沖擊載荷作用下鉭電容的電壓瞬變特性及微觀機理

關(guān)鍵詞： 鉭電容；沖擊載荷；水下爆炸；電子雷管

中圖分類號： O383 國標學(xué)科代碼： 1303520 文獻標志碼： A

數(shù)碼電子雷管憑借其延期精度高、安全性強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于爆破工程，但在隧道、孔樁、巷道掘進等小孔距爆破應(yīng)用場景下，該雷管在受到鄰近炮孔爆炸產(chǎn)生的沖擊作用后可能出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象。數(shù)碼電子雷管受沖擊后的拒爆與其電容參數(shù)漂移有關(guān)[1-2]。鉭電容是數(shù)碼電子雷管中一種主流的電容類型，作為數(shù)碼電子雷管內(nèi)部的儲能元件，其可靠性直接決定了數(shù)碼電子雷管能否正常發(fā)火。因此，有必要對鉭電容在沖擊載荷下的性能變化開展研究。

早期對鉭電容的失效研究主要考慮環(huán)境溫度、浪涌電流和高壓負載等影響因素。隨著鉭電容的應(yīng)用場景愈加廣泛，面臨的環(huán)境愈加惡劣，研究人員開始考慮外部壓力對鉭電容的影響。如Teverovsky[3]對鉭電容進行了軸向壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)靜態(tài)應(yīng)力會增大漏電電流、降低擊穿電壓。在動態(tài)加載實驗研究中，程融等[4] 通過空氣炮錘擊實驗發(fā)現(xiàn)鉭電容在沖擊載荷作