極端溫度條件典型引信電參數(shù)變化規(guī)律和失效機(jī)理

李波，張宏翔，李世中，張亞

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2. 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 防務(wù)裝備研究院，太原 030027）

引信元器件在極端環(huán)境應(yīng)力下的參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致引信電參數(shù)變化，甚至引起性能失效、彈道炸、瞎火等嚴(yán)重后果[1-6]。其中，溫度是造成引信在工作過程中失效的重要原因[7-9]，而引信在野外戰(zhàn)備狀態(tài)或發(fā)射時(shí)可能遭受極端溫度應(yīng)力。我國極端最低溫度記錄在-50 ～-60 ℃[10-11]，彈底引信在膛內(nèi)發(fā)射過程中引信外殼溫度最高可達(dá)140 ℃[12-17]。因此，研究典型引信在極端溫度應(yīng)力疊加電應(yīng)力條件下的有效試驗(yàn)方法和測(cè)試方法，對(duì)揭示引信在惡劣工作環(huán)境中的失效機(jī)理，保證引信產(chǎn)品高可靠性要求的實(shí)現(xiàn)有著重要意義[18-19]。

1 典型引信高低溫強(qiáng)化試驗(yàn)

1.1 典型引信概述

被試引信為發(fā)射前開始供電的時(shí)間固定型電子時(shí)間引信，在發(fā)射過程中需對(duì)引信二級(jí)電源（儲(chǔ)能電容）快速感應(yīng)充電，經(jīng)過固定延時(shí)，點(diǎn)火電路輸出點(diǎn)火脈沖，引爆傳爆序列。其電路由整流穩(wěn)壓模塊、二級(jí)電源儲(chǔ)能模塊、RC 振蕩電路模塊、數(shù)字定時(shí)模塊、點(diǎn)火電路模塊組成，所使用的元器件封裝形式包括表面貼裝和分立元件，其模塊電路、使用的元器件以及制造工藝具有一定的典型性。

1.2 高低溫強(qiáng)應(yīng)力場模擬

采用CZ-A 型高低溫試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)-60～150 ℃任意溫度值的設(shè)定，試驗(yàn)箱留有測(cè)試孔，可外接導(dǎo)線進(jìn)行在線測(cè)試。在高低溫環(huán)境試驗(yàn)中，2 個(gè)熱電偶分別置于被試引信的外表面和內(nèi)部，同時(shí)置于高低溫試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，通過熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線與試驗(yàn)機(jī)外部的測(cè)試系統(tǒng)相連。當(dāng)2 個(gè)溫度傳感器與試驗(yàn)機(jī)設(shè)定溫度一致時(shí)，表明引信溫度達(dá)到試驗(yàn)箱設(shè)定溫度，達(dá)到測(cè)試條件。

1.3 在線測(cè)試方法

在實(shí)驗(yàn)過程中，利用自主開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)模擬發(fā)射過程的充電脈沖為引信二級(jí)電源充電，同時(shí)全程記錄引信電參數(shù)隨時(shí)間變化曲線，自動(dòng)提取引信電參數(shù)，并輸出保存[20]。

1.4 高低溫強(qiáng)化試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在常溫、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，參考廠家對(duì)該引信進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)項(xiàng)目和測(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)。

1）試驗(yàn)樣件。隨機(jī)抽取引信作為樣件，增加測(cè)試接口，埋入熱電偶溫度傳感器探頭，焊接測(cè)試線纜和專用插頭，改裝后測(cè)試合格。

2）檢測(cè)項(xiàng)目。取基準(zhǔn)頻率、定時(shí)時(shí)間、點(diǎn)火脈沖、工作電壓為被測(cè)電參數(shù)，可進(jìn)一步細(xì)化為基準(zhǔn)頻率、定時(shí)時(shí)間、初始工作電壓、點(diǎn)火時(shí)工作電壓、點(diǎn)火脈沖初始電壓、點(diǎn)火脈沖結(jié)束電壓、點(diǎn)火脈沖持續(xù)時(shí)間等被測(cè)參數(shù)。

3）試驗(yàn)前性能參數(shù)測(cè)試。選取改裝后的樣件，對(duì)其主要電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并記錄樣件的初始參數(shù)。

4）試驗(yàn)方法。在高低溫試驗(yàn)機(jī)可設(shè)定的溫度極限-60～150 ℃內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)樣件放入高低溫試驗(yàn)機(jī)，對(duì)典型引信進(jìn)行步長為10 ℃的步進(jìn)應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)。在每一階應(yīng)力處，待引信溫度達(dá)到試驗(yàn)箱設(shè)定溫度時(shí)，通過外接測(cè)試線纜和自主開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)箱內(nèi)引信進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，得到電參數(shù)隨時(shí)間變化曲線。

