高沖擊下引信用固態(tài)鉭電容的參數(shù)變化

李長龍，高世橋，牛少華，劉海鵬

(北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

智能引信通常用于判斷戰(zhàn)斗部最佳起爆位置、最優(yōu)起爆時機(jī)以及確保能夠安全引爆戰(zhàn)斗部，而鉭電容在智能引信中起著貯能、點火、解耦、延時等作用。因此，鉭電容的質(zhì)量對智能引信的起爆控制系統(tǒng)起著決定性的作用。當(dāng)炮彈發(fā)射時，會產(chǎn)生突發(fā)性高機(jī)械沖擊載荷，鉭電容經(jīng)受高沖擊載荷作用時會發(fā)生特性變化。鉭電容在高沖擊載荷下的參數(shù)變化特性是決定智能引信實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵因素之一。

針對鉭電容在環(huán)境載荷下的參數(shù)變化特性已做了許多研究。徐建軍研究了鉭電容在高溫下的漏電流變化現(xiàn)象[1],Alexander研究了鉭電容在機(jī)械振動、反偏電壓作用下的電參數(shù)變化特性[2-3],程融發(fā)現(xiàn)鉭電容在沖擊應(yīng)力下易出現(xiàn)瞬時短路的現(xiàn)象[4],何榮華等對高過載下軍用電容的失效進(jìn)行了探討，并分析了電容失效對引信的影響[5]。

雖然關(guān)于鉭電容的參數(shù)變化問題已做了大量研究，但有關(guān)參數(shù)變化的影響因素主要集中在振動、溫度等環(huán)境載荷方面，而針對沖擊載荷對鉭電容影響的研究比較少。即使有關(guān)于鉭電容經(jīng)受沖擊載荷作用的研究也主要集中在實驗現(xiàn)象上，而缺少對引起參數(shù)變化的內(nèi)部機(jī)理的分析。本研究首先通過實驗手段分析了鉭電容在沖擊載荷作用下電容量、漏電流的變化特性，然后對電參數(shù)變化特性分析其內(nèi)在機(jī)理。

1 實驗設(shè)計

1.1 鉭電容結(jié)構(gòu)

固態(tài)鉭電容主要包括陽極Ta、電介質(zhì)Ta2O5、陰極MnO2。陽極Ta是由鉭粉壓制燒結(jié)而成，因此具有多孔性，有助于增大內(nèi)部接觸面積，提高電容容值。Ta2O5介質(zhì)通過陽極氧化，形成于陽極Ta的外表面。將鉭棒浸入錳鹽溶液中并熱分解，形成陰極MnO2。鉭電容的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 鉭電容實驗測試

鉭電容用于智能引信中，需要經(jīng)受瞬間強(qiáng)沖擊載荷的作用，在沖擊載荷作用下鉭電容性能的變化為其電容量和漏電電流的變化。馬歇特錘試驗裝置能夠產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊載荷，載荷范圍在0～50 000g之間，能夠在試驗中模擬鉭電容的實際使用工況。因此，使用馬歇特錘擊設(shè)備測試鉭電容的電容量和漏電流。實驗過程中，選取4種不同類型的鉭電容進(jìn)行測試，將被測鉭電容焊接在電路板上，電路板采用螺紋連接與擊錘固定在一起。擊錘安裝于固定在偏心輪的錘桿上。實驗時使用偏心輪將擊錘升至一定高度，用卡齒固定。卡齒放開后，依靠偏心輪下方的重錘作為動力，擊錘擊打在鐵錠上產(chǎn)生沖擊載荷。使用壓電式加速度計實時記錄沖擊過載值。使用漏電流測試儀(Keithley 6487 Picoammeter)監(jiān)測鉭電容漏電流隨沖擊作用的變化，動態(tài)信號分析儀記錄皮安表輸出。使用阻抗分析儀(Agilent 4294A)記錄電容量的變化。傳感器型號為PCB 350B21，靈敏度為0.05 mV/g，量程為±100 000g。在電容充電5 min后進(jìn)行實驗，實驗過程中，采用步進(jìn)沖擊方法，逐步增大沖擊g值，觀察鉭電容電參數(shù)的變化。實驗系統(tǒng)如圖2所示。鉭電容參數(shù)及測量范圍如表1所示。

