介电型EAP在引信上应用的可行性研究

【摘 要】 介电型EAP材料为引信安全系统设计及引信用新型发电机及传感器提供新的方法和原理，拓展并改善引信功能，为引信系统多样化设计开辟了一条新的途径。

【关键词】 介电型

1 引言

未来引信的发展趋势必然是向着小型化、灵巧化、智能化的方向发展。传统技术和材料显然难以满足这种发展趋势。新材料和新技术的应用往往会对武器系统的性能带来革命性的变革，引信技术发展的一个鲜明特色就是其具有良好的包容性，能够紧密跟随新技术的发展，在积极采用各种新技术的基础上不断创新，形成自身的特色。

现有的多种驱动原理微驱动器中，介电型EAP是电活性聚合物（EAP，Electroactive Polymer）中由电场产生的压力实现聚合物变形的一种，它作为一种新兴的驱动器材料，较其它智能材料和传统的电磁驱动等技术相比有很多优点：可直接对外做功，无需传动机构、工作环境适应性好、变形保持性能好且无能量损耗、应变大、能量密度高、效率高、响应速度快、结构简单、质量轻、价格低廉且加工制造方便等。此外，介电型EAP作为发电机，与电磁、压电等相关材料发电相比具有能量密度高、应变变形大、耐冲击、使用寿命长、投资成本低、无运动频率要求、适用范围广等优点。

20世纪90年代以来，介电型EAP吸引了不少国内外研究者的关注，他们在航空、航天、医用、机器人等多个应用领域中，开展了实验研究，但介电型EAP在引信上的应用还未见报道。通过对其性能特性进行研究，可探索将介电型EAP应用于引信上，实现新型高性能的具有可恢复式的引信安全系统及引信用传感器和新型引信用电源，对引信技术的发展具有一定的应用价值。

2 介电型EAP在引信上应用的可行性

介电型EAP材料具有较大的应变和良好的环境适应性等优点，国外已经有很多学者应用介电型EAP材料制作了各种形式的驱动器，试验证明这些驱动器具有其他类型驱动器所不具有的优异性能，如响应快、功重比大、柔性驱动、效率高等。因此可研究制作介电型EAP驱动器驱动的锁定机构、推销机构等，实现引信的保险及解除保险控制。利用介电型EAP材料较高的粘性将其直接粘着在能实现一定运动形式的机构上。通过通电、断电的方式驱动介电型EAP材料面积的扩张、伸缩，由其产生的大应变和驱动力传递给机构，从而达到驱动器的驱动控制。

介电型EAP驱动器依靠电路作用实现驱动器动作，其用在引信保险机构上，不受引信上任何环境力的影响，故不会在勤务处理中受到各种环境力而解除保险，能可靠保证武器的安全。当接到解保指令后，通过电路就能实现解保，满足引信的安全性设计准则。

利用介电型EAP材料在弯曲或拉伸时，面积的变化将引起电容的变化这一特性，可制成张力或位移传感器，通过监测电容的变化，用以实现对引信实时监测和信息反馈。利用介电型EAP材料的逆压电效应，可将其制作成柔性可变电容器，用于制造出可变容量发电机和蓄能装置，给引信低功耗信号处理电路和起爆电路供电。

3 介电型EAP在引信上应用需解决的问题

介电型EAP是一个新的、跨学科的前沿研究领域，目前大多数的研究仍处于实验室原型阶段。介电型EAP的功耗虽然小，但是变形所需的驱动电压高，给电路的设计带来了一定的问题。一般条件下，都是用高压包来提高电压，而高压包的重量又大大超过了材料本身的重量，不利于装置的轻型化。研究低压驱动的介电型EAP材料的制备及低压驱动下的材料性能成为研究者目前研究的热点。

介电型EAP材料形变过程中不容易保持平整，导致最终器件各项性能难以统一，因此制作工艺需要进一步的研究和试验。

由于引信的自身特点，将介电型EAP应用到引信上还属于一个新的课题，有一些问题需要通过试验进行验证。如：利用介电型EAP驱动器代替火药作动器或电磁锁定机构等实现引信安全系统保险解除控制技术；介电型EAP传感器在引信工作环境下的精度及可靠性；介电型EAP在引信工作环境下产生的驱动力、响应时间和行程；介电型EAP利用引信工作环境激励的发电效率；介电型EAP在引信工作环境下的可靠性和耐久性等。

4 拟采取的研究方法

为将介电型EAP应用到引信上，拟定了一套研究方法：首先，研究制作介电型EAP线性驱动器样机，并与引信火药作动器及电磁锁定保险机构等解除保险的驱动特性进行对比。将这种具有可恢复式的介电型EAP驱动器代替不可恢复式的火药作动器及电磁锁定保险机构等。根据引信工作环境的要求，通过选用合适刚度的弹簧、具有一定预拉伸率的介电型EAP材料及一定的施加电压，制作符合输出力、响应时间及行程要求的介电型EAP驱动器。并利用有限元软件进行理论仿真，然后制作介电型EAP驱动器样机进行静态情况下驱动力、响应时间和行程的测试，最后进行模拟实验，测试介电型EAP驱动器各项参数，验证理论仿真结果。并通过物理样机验证介电型EAP驱动器在引信工作环境下的可靠性及耐久性等要求。

充分研究利用引信的环境力，如后坐力的作用、空气气流的作用等，将这些环境力通过设计一定的装置，将它们的机械能转化为介电型EAP材料的发电激励，并通过建立电学模型及仿真和试验样机等手段，研究能量转换过程和能量转换关系及提高发电效率的途径，研究如何减少漏电现象及有效贮存电量，研究如何将介电型EAP的发电装置给引信低功耗信号处理电路和起爆激励电路供电。

5 结语

对介电型EAP的性能特性进行研究，将其应用到引信上，可以适应未来引信发展趋势，解决精确打击弹药及微小型武器系统对引信的体积、成本等指标提出的更高和更全面的要求，解决引信小型化、灵巧化、智能化等对引信零部件提出的结构及技术要求。介电型EAP材料为引信安全系统设计及引信用新型发电机及传感器提供新的方法和原理，拓展并改善引信功能，为引信系统多样化设计开辟了一条新的途径。