5）終止判據(jù)。1/2 以上的受試樣件達(dá)到破壞極限或步進(jìn)試驗(yàn)應(yīng)力達(dá)到設(shè)備極限。

1.5 高低溫強(qiáng)化試驗(yàn)操作

采用高低溫試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)引信強(qiáng)化試驗(yàn)的方法和步驟，在-60～140 ℃內(nèi)，對(duì)典型引信進(jìn)行步長為10 ℃的步進(jìn)應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)。在每一階應(yīng)力處，待引信溫度達(dá)到試驗(yàn)箱設(shè)定溫度時(shí)，對(duì)箱內(nèi)引信進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。高低溫正式試驗(yàn)中試驗(yàn)樣件數(shù)為6 個(gè)，測(cè)試系統(tǒng)和被試引信樣件分別置于高低溫試驗(yàn)機(jī)外部和內(nèi)部，測(cè)試線纜通過高低溫試驗(yàn)機(jī)測(cè)試孔進(jìn)入高低溫試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部完成測(cè)試，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)中的測(cè)試系統(tǒng)和被試引信Fig.1 (a) Test system and (b) tested fuze

2 典型引信電參數(shù)在高低溫條件下變化規(guī)律

2.1 典型引信電參數(shù)選擇依據(jù)

電子時(shí)間引信驗(yàn)收檢測(cè)參數(shù)為定時(shí)時(shí)間和點(diǎn)火脈沖峰值電壓[21-23]。對(duì)于電子時(shí)間引信，定時(shí)時(shí)間和基準(zhǔn)頻率之間一般存在強(qiáng)相關(guān)性，對(duì)于靠儲(chǔ)能電容供電的引信，點(diǎn)火脈沖峰值電壓與引信工作電壓也存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。為了能揭示引信參數(shù)變化機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)過程中增加了基準(zhǔn)頻率和工作電壓的監(jiān)測(cè)，以獲取更多有價(jià)值數(shù)據(jù)。

由于工作電壓曲線為非線性曲線，曲線上存在多個(gè)拐點(diǎn)。為描述其變化情況，可進(jìn)一步細(xì)化為初始工作電壓、點(diǎn)火時(shí)工作電壓等被測(cè)參數(shù)，還可以計(jì)算出引信電路在點(diǎn)火前的電能損耗率（工作電壓下降斜率）等參數(shù)。

2.2 引信參數(shù)在不同溫度條件下變化的表征方法

對(duì)于引信特征參數(shù)的定量描述和評(píng)估，可借鑒電子元器件高低溫試驗(yàn)中的描述和評(píng)估方法[24-25]。當(dāng)參數(shù)變化近似線性時(shí)，采用溫度系數(shù)進(jìn)行表征；當(dāng)參數(shù)變化規(guī)律較復(fù)雜時(shí)，采用溫度變化百分率和溫度穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行描述。

2.2.1 溫度系數(shù)

當(dāng)引信電參數(shù)Y隨溫度t變化，溫度穩(wěn)定性較好，且近似呈線性時(shí)，引信電參數(shù)是溫度的函數(shù)。在電參數(shù)–溫度關(guān)系曲線上，任一點(diǎn)的斜率即表示該溫度時(shí)電參數(shù)變化的大小。溫度變化1 ℃時(shí)，電參數(shù)的相對(duì)變化率就稱為該電參數(shù)的溫度系數(shù)，即：

在實(shí)際情況下，工程上希望知道某一較寬溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)。如果電參數(shù)Y隨溫度t的變化是線性的，則該電參數(shù)溫度系數(shù)可表示為：

式中：Y1為常溫t1時(shí)的電參數(shù)，或負(fù)極限工作溫度t1時(shí)的電參數(shù)；Y2為正極限工作溫度t2時(shí)的電參數(shù)。

2.2.2 溫度變化百分率ΔY/Y

對(duì)一些隨溫度變化規(guī)律復(fù)雜的電參數(shù)，可用溫度變化百分率表示，即：

式中：Y1為常溫時(shí)的電參數(shù)，或負(fù)極限工作溫度時(shí)電參數(shù)；Y2為正極限工作溫度的電參數(shù)。

2.2.3 溫度穩(wěn)定性系數(shù)

以上討論的2 個(gè)參數(shù)均為可逆變化情況，即產(chǎn)品從高低溫狀態(tài)恢復(fù)到常溫狀態(tài)時(shí)，其電參數(shù)變化自行消失。當(dāng)引信電路在工作狀態(tài)下受到一系列外界因素影響時(shí)，還可能引起電參數(shù)的不可逆變化。例如，儲(chǔ)能電容在極端溫度環(huán)境下由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生物理、化學(xué)或電化學(xué)變化，使介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性能改變，從而使介電常數(shù)發(fā)生變化。這些變化一經(jīng)產(chǎn)生就不再消失，從而引起電容量的不可逆變化。