電容型號數(shù)量電容量測量范圍/μF測量精度/μF誤差/%漏電流測量范圍/mA測量精度/mA誤差/%16V22μF16V47μF25V22μF25V47μF16K22616K47625K22625K47655550^47±0.0199.98^100.020^2±0.0199.5^100.5

2 實驗結(jié)果

圖3為鉭電容的額定電容隨沖擊載荷變化的情況。從實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電容量隨沖擊載荷的變化而發(fā)生變化。對于16 V22 μF鉭電容，在施加1 000g沖擊后，電容量有0.1 μF的升高；持續(xù)增加沖擊載荷，在3 000g時電容量增加0.15 μF；當(dāng)沖擊值達(dá)到10 000g時，電容量升高0.4 μF對于16 V47 μF鉭電容，在施加1 000g沖擊后，電容量有0.15 μF的升高；在3 000g時電容量增加0.2 μF；當(dāng)沖擊值達(dá)到10 000g時，電容量升高0.45 μF。對于25 V22 μF鉭電容，與沖擊載荷對應(yīng)的電容量變化為0.12、0.17和0.45 μF；對于25 V47 μF，電容量對應(yīng)的變化為0.13、0.19和0.50 μF。沖擊完成后，電容量恢復(fù)至原來的額定值。

圖4為漏電流隨沖擊載荷的變化情況。電容接通電源后，涌入的電流為充電電流，充電電流開始很大，隨著時間延長(≥5 min)而下降穩(wěn)定在遠(yuǎn)小于額定電流的特定值，此時的電流為漏電流。實驗過程中，沖擊值從1 000g開始逐漸增加。從實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，漏電流變化趨勢與沖擊載荷變化相一致。對于16 V22 μF電容施加1 000g的沖擊后，漏電流增加一個數(shù)量級，當(dāng)沖擊值增加到3 000g時，漏電流約為0.15 mA，隨著沖擊值的增大，漏電流逐漸增加。當(dāng)沖擊值達(dá)到10 000g時，漏電流達(dá)到0.25 mA。對于16 V47 μF電容，施加1 000g的沖擊后，漏電流達(dá)到0.28 mA，當(dāng)沖擊值增加到3 000g時，漏電流約為0.4 mA，當(dāng)沖擊值達(dá)到10 000g時，電容漏電流達(dá)到0.6 mA。對25 V22 μF電容施加1 000g的沖擊后，漏電流約為0.13 mA，當(dāng)沖擊值增加到3 000g時，漏電流約為0.44 mA，當(dāng)沖擊值達(dá)到10 000g時，漏電流達(dá)到0.9 mA。對于25 V47 μF電容，施加1 000g的沖擊后，漏電流達(dá)到0.4 mA，當(dāng)沖擊值增加到3 000g時，漏電流約為0.6 mA，當(dāng)沖擊值達(dá)到10 000g時，電容漏電流達(dá)到1.7 mA。

如圖4所示，當(dāng)沖擊載荷結(jié)束后，4組鉭電容的漏電流經(jīng)過一段時間后恢復(fù)到原始水平。即使漏電流達(dá)到很高的量級，在鉭電容未被擊穿時，沖擊過后，漏電流依然能恢復(fù)到原來的水平。這種特性稱為鉭電容的自愈特性。

智能引信能夠引爆戰(zhàn)斗部，要求鉭電容中存儲的能量必須大于電雷管的安全起爆能量。由于鉭電容在沖擊載荷作用下漏電流增大，則電容中儲存的能量以漏電流的形式出現(xiàn)損耗。當(dāng)鉭電容剩余的能量大于電雷管需要的發(fā)火能量時，才能可靠引爆電雷管，可靠實現(xiàn)智能引信的功能。

圖5為引信點火電路[6]，其中電雷管起爆所滿足的條件為：

(1)

