1 引 言

火帽是一种装有击发药的火工品，是燃烧或爆炸作用序列中的首发元件，其作用是接受初始机械冲能激发后输出火焰能，引燃弹药的发火序列^[1]。火帽的核心技术之一是击发药。击发药的经典配方是由起爆药、可燃剂和氧化剂等组成的混合物。击发药中的起爆药主要是提高击发药感度和满足对适当猛度的要求，在击发药中真正起点火作用的是其组分中的氧化剂和可燃剂，它们在起爆药发火的刺激下快速发生反应，发出大量热、炽热固体或液体、一定压力气体和火焰等，以实现可靠点火的功能^[2]。由于起爆药的安全性和环保等方面问题较为突出，因此不含起爆药的击发药得到了发展和应用（尤其是在对耐温性能、安全和环保等要求较高的使用环境下，如油气井射孔作业^[3]）。不含起爆药的击发药装填于撞击火帽中，便成为无起爆药撞击火帽。关于火帽的研究比较多，主要集中在产品的可靠性设计^[4,5]，撞击火帽的撞击力学过程机理研究^[6]，火帽实验方法研究^[7]和故障原因分析方面^[8,9,10]，但这些研究大都针对含起爆药型火帽。

无起爆药的撞击火帽感度低、可靠度差，一直没有得到广泛使用。但随着纳米技术的发展，尤其是纳米金属粉在击发药配方中的应用，极大地提高了无起爆药撞击火帽的发火感度^[11]，为其广泛应用做好了技术准备。为了提高撞击火帽的使用安全性和耐高温性能(如，在太空中或高温油气井下)，研究了无起爆药撞击火帽，其装药就是一种含纳米钛粉且无起爆药的击发药。采用实验方法对火帽的输出特性进行了初步研究并取得了一些成果，可为其进一步推广应用提供依据。

2 实验部分

2.1 实验准备

无起爆药击发药的配制：击发药不含任何起爆药，由钛粉和高氯酸钾组成。钛粉粒度为50 nm左右，纯度不低于99%，高氯酸钾粒度为5 μm左右，纯度不低于99%。将钛粉和高氯酸钾粉（按质量比1∶1）用干混法进行机械混合，均匀后待用。

火帽制作：将上述配制好的击发药称量（40±5） mg，倒入已装有火帽壳的模具中，以100 MPa左右的压药压力将击发药压入火帽壳中，然后将盖片和火台依次放入模具中，再用冲头压一次。火帽压制方法见图1。从模具中取出火帽，擦净火帽表面的浮药，待实验。火帽结构见图2。火帽壳、盖片和火台的材料均为不锈钢材料。

图1 火帽压制方法示意图

Fig.1 Schematic diagram of the pressing manufacture method for primer

注：1─底座， 2—中模， 3—上模， 4—冲头， 5—火帽

NOTE: 1—base, 2—medium holder, 3—upper holder, 4—pressing bar, 5—primer

图2 火帽结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of the structure of primer

注：1—火帽壳， 2—盖片， 3—火台， 4—击发药

NOTE: 1—primer shell, 2—cover, 3—anvil, 4—primer mixture

2.2 实验过程

2.2.1 火帽力学输出特性

试验装置见图3。按图3所示，将火帽和验证铅柱(Φ6.4 mm×7 mm)放入到装置中，然后调整好落锤高度，最后放好某种直径的击针（见图4）。当接通电源时，落锤沿着导轨自由下落，撞击击针，击针再撞击火帽，火帽发火，发火的火帽对其下方的验证铅柱进行冲击。实验后观察火帽对验证铅柱的冲击情况和火帽壳的破坏情况。

图3 火帽力学输出特性测试示意图

Fig.3 Schematic diagram of testing mechanical output characteristics of primer

注：1—电磁阀， 2—落锤， 3—导轨， 4—击针， 5─固定座， 6—火帽， 7—验证铅柱， 8─铅柱座， 9─实验座

NOTE: 1—magnetic valve, 2—dropping hammer, 3—guiding rail, 4—firing pin, 5—fixed holder, 6—primer, 7—verification lead pillar， 8—lead pillar housing, 9—experimental base.

