近年來，國民經(jīng)濟的快速發(fā)展推動了汽車的需求量急速擴張，加速了汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2011年我國汽車產(chǎn)銷量達(dá)到1850萬輛，相關(guān)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造的產(chǎn)值近4萬億元，汽車產(chǎn)業(yè)已成為國家支柱產(chǎn)業(yè)之一。汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為汽車零部件提供了發(fā)展基礎(chǔ)；作為汽車重要零部件的汽車安全氣囊在國家政策的引導(dǎo)下，越來越普及，已成為乘用車的標(biāo)準(zhǔn)配件[1-4]；隨著生活水平的提高，促使人們越來越關(guān)心安全，為汽車安全氣囊氣體發(fā)生器提供了越來越廣闊的市場空間。

　　摘要：本文以充氣式發(fā)生器的氣體發(fā)生劑為背景進(jìn)行探索，研究了堿式硝酸銅比例分配對硝酸胍燃燒性能的影響。通過實驗分析，隨著堿式硝酸銅質(zhì)量百分含量的增加，配方的燃速得以增加。

　　關(guān)鍵詞：燃燒性能,氣體發(fā)生劑,堿式硝酸銅

　　安全氣囊通常由傳感器、控制器、氣體發(fā)生器、氣囊等部分組成[5]。其中以氣體發(fā)生器尤為重要，它是安全氣囊氣囊系統(tǒng)的核心部件，在汽車發(fā)生碰撞時，它能在50ms內(nèi)迅速使氣囊充氣膨脹，保證乘員生命安全[6-8]。氣體發(fā)生器由氣體發(fā)生劑和金屬零部件組成。氣體發(fā)生劑是指燃燒后產(chǎn)生氣體的各種物質(zhì)，屬于固體推進(jìn)劑的一個種類[9]，把氣體發(fā)生劑裝入氣體發(fā)生器中，在車輛發(fā)生碰撞時引發(fā)，產(chǎn)生大量的氣體，充滿氣囊的囊體。汽車安全氣囊氣體發(fā)生劑前期主要是疊氮化鈉類型的氣體發(fā)生劑配方，具有燃燒穩(wěn)定、燃溫低、易點火、內(nèi)壓低、產(chǎn)氣率高、殘渣少等很多優(yōu)點。但是在生產(chǎn)過程中有許多缺陷，如易與重金屬反應(yīng)造成燃燒爆炸事故；同時疊氮化鈉是劇毒物質(zhì)，0.05g以上計量可致人死亡；最后是難于回收、易于泄露等環(huán)保問題。這些缺陷導(dǎo)致在后期的氣體發(fā)生劑研發(fā)過程中，很少或不使用疊氮配方。

　　目前，世界上各大氣體發(fā)生器生產(chǎn)公司和研究機構(gòu)紛紛在研究無毒型氣體發(fā)生劑[10]，無毒型氣體發(fā)生劑也稱為非疊氮類氣體發(fā)生劑，主要使用的是高能量、低感度、大產(chǎn)氣量、環(huán)保、價廉的物質(zhì)。最常用的是硝酸胍作為可燃物質(zhì)的配方。硝酸胍因為其本身便宜、感度低、安全性佳、產(chǎn)氣量大、無毒等優(yōu)點，成為目前國內(nèi)外主流的氣體發(fā)生劑物質(zhì)。但是其也有缺點：由于硝酸胍本身燃燒速度很慢，這就需要很多金屬硝酸鹽作為氧化劑，并且不同廠家的配方中存在一定的催化劑和工藝添加劑。

　　本文研究了以硝酸胍為可燃物、堿式硝酸銅為氧化劑作為基礎(chǔ)配方，說明了不同比例分配和堿式硝酸銅粒度對硝酸胍配方性能的影響，制作的氣體發(fā)生劑以安全氣囊氣體發(fā)生器要求為標(biāo)準(zhǔn)，分析了工藝性能對發(fā)生器壓力的影響。