為了表征電參數(shù)不可逆變化的程度，采用穩(wěn)定性系數(shù)，即：

式中：Y1為試驗(yàn)前常溫時(shí)的電參數(shù)；Y2為經(jīng)過試驗(yàn)后恢復(fù)到常溫時(shí)的電參數(shù)。

2.3 基準(zhǔn)頻率在高低溫條件下變化規(guī)律

被試引信基準(zhǔn)頻率的溫度特性是其內(nèi)部RC 振蕩回路中所有元器件及材料溫度特性的集中體現(xiàn)，如圖2 所示。在-60～140 ℃內(nèi)，基準(zhǔn)頻率f相對(duì)20 ℃的溫度變化百分率為Δf/f＜5%，總體呈現(xiàn)非線性。由于該引信定時(shí)時(shí)間為基準(zhǔn)頻率的計(jì)數(shù)，基準(zhǔn)頻率的變化也決定了定時(shí)時(shí)間的變化范圍。如在50～140 ℃高溫條件下，隨溫度升高，基準(zhǔn)頻率降低，定時(shí)時(shí)間延長。

圖2 引信基準(zhǔn)頻率的溫度特性曲線Fig.2 Reference frequency temperature characteristic curve of Fuze

2.4 電能損耗率在高低溫條件下變化規(guī)律

被試引信工作電壓隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)曲線如圖3所示。充電結(jié)束后，工作電壓曲線的第1 個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)初始工作電壓。在引信工作過程中，隨著電能的消耗，引信工作電壓呈近似線性下降，下降速率可用電能損耗率表示。當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)時(shí)間，引信輸出點(diǎn)火脈沖，工作電壓曲線的第2 個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)火時(shí)工作電壓。電能損耗率過大易導(dǎo)致點(diǎn)火時(shí)工作電壓和點(diǎn)火脈沖初始電壓過低，引起引信瞎火。隨著溫度的升高，受引信基準(zhǔn)頻率下降、引信電路中的負(fù)溫度系數(shù)元件在高溫條件下功耗下降等綜合因素的影響，引信電能損耗率總體呈現(xiàn)低溫高損耗率和負(fù)溫度系數(shù)特性，如圖4 所示。排除5#樣件粗大誤差后，在損耗率最大的-60 ℃，相對(duì)20 ℃的變化百分率為9%～35%。

圖3 -60 ℃下1#樣件工作電壓隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Power supply voltage change curve of sample 1 # with time under -60 ℃

圖4 引信電能損耗率的溫度特性曲線Fig.4 Electric energy loss temperature characteristic curve of Fuze

3 典型引信極端溫度下故障分析

3.1 低溫掉電故障分析

在-60～-30 ℃內(nèi)，當(dāng)19 V 充電脈沖結(jié)束后，試驗(yàn)樣件的初始工作電壓均出現(xiàn)2～4 V 瞬間壓降的掉電故障。由圖3 可見，在引信充電結(jié)束時(shí)，初始工作電壓突然降低，引起引信工作電壓和點(diǎn)火電壓低于正常值，引信點(diǎn)火能量不足，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致引信點(diǎn)火不充分或瞎火。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，造成“低溫掉電”故障原因?yàn)椋涸谕獠棵}沖電源充電結(jié)束后，型號(hào)為BZX84-18 的18 V 穩(wěn)壓管在-60 ℃雪崩擊穿，穩(wěn)壓值降為 15～17 V，穩(wěn)壓管啟動(dòng)，消耗電能，低溫掉電造成的電壓損失在引信工作過程中不能恢復(fù)。同時(shí)，隨著溫度升高，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值也逐步升高，其溫度系數(shù)為8×10-4～9.5×10-4/K，而外部脈沖電源最高充電電壓為19～19.5 V 左右。在高溫條件下，穩(wěn)壓管擊穿電壓高于19 V，穩(wěn)壓管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)引信初始工作電壓與外部脈沖電源充電電壓相等，如圖5 所示。

圖5 引信初始工作電壓的溫度特性曲線Fig.5 Temperature characteristic curve of initial working voltage of fuze