图4 击针外形图

Fig.4 Firing pin configuration

本实验所用击针的材料为普通45^#钢，不同直径的击针都进行了热处理，使其硬度在（55±10）HRC范围内，以确保击针在撞击时不发生弯曲。

2.2.2 火帽火焰输出特性

按图5所示，将火帽和有机玻璃管安装到装置中，然后调整好落锤高度，最后放好某种直径的击针。在接通电磁阀的同时，启动德国PCD.dimax HD高速摄影机（最高130641 fps），拍摄火帽的火焰输出情况。

图5 火帽火焰输出特性测试示意图

Fig.5 Schematic diagram of testing flame output characteristics of primer

注：1—电磁阀， 2—落锤， 3—导轨， 4—击针， 5—固定座， 6—火帽， 7—有机玻璃管， 8—实验座， 9—高速摄影机

NOTE: 1—magnetic valve, 2—dropping hammer, 3—guiding rail,4—firing pin, 5—fixed holder, 6─primer, 7—plexiglass tube, 8—experimental base, 9—high‑speed cameral

2.2.3 火帽残渣输出特性

按图6所示，将火帽和残渣收集器（安装前精确称量其质量）安装到装置中，然后调整好落锤高度，最后放好某种直径的击针。当接通电源时，落锤沿着导轨自由下落，撞击击针，火帽发火，用残渣收集器对火帽点火方向上所输出的炽热残渣进行收集，每组50发实验后进行称重，得出某组火帽的残渣质量。

图6 火帽残渣输出特性测试示意图

Fig.6 Schematic diagram of testing ash output characteristics of primer

注：1—电磁阀， 2—落锤， 3—导轨， 4—击针， 5—固定座， 6—火帽， 7—残渣收集器， 8—实验座

NOTE: 1—magnetic valve, 2—dropping hammer, 3—guiding rail,4—firing pin, 5—fixed holder, 6—primer,7—ash collector, 8—experimental base

2.2.4 火帽综合输出特性

按图7所示，将火帽和某种被点火火工品（其外形尺寸为Φ6.4 mm×7 mm，主要装药为某型号的硅系点火药，其接受点火的药剂呈裸露且已被压缩的状态）安装到装置中，火帽输出端到被点火火工品输入端面之间的距离L（mm）根据上一次实验结果用该装置中的钢块数量（每块厚2 mm）进行调整，然后调整好落锤高度，最后放好某种直径的击针。当接通电源时，落锤沿着导轨自由下落，撞击击针，火帽发火，观察被点火工品是否发生反应。

图7 火帽综合输出特性测试示意图

Fig.7 Schematic diagram of testing comprehensive output characteristics of primer

注：1—电磁阀，2—落锤，3—导轨，4—击针，5—固定座，6—火帽，7—钢管，8—被点火工品，9—钢块，10—堵头，11—实验座

NOTE: 1—magnetic valve， 2—dropping hammer, 3—guiding rail,4—firing pin, 5—fixed holder, 6—primer, 7—steel tube,8—acceptor, 9—steel cake, 10—fixing, 11—experiment base

3 结果与讨论

3.1 火帽力学输出特性

经大量实验测定，该无起爆药火帽对于不同直径的击针，其全发火的最小落锤高度(落锤质量为2 kg)：Φ1.0 mm击针时为8 cm；Φ1.7 mm击针时为19 cm；Φ3.0 mm击针时为40 cm。因此，为了方便比较，将该实验中的击针对火帽的撞击能量（E=mgh）进行了统一，即：落锤质量（m）为2 kg，落锤高度（h）为40 cm。按图3所示方法用不同直径击针对无起爆药火帽进行实验，结果见表1和图8。

a. Φ1.0 mm

b. Φ1.7 mm

c. Φ3.0 mm

图8 不同直径击针撞击后火帽破坏和铅柱受冲击情况

Fig.8 The damage of primers and impact situation of lead pillars after the impact by firing pins with different diameters

