。這種電阻的電極采用真空蒸發、磁控濺射的薄膜工藝制作,可實現電極材料與基板間的分子級接觸,電極機械強度極高。在電阻橫向剪切力測試中表現優異,直到基板斷開電極與基板也未曾脫落(圖四)。
圖(四) 氧化鋁基板點火電阻橫向剪切力測試
目前,以氧化鋁為基板的點火電阻工藝已趨近成熟,在發火溫度、持續時間、產品一致性等電氣性能方面已與玻纖布基板的點火電阻達到同樣效果甚至更好。因電極強度、基板強度更優,未來以氧化鋁為基板的點火電阻必定會給數碼電子雷管帶來更高的安全性能,廣泛應用于民爆行業中。據了解,以氧化鋁為基板的點火電阻的國內外制造商并不多,其中國產品牌開步睿思是市場主流制造商。