静电感度测试（ESD）技术详解

将超过4～30 kV／cm（空气的介电场强度为30 kV／cm）的静电场强度加载在纳米铝热剂上时，产生的电火花无意间会使其点燃。

虽有大量关于高能炸药的ESD点火感度的文献，但关于铝热剂静电感度的研究却很少。图3.21列举了用来测量纳米铝热剂ESD点火感度的实验装置。测量铝热剂Al／Bi2O3、Al／CuO和Al／Fe2O3的最小点火阈值能量分别为＜1 mJ、50 mJ和1 mJ。

表3.5给出了Bi2O3粒径对铝热剂ESD点火感度的影响。平均粒径为2.4μm、416 nm和80 nm的Bi2O3分别与平均粒径为80 nm的纳米铝颗粒超声混合，化学计量比为φ＝1。结果见表3.5。由表3.5可知，降低氧化剂尺寸会降低铝热剂的最小点火能量，进而使铝热剂的ESD点火感度提高。

图3.21　ESD测试装置

表3.5　氧化剂Bi2O3尺寸对Al／Bi2O3铝热剂最小ESD点火能量的影响

通过分析ESD测试结果可知，大部分铝热剂混合物在点火能量低至118μJ时便可被点燃，比人类储能容量小约170倍。

Nellums等［NEL 13］发现使用极性溶剂N，N－二甲基甲酰胺（DMF）在共振混合器中制备固体含量体积分数为30%的Al／Bi2O3纳米铝热剂，该铝热剂比干燥后铝热剂粉末的ESD感度低5个数量级。

Foley等［FOL 07］发现在Al／CuO纳米铝热剂中添加Viton A后，临界ESD点火能量会提高。他们认为添加Viton A会增加体系的电阻系数，进而导致最小点火能量阈值增加（即ESD感度增加）。Beloni等［BEL 10］通过研究微米铝颗粒的火花感度测试了金属燃烧的ESD点火延迟时间。铝颗粒的粒径分别为约4μm和12μm，测试结果表明，铝颗粒燃烧时间与焦耳能量线性相关。当放电火花能量增加时，点火延迟时间和燃烧时间变短［BEL 09］。分析结果认为，单个铝颗粒被火花加热后，焦耳热量随后会加热和氧化其余颗粒。(https://www.xing528.com)

Weir等［WEI 13a］通过电火花点火实验探究了不同铝基微米铝热剂（Al／CuO、Al／MoO3、Al／Fe2O3、Al／I2O5、Al／Bi2O3和Al／C2F4）的电导率与ESD感度之间的关系，结果如图3.22所示。

图3.22　不同铝热剂体系电导率与ESD点火的关系（点火能量为10 kV）［WEI 13a］（版权2013，爱思唯尔出版集团）

用ESD引燃纳米铝热剂体系的实验目前只有针对Al／CuO的体系。由图3.23可知，在ESD点火时，点火功率和材料电阻可能比ESD触发值高或者低，探究其原因需要更加具体全面地研究电阻率和ESD感度间的关系。由于样品中的铝颗粒完全一样，所以氧化剂种类成为影响ESD点火的主要因素。Weir等［WEI 13b］证实了当颗粒尺寸变小时，电导率急剧增加，进而导致ESD点火感度增加。总之，电导率随铝颗粒表面积与体积比的增加而线性增加。此外，铝颗粒表面惰性氧化壳的存在也会提高体系的点火感度。

图3.23　不同铝热剂体系的发火能量与电阻的关系（圆形对应最小发火能量，星形对应不发火的最大能量）［WEI 13b］

众所周知，仅通过掺入不足1%的碳便可以显著降低纳米铝热剂的ESD感度而不会影响其活性。

【注释】

[1]能够加热活性混合物直至点火温度的方法或器件。