一般穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值低于6 V 屬齊納擊穿，溫度升高時(shí)，耗盡層減小，耗盡層中原子的價(jià)電子上升到較高的能量，較小的電場強(qiáng)度就可以把價(jià)電子從原子中激發(fā)出來，產(chǎn)生齊納擊穿，因此它的溫度系數(shù)是負(fù)的。如BZX84-C3V6 的3.6 V 穩(wěn)壓管穩(wěn)定系數(shù)為-8×10-4～-3×10-4/K。高于6 V 的屬雪崩擊穿，雪崩擊穿發(fā)生在耗盡層較寬、電場強(qiáng)度較低時(shí)，溫度增加使晶格原子振動(dòng)幅度加大，阻礙了載流子的運(yùn)動(dòng)。這種情況下，只有增加反向電壓，才能發(fā)生雪崩擊穿。因此，雪崩擊穿的電壓溫度系數(shù)是正的。如BZX84-C15 的15 V穩(wěn)壓管穩(wěn)定系數(shù)為7×10-4～9×10-4/K?？蓪ZX84-18的18 V 穩(wěn)壓管，換為串聯(lián)的2 只BZX84- C3V3 穩(wěn)壓管和BZX84-C3 穩(wěn)壓管，這2 只穩(wěn)壓管合計(jì)穩(wěn)壓值為17.2～19.4 V。由于其溫度系數(shù)相反，通過溫度補(bǔ)償，達(dá)到在高低溫條件下得到穩(wěn)定18 V 電壓的作用[26]。

3.2 高溫短路故障分析

在高低溫強(qiáng)化試驗(yàn)過程中，引信在低溫極限-60 ℃仍能正常工作，但在高溫（130～140 ℃）條件時(shí)，出現(xiàn)確定性故障，如圖6a 所示。1#、3#、9#、6#樣件2 條外部充電導(dǎo)線之間呈現(xiàn)低阻和短路特性，充電脈充峰值由正常狀態(tài)的19 V 降為5 V，引信電路不上電，不工作。

圖6 1#、3#、9#、6#樣件對(duì)應(yīng)的故障充電脈沖信號(hào)和充電線之間短路Fig.6 (a) 1#, 3#, 9#, 6# samples corresponding to the fault charging pulse signal and (b) the charging line short circuit

對(duì)于故障引信，測(cè)量引信2 根充電導(dǎo)線以及充電導(dǎo)線和外殼之間的電阻值均近似為0，存在短路現(xiàn)象，如圖6b 所示。由此可確定短路位置為充電導(dǎo)線穿過引信外殼的引線孔處。通過解剖和顯微分析發(fā)現(xiàn)，被試引信鋁合金外殼引線孔內(nèi)沒有經(jīng)過絕緣處理，而充電導(dǎo)線的絕緣層為耐溫80 ℃的聚氯乙烯，在高溫條件下有熱縮現(xiàn)象，同時(shí)引信外殼受熱膨脹，在130～140 ℃時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力將充電導(dǎo)線絕緣層從引線孔附近拉斷，導(dǎo)致絕緣層破損，導(dǎo)線與引信殼體接觸短路。在圖7 中可看到充電導(dǎo)線絕緣層斷裂，金屬導(dǎo)線露出。在實(shí)際工作過程中，該故障會(huì)引起引信不上電和瞎火。在對(duì)該引信0.22 mm2聚氯乙烯充電導(dǎo)線進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，復(fù)現(xiàn)了該故障：120 ℃保溫3 h后，聚氯乙烯絕緣外套由10 cm 縮短至9.8 cm；140 ℃保溫3 h 后，聚氯乙烯絕緣外套縮短至9.5 cm。

圖7 充電導(dǎo)線高溫短路失效照片F(xiàn)ig.7 Photo of high temperature short circuit failure of power line

故“高溫短路”所對(duì)應(yīng)的失效機(jī)理和解決方法如下：在130～140 ℃時(shí)，引信外殼受熱膨脹，充電導(dǎo)線絕緣層受熱收縮，由于環(huán)氧膠塞和灌封電路將充電導(dǎo)線兩端固定，引線孔位置的導(dǎo)線絕緣層受熱變形破損，金屬導(dǎo)線與引信殼體接觸短路，如圖8 所示?？赏ㄟ^換用耐高溫硅膠導(dǎo)線，或引線孔內(nèi)涂覆阻焊油墨的工藝方法解決該故障。

圖8 正常狀態(tài)與高溫短路狀態(tài)Fig.8 (a) Schematic diagram of normal state and (b) high temperature short circuit state

4 結(jié)語

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中模擬引信極端溫度下的工作過程，實(shí)現(xiàn)了“電應(yīng)力+極端溫度應(yīng)力”的疊加。為研究引信電參數(shù)變化規(guī)律，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室模擬平臺(tái)和試驗(yàn)方法。通過增加和細(xì)化引信檢測(cè)參數(shù)，為引信失效分析提供豐富多樣的數(shù)據(jù)依據(jù)。

本文得出的引信電參數(shù)測(cè)試和試驗(yàn)方法、極端溫度條件下參數(shù)變化規(guī)律、-60 ℃低溫掉電、130 ℃高溫短路等新的故障模式和故障機(jī)理，為電引信總體設(shè)計(jì)、測(cè)試、故障分析和引信電子元器件、電子材料選型與應(yīng)用提供參考。