Page 37 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

1058 张彬，任炜，褚恩义，赵玉龙，尹明，李慧

图 4 不同桥形微结构换能元流固换热对比
Fig.4 Comparison of the fluid⁃solid heat transfer for microstructure energy conversion components with different bridge shapes

最大，产生热量多且相对集中，故最易断桥。F⁃150 桥 F⁃150 桥形换能元温升速率最慢。红外测试结果与仿
形流固换热发生在桥区中心位置，是由于桥区结构简 真测试结果略有差异，但 V⁃50 和 L⁃1 桥形换能元温升
单，未做局部结构，整个桥区热量分布均匀，热量叠加 速率依旧在最前列。
导致桥区中心温度最高，故最先发生流固热交换；L⁃1 不同桥形微结构换能元桥区临界熔断电流值见表 2。
桥形仿真流固热交换区域在中心区域，而非两侧，分析 由表 2 可知，8 种不同桥形换能元的桥区临界熔断电流
认为与最初设计的两侧 15 μm 长的线宽有关；S⁃150 值不同，这说明在微结构换能元桥区材料相同条件下，
桥形流固热交换既不在桥区两侧，也不在桥区中心处， 桥区临界熔断电流值与其设计桥形结构密切相关。因
这是由于该桥形特点造成的，S⁃150 桥形首先在桥区 此，在微结构换能元桥形结构设计时需要综合考虑桥
中心上下两侧热量集中产热，随着通电时间的增加，热 区熔断电流、温升速率等因素。
量累积叠加导致桥区中心位置温度最高。通过对 8 种
表 2 不同桥形微结构换能元桥区临界熔断电流值
桥形流固换热过程的仿真分析研究，不仅能够有效判 Table 2 Bridge area fusing current of microstructure energy
断桥区点火后断桥位置，更重要的是可以根据发火性 conversion components with different bridge shapes
能要求，进一步改善 MEMS 换能元的设计结构。 bridge bridge fusing current / mA
2.3 微结构换能元红外测试 V⁃50 250
V⁃100 300
为了获得换能元的恒流响应特性，同时验证仿真
F⁃150 325
研究结果，采用红外测试仪 ThermaCAM SC3000 在恒 T⁃50 225
流（200 mA）激励条件下，对 8 种桥形换能元进行了红 T⁃100 250

外测试，其温升曲线如图 5 所示。由图 5 可见，在相同 S⁃100 225
恒 流 激 励 条 件 下 ，L⁃1 桥 形 换 能 元 温 升 速 率 最 高 ， S⁃150 300
L⁃1 225

3 微结构换能元发火性能测试

针对 8 种桥形微结构换能元，进行电容发火性能
试验，发火电路如图 6 所示，电容为 100 μF，试验同时
采用示波器采集电流、电压随时间变化的曲线，试验在
隔爆间里进行。其中换能层材料采用 NiCr 合金，火工
药剂为史蒂芬酸铅，试验样品如图 7 所示，将换能元粘
图 5 不同桥形换能元恒流激励下的温升（200 mA）
Fig.5 Temperature rise under the constant current excitation 贴到设计的印制电路板（Printed Circuit Boards，PCB）
of 200 mA for energy conversion components with different 上，利用超声波焊接将换能元与 PCB 板实现电导通，
bridge shapes 便于施加电激励进行发火性能试验。

Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.26, No.12, 2018（1056-1060） 含能材料 www.energetic-materials.org.cn