針對鉭電容允許的最大漏電流，繼續(xù)加大沖擊應(yīng)力，得出與鉭電容對應(yīng)的臨界失效沖擊載荷，如圖6所示。

由圖6可知，鉭電容漏電流在沖擊載荷作用下呈指數(shù)型升高。鉭電容臨界失效載荷及鉭電容漏電流在沖擊載荷下的變化模型如表2所示。

表2 漏電流-沖擊模型 Table 2 Numerical model of leakage current-shock load

3 電參數(shù)變化機(jī)理分析

由實驗結(jié)果可知，沖擊會引起鉭電容電參數(shù)的變化：電容量的升高及漏電流隨沖擊載荷的升高呈指數(shù)型升高。分析鉭電容電參數(shù)變化，可得沖擊載荷對鉭電容的作用機(jī)理為：彈性變形范圍內(nèi)，沖擊引發(fā)的鉭電容變形導(dǎo)致電容的變化；沖擊引起介質(zhì)層微裂縫以及沖擊引起陷阱能級的升高導(dǎo)致漏電流增大。

3.1 沖擊引起的鉭電容變形

由于鉭電容是由鉭顆粒壓制燒結(jié)而成，因此鉭電容可以看做多個鉭顆粒電容的并聯(lián)。圖7為單個鉭顆粒模型。鉭電容在受到?jīng)_擊載荷作用時，賦能顆粒發(fā)生變形，在彈性變形范圍內(nèi)，由球形顆粒變形為橢球形顆粒，然后恢復(fù)原狀。

圖7(a)所示的球形電容的電容量為：

Cs=4πεRr/(R-r)

(2)

式中：ε為介電常數(shù),F/m；R為Ta2O5外徑,mm；r為Ta半徑,mm。圖7(b)所示橢球型電容的電容量為[7]：

(3)

式中：Q為電荷量,C；U為內(nèi)外極板之間的電壓,V；w為變形量,mm。

在沖擊過程中，電容的變化量為：

(4)

沖擊作用下球形顆粒的變形見圖8。根據(jù)赫茲接觸理論得，在力F(t)作用下，在彈性變形范圍內(nèi)，兩球心O1、O2相互接近的距離為：

(5)

式中：R1、R2為兩球的半徑，μ1、μ2、E1和E2分別為泊松比及彈性模量，GPa。

則電容球形顆粒在受到?jīng)_擊作用時，球心相互接近的距離為：

δ3=9F2(t)(1-μ2)/(4RE2)

(6)

則單個球形顆粒變形量為：

(7)

在沖擊作用下，電容值的變化量為：

(8)

圖9為鉭顆粒電容隨沖擊載荷的變化。

假設(shè)鉭電容由半徑均勻一致的球體鉭顆粒電容組成，則每個鉭電容所包含的球形電容的數(shù)量N為：

N=V/∑Vi

(9)

式中：V為未封裝的鉭電容體積，Vi為Ta、Ta2O5、MnO2的體積。不同類型鉭電容包含球形鉭顆粒電容的數(shù)量及電容變化值如表3所示,圖10為不同類型電容與沖擊載荷的關(guān)系。

電容體積/mm3數(shù)量/105電容變化/μF1000g3000g10000g16V22μF2.5×2.0×1.51.070.060.120.2416V47μF4.0×3.0×0.81.370.080.160.3625V22μF3.5×2.8×1.52.100.120.240.4625V47μF4.0×3.0×1.72.920.180.320.76

由表3可知，計算值與實驗值存在偏差。分析可知造成數(shù)值偏差的原因為：由于加工鉭電容時，在外層添加石墨和銀層，而在計算時，忽略石墨和銀層，造成數(shù)值出現(xiàn)偏差；鉭電容變形時，不僅在縱向出現(xiàn)變形，橫向同樣存在微小形變，計算時未考慮橫向變形因素。

3.2 沖擊引起的漏電流變化

沖擊引起的漏電流變化是由兩種機(jī)制決定的：介質(zhì)層在沖擊下產(chǎn)生微裂縫；沖擊下電子陷阱的產(chǎn)生，Ta—O化合鍵的斷裂以及氧氣空穴的產(chǎn)生。陷阱濃度的增加使參與導(dǎo)電的電子增多，漏電流從而增大。