从图8可以看出：

（1）Φ1.0 mm的击针撞击火帽后，火帽壳和火台仍然完整地结合在一起，且与其相邻的铅柱端面没有任何形变或受冲击的痕迹，同时，火帽发火时听不到爆炸响声。这些现象表明：用Φ1.0 mm的击针撞击火帽时，火帽发火时的力学输出特性为反应产生的气体压力很小，气体冲击力几乎没有。

（2）Φ1.7 mm的击针撞击火帽后，火帽壳和火台发生了分离，火帽壳被剪切成两块（火帽壳底与火帽壳侧面发生了分离，且形状较为规整），同时与其相邻的铅柱端面有较大近似半球形的凹面（约5 mm直径，深约0.5 mm）。另外，火帽发火时能听到较小的爆炸响声。这些现象表明：用Φ1.7 mm的击针撞击火帽时，火帽发火时的力学输出特性表现为类似于火药快速燃烧时对外做功的力学特性。

（3）Φ3.0 mm的击针撞击火帽后，火帽壳变成了碎块（三片以上），且形状不规整。同时与其相邻的铅柱端面出现不规则的且开口较小的深坑（约2 mm直径，深约1 mm），这符合爆炸的近距离作用特性（即猛度特性），且火帽发火时听到的爆炸声较大。这些现象表明：用Φ3.0 mm的击针撞击火帽时，火帽发火时的力学输出特性表现为类似于炸药爆炸的猛度力学特性。

为了进一步验证上述实验结果，用一种含起爆药（该火帽的击发药配方：在上述的无起爆药火帽的击发药配方基础上外加20%的起爆药叠氮化铅，其它技术参数不变）撞击火帽进行对比实验。

实验结果显示，不论使用哪种直径的击针，只要发火，其结果几乎都是一样的，即火帽发火后，火帽壳变为多个碎片，验证铅柱端面的炸痕明显，爆炸声很大，与表1中Φ3.0 mm的击针情况类似。这说明含有起爆药的火帽，其力学输出特性只有一种形式，即类似于炸药爆炸的猛度力学特性，同时也表明无起爆药型火帽具有与含起爆药型传统火帽不同的独特输出形式。

这种无起爆药撞击火帽有至少三种不同的反应形式（缓慢燃烧、爆燃或爆炸），且其不同的输出形式是与撞击击针的直径相关联的。这一现象可以从以下几个角度进行解释。

其一、在相同的总撞击能量（E=mgh）下，撞击击针的直径大小直接影响其将撞击能量转化为火帽发火所需要的发火能量的效率。

击针直径小（如Φ1.0 mm），总撞击能量加载到火帽中药剂上的有效撞击能较少，因此产生的热点较少，但热点强度较大，因为击针直径小，穿破火帽壳所消耗的能量相对较少，导致击针撞击到药剂时的初速度较高。由于无起爆药火帽中的击发药为钝感的烟火剂，它发生爆燃或爆炸所需要的热点数量和强度要远高于含起爆药型火帽，因此，如此少量的热点要形成爆燃或爆炸的概率当然很小，但其热点的强度较高，因此可以引起火帽的低速燃烧反应。随着击针直径的增大，其与火帽壳撞击的面积变大，于是传递给击发药的有效撞击能就增多，使药剂内部产生热点变多，多个热点汇聚，能快速提升药剂的质量燃耗率，从而导致燃烧加速，以至于由慢速燃烧发展为爆燃或爆炸^[12,13,14]。