　　一、實驗

　　1.配方設(shè)計

　　2.配方制備工藝

　　按照上述配方稱量完成的物料，需要經(jīng)過混合、造粒、壓片、烘干、裝配的制造工藝�；旌瞎に囀褂玫脑O(shè)備為5L多項運動混合機，輔助混合介質(zhì)為瓷球，加入量為物料重量的40%。造粒工藝為手工造粒工藝。壓片工藝使用的設(shè)備為22沖旋轉(zhuǎn)壓片機。烘干工藝使用設(shè)備為電烘箱，裝配工藝為手工裝配。

　　3.測試儀器及實驗方法

　　壓力測試采用自制的壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測定發(fā)生器的壓力時，首先開啟壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，然后將標(biāo)定準(zhǔn)確的傳感器連接在60L壓力容器測試罐體上，再將如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)試驗發(fā)生器固定在工裝上，安裝于60L壓力容器測試罐內(nèi)，最后連接點火系統(tǒng)，準(zhǔn)備工序完成后，啟動壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對發(fā)生器進(jìn)行點火，壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對60L容器內(nèi)的壓力進(jìn)行實時采集，工作完成后形成一條完整的壓力曲線。

　　二、結(jié)果與分析

　　按照上述實驗方法及內(nèi)容，實驗過程分析如下。

　　1.混合的影響

　　使物料充分混合。在混合過程中，發(fā)現(xiàn)A、B、C、D配方存在不同程度的粘壁現(xiàn)象，A配方粘壁最為嚴(yán)重，側(cè)壁藥粉較厚，而D配方粘壁量較少，這些粘壁效應(yīng)在一定程度上影響了配方的混合均勻性，E、F、G配方較好，不存在粘壁現(xiàn)象。

　　由于選用的硝酸胍粒度較小，為20μm以下，分子的靜電吸附力比較強，所以容易吸附在混合桶的側(cè)壁上，由于A、B、C、D配方的硝酸胍含量較大，在70%以上，在物料投入混合機后，硝酸胍就吸附在側(cè)壁上，同時堿式硝酸銅加入量較少，不足以完全包覆硝酸胍，所以造成配方在混合過程中粘壁現(xiàn)象比較嚴(yán)重。但隨著堿式硝酸銅含量的增加，堿式硝酸銅能夠包覆硝酸胍，從而不會出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象。

　　2.造粒的影響

　　造粒使用的是臥式捏合機，加入一定比例的粘合劑，本文使用的是純凈水，進(jìn)行粘合預(yù)混，然后使用搖擺顆粒機進(jìn)行造粒。在這個步驟當(dāng)中，A配方同樣出現(xiàn)了藥劑附著搖擺顆粒機的現(xiàn)象，當(dāng)進(jìn)行到G配方時，藥劑能夠順利出粒。

　　這步可以看出，由于硝酸胍的粘性較大，在硝酸胍比例較大的配方中，容易出現(xiàn)配方附著搖擺顆粒劑現(xiàn)象，但隨著堿式硝酸銅比例的增加，物料可造粒性明顯增強。

　　3.配方的理化性能

　　配方造粒完成后，對各個配方進(jìn)行了DSC和爆熱分析，分析結(jié)果見圖2中圖a、圖b、和圖c。

　　從圖1、圖2和圖3中可以看出，隨著堿式硝酸銅質(zhì)量百分含量的遞增，配方的吸熱峰、放熱峰和爆熱值逐漸遞減。堿式硝酸銅分解是吸收熱量的，隨著堿式硝酸銅的增加，降低了配方的分解溫度，同時產(chǎn)生的熱量也逐漸降低。

　　4.壓片性能的影響

　　藥片壓制使用的是22沖旋轉(zhuǎn)式壓片機。

　　由于藥劑配方中沒有加入第三種物質(zhì)，硝酸胍的物性又比較黏稠，所以在壓片過程中，都存在不同程度的粘�，F(xiàn)象，從設(shè)備的運行情況和壓制成型藥片看，各個配方?jīng)]有明顯的區(qū)別。