實驗中發(fā)現(xiàn)，在鉭電容未被擊穿時，沖擊過后，漏電流依然能恢復(fù)到原來的水平。這種現(xiàn)象可由鉭電容的自愈機(jī)理解釋。在沖擊載荷作用下，鉭電容介質(zhì)層產(chǎn)生“薄弱”區(qū)，使該區(qū)域漏電流增大。持續(xù)增大的電流使局域溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時，導(dǎo)電性良好的MnO2轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電性能差的Mn2O3，覆蓋到缺陷區(qū)域上，使“薄弱”區(qū)域處的漏電流恢復(fù)至原來的量級。

4 結(jié) 論

利用馬歇特落錘實驗對固體鉭電容進(jìn)行高過載測試，從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沖擊載荷對固體鉭電容電參數(shù)的影響主要表現(xiàn)為電容量的升高以及漏電流的增大。電容量隨著沖擊載荷的增加而增加，鉭電容漏電流隨沖擊載荷的升高呈指數(shù)型升高，沖擊過后，電容量恢復(fù)額定容值，經(jīng)過一段時間，鉭電容漏電流同樣恢復(fù)至原來的量級。同時，分析鉭電容電參數(shù)變化原因，得出引起鉭電容電參數(shù)變化的機(jī)制為：沖擊引起的鉭電容的彈性變形使電容量增大，沖擊引起的介質(zhì)層Ta2O5中的微裂縫以及沖擊引發(fā)的介質(zhì)層陷阱濃度的變化。鉭電容球形模型在沖擊載荷作用下發(fā)生彈性變形，使電容量發(fā)生改變。在沖擊載荷的作用下，介質(zhì)層缺陷處容易引發(fā)微裂縫，形成導(dǎo)電微溝道，使漏電流增大。另外，由于沖擊載荷的作用使介質(zhì)層中化合鍵產(chǎn)生斷裂導(dǎo)致電子傳導(dǎo)機(jī)制中參與導(dǎo)電的電子增多，同時由于氧空穴在Ta2O5和MnO2界面處的積累，使界面產(chǎn)生極化，界面勢壘降低進(jìn)而導(dǎo)致注入的電子數(shù)量增多，電流密度增大，漏電流升高。

[1] 徐建軍.高沖擊高溫下電引信關(guān)鍵元器件可靠性測試[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2011,31(1):151-152.

XU Jianjun. Reliability test of key components of electric fuze subjected to high impact and high temperature[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2011,31(1):151-152.

[2] TEVEROVSKY A. Effect of mechanical stresses on characteristics of chip tantalum capacitors[J]. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2007,7(3):399-406.

[3] TEVEROVSKY A. Effect of reverse bias stress on leakage currents and breakdown voltages of solid tantalum capacitors[R]. Greenbelt, MD: NASA Goddard Space Flight Center, 2011.

[4] 程融,張永錄.某型電子干擾彈引信用固體鉭電容器失效分析[J].國防技術(shù)基礎(chǔ),2009(8):28-30.

CHENG Rong, ZHANG Yonglu. Failure analysis of solid tantalum capacitors used for electronic jamming bombs fuse[J]. Technology Foundation of National Defence, 2009(8):28-30.

[5] 何榮華,張亞,李波,等.高過載下軍用電容的參數(shù)變化研究及失效分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2010,28(1):24-26.

HE Ronghua, ZHANG Ya, LI Bo, et al. Parametric variation and failure analysis of military capacitors under high overload[J]. Electronic Product Reliability & Environmental Testing, 2010,28(1):24-26.

[6] 景義林.旋轉(zhuǎn)橢球形電容器的電容與靜電能[J].大學(xué)物理,2011,30(10):25-27.

JING Yilin. The capacitance and electrostatic energy of a revolving ellipsoidal capacitor[J]. College Physics, 2011,30(10):25-27.

[7] CHIU F C. A review on conduction mechanisms in dielectric films[J]. Advances in Materials Science & Engineering, 2014,2014(7):1-18.