其二、无起爆药型击发药，其燃烧转爆炸的临界直径较大。

本火帽中的击发药为可燃剂钛粉和氧化剂高氯酸钾，其爆炸的临界直径肯定远大于起爆药型击发药。前者的临界直径一般最小为几毫米，甚至几十毫米（当然，这还与药剂的粒度等多种因素相关联），而后者的临界直径一般为1 mm以下^[15]。随着击针直径增大，实际上在变相地增大其无起爆药型击发药的有效装药直径，从而造成火帽输出形式与其击针直径大小相关的现象。

其三、火帽中的击发药在受撞击时产生的剪切和流变强度影响火帽反应形式^[16]。

由于火帽是采用压制的方法进行装药的，因此火帽径向上必然存在药剂密度的差异：一般情况下，中心部分的密度大且相对均匀，药剂密度自中心向周围逐渐变小。击针直径较小时，主要撞击火帽中心位置药剂，由于该处药剂密度均匀，因此产生的剪切和流变强度较小，因此热点强度就较弱（即热点温度低、热点体积小、热点持续时间短）；随着击针直径增大，击针不仅能撞击中心药剂，还能撞击到与中心部分存在密度差的周围药剂，这时会产生较强的剪切和流变，因此就产生了较多、较强的热点，从而加速了燃烧反应，甚至出现爆炸的反应形式。

含起爆药撞击火帽只发生爆炸反应，这可能与起爆药一旦发火，其燃烧转爆轰的成长期特别短有关，从而导致火帽中的击发药整体只能以爆炸反应形式进行。

3.2 火帽火焰输出特性

按图5所示方法，用不同直径击针对无起爆药火帽进行实验，结果如图9所示。

图9 不同直径击针撞击火帽后，火焰输出情况

Fig.9 The flame output situation from the primes hit by firing pins with different diameters

NOTE: a. Φ1.0 mm b. Φ1.7 mm c. Φ3.0 mm

从图9可以看出：（1）Φ1.0 mm的击针撞击无起爆药火帽时，从火帽火台输出孔中输出的仅仅是一点微弱的火光。这表明：用Φ1.0 mm的击针撞击火帽时，火帽发火时的火焰输出特性表现为火焰很弱且长度很短。（2）Φ1.7 mm的击针撞击无起爆药火帽时，从火帽火台输出孔中喷出大量的炽热燃烧物且发出较为明亮的火焰，且火焰的持续时间长达250 μs。从其火焰持续时间长达250 μs角度看，可以判断出火帽中的击发药是应该以快速燃烧形式进行反应的。明亮的火焰也说明其燃烧较为充分，燃烧物温度较高。这表明：用Φ1.7 mm击针撞击火帽时，火帽发火时的火焰输出特性表现为火焰明亮且持续时间长。（3）Φ3.0 mm的击针撞击无起爆药火帽时，从火帽输出孔中喷出非常明亮的火焰，其火焰的持续时间大约50 μs。这表明：用Φ3.0 mm的击针撞击火帽时，火帽发火时的火焰输出特性表现为火焰明亮但持续时间较短。

用Φ1.7 mm的击针撞击火帽时，输出的火焰虽然不如Φ3.0 mm的击针那么明亮，但其持续时间最长，约为后者的5倍。这是因为前者发生的是爆燃反应，爆燃反应对火帽的壳体等周围破坏性小，相对完整的火帽壳体迫使大多数燃烧产物或中间产物从火台孔中定向排出，因此前者的火焰持续时间相对较长。

3.3 火帽残渣输出特性

为了更好地说明无起爆药火帽（Ti+KClO₄）的残渣输出特性，按如图6所示方法用不同直径击针对无起爆药火帽（Ti+KClO₄）和含叠氮化铅起爆药（LA）的火帽（LA+Ti+KClO₄）进行对比实验，每组50发。实验结果见表2。