　　同時壓制藥片時壓制的運行壓力都比較偏大，壓制其它類型的藥片時，壓力在15N～25N之間進(jìn)行波動，而壓制該7種配方時，壓力都在20N以上，而且最高值達(dá)到了40N。

　　所以，硝酸胍和堿式硝酸銅配方的壓藥要求，較其它類型的藥劑對設(shè)備的要求比較高，對設(shè)備的損耗比較大。對壓制好的藥片進(jìn)行了藥片的強度測試，測試結(jié)果見圖d。

　　從測試數(shù)據(jù)看，隨著堿式硝酸銅的量在配方中逐漸增加，藥片的強度逐漸增加，增加到50%時達(dá)到最大值137N，而后又呈現(xiàn)降低趨勢。

　　5.壓力容器性能

　　將壓制完成藥片，裝配在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器中。然后在60L容器內(nèi)測試發(fā)生器的壓力。

　　5.1最大壓力性能

　　從表2可以看出，總體趨勢隨著堿式硝酸銅質(zhì)量百分含量的增加，最大壓力在增大，質(zhì)量含量為50%的堿式硝酸銅壓力最大，而后減小。堿式硝酸銅的質(zhì)量百分含量達(dá)到50%時壓力最大，這應(yīng)與配方的氧平衡有關(guān)，經(jīng)過理論計算，硝酸胍和堿式硝酸銅的零氧平衡點在51：49，因此F配方的燃燒速度最快。

　　5.2最大壓力時間的影響

　　從表3可以看出，由于A配方到E配方燃速較慢，如圖d所示，發(fā)生器點火后，點火產(chǎn)生的能量點燃了距離點火處最近的產(chǎn)氣藥，形成了一定的內(nèi)部壓力，在內(nèi)壓作用下，藥片逐層進(jìn)行緩慢的穩(wěn)定燃燒，A、B、C、D、E配方由于氧平衡的關(guān)系，負(fù)氧太多，燃速太慢，前一層藥片燃速產(chǎn)生的熱量還沒來得及點燃后一層的藥片就熄滅了，所以燃燒了有限的藥量，因此最大壓力表現(xiàn)為小于0.020s。當(dāng)堿式硝酸銅百分含量達(dá)到50%后，達(dá)到了氧平衡點，在發(fā)生器點火后，點火產(chǎn)生的能量點燃了距離點火處最近的產(chǎn)氣藥，迅速進(jìn)行了逐層燃燒，全部產(chǎn)氣藥都燃燒完全，形成了最大壓力的時間在1.5s左右，說明堿式硝酸銅的增加，提高了配方的燃燒速度，改善了配方氧平衡，使產(chǎn)氣藥燃速完全。

　　三、總結(jié)

　　通過對配方的工藝性能試驗和發(fā)生器性能測試，可以看出，配方制作過程中，流動性能較差；同時配方中使用堿式硝酸銅不能明顯改善硝酸胍的燃燒性能，最大壓力不高，最大達(dá)到140kPa，進(jìn)而造成最大壓力時間不均一。

　　從測試性能數(shù)據(jù)分析，隨著堿式硝酸銅比例的增加，配方的燃速逐漸增加，但是當(dāng)達(dá)到50%以上時，燃速又下降，說明50%的比例是一個臨界點。通過發(fā)生器性能測試，使用堿式硝酸銅和硝酸胍的配方可以制作慢燃速的氣體發(fā)生器，可以應(yīng)用于易損部位的充氣裝置。

　　為了更加有效的使用硝酸胍和堿式硝酸銅配方，下一步工作需要對催化劑和工藝添加劑進(jìn)行探索，進(jìn)一步提高配方的燃速，滿足快速充氣環(huán)境的使用要求。

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