从表2可以看出：（1）Φ1.0mm的击针撞击无起爆药火帽时，从火帽火台输出孔中输出的炽热残渣几乎为零。直径1.7 mm的击针撞击无起爆药火帽时，从火帽火台输出孔中喷出炽热残渣约为645 mg（50发），平均每发12.9 mg。直径3.0 mm的击针撞击无起爆药火帽时，从火帽火台输出孔中喷出炽热残渣约为385 mg（50发），平均每发7.7 mg。这表明：用Φ1.0 mm击针撞击火帽时，火帽发火时的残渣输出特性表现为很弱，用Φ3.0 mm的击针次之，而用Φ1.7 mm的击针产生的残渣最多。（2）对于含起爆药的火帽，不论用哪种直径的击针，其输出的残渣质量几乎相同，约325 mg（50发）左右，平均每发为6.5 mg。

用Φ1.7 mm的击针撞击火帽时，输出的残渣比Φ3.0 mm的击针多，约为后者的1.7倍。这是因为前者发生的是爆燃反应，其对火帽的壳体等周围破坏性小，相对完整的火帽壳体迫使燃烧产物或中间产物（包括炽热固体残渣）从火台孔中定向排出。因此前者的残渣量要多于后者。而含起爆药撞击火帽，用不同直径的击针撞击火帽，其残渣输出质量几乎相同（平均每发6.5 mg），且比用Φ3.0 mm击针撞击的无起爆药撞击火帽的残渣输出质量（平均每发7.7 mg）略小，这是因为含起爆药火帽除了含有钛粉和高氯酸钾外，还含有一定量的起爆药LA，LA发火产生的残渣相对较少。

3.4 火帽综合输出特性

为了更好地说明无起爆药火帽（Ti+KClO₄）的综合输出特性（用50%特性点火距离L表示），按如图7所示方法用质量2kg的落锤、不同直径击针对无起爆药火帽（Ti+KClO₄）和含叠氮化铅起爆药（LA）的火帽（LA+Ti+KClO₄）进行对比实验，采用升降法找出它对被点火火工品50%发火的点火距离。实验结果见表3。

从表3可以看出：（1）Φ1.0 mm的击针撞击无起爆药火帽时，其综合输出特性为零，即它几乎点不着被点火的火工品。Φ1.7 mm的击针撞击无起爆药火帽时，其综合输出特性为94 mm。Φ3.0 mm的击针撞击无起爆药火帽时，其综合输出特性为52 mm。这表明：用Φ1.0 mm的击针撞击火帽时，火帽其综合输出特性表现为很差，用Φ3.0 mm的击针次之，而用Φ1.7 mm的击针点火能力最强。

从表3中，还可以看出，对于含起爆药的火帽，不论用哪种直径的击针，其综合输出特性几乎相同，约32 mm。

火帽的点火能力与火帽的输出火焰持续时间和炽热固体残渣量成正相关性。由于Φ1.7 mm的击针撞击无起爆药火帽时输出的火焰持续时间和炽热固体残渣量都远大于其它直径的击针和含起爆药火帽，因此其综合输出特性最强。

4 结 论

（1）当用Φ1.0 mm的击针撞击该无起爆药火帽时，它只发生缓慢燃烧反应。当用Φ1.7 mm的击针撞击无起爆药火帽时，火帽发生爆燃反应。当用Φ3.0 mm的击针撞击无起爆药火帽时，火帽发生爆炸反应。而含起爆药撞击火帽只发生爆炸反应。

（2）无起爆药撞击火帽以爆燃反应形式发火时，其输出火焰的持续时间、残渣质量和50%特性点火距离等都明显高于其以其它反应形式，也明显高于该火帽的同配方系列中的含起爆药撞击火帽。

（3）无起爆药火帽不仅提高了火帽的制造和使用安全性，其独特的输出特性在火工品序列设计中还具有一定的实际应用价值，比如，若火帽作为引燃类火工品使用时，选择合适的撞击能量，让它发生爆燃反应，能提高火帽点火能力；若火帽作为起爆类火工品使用时，选择较大的撞击能量，让它发生爆炸反应，取代制式含起爆药撞击火帽起爆下一级火工品。

（责编：王艳秀）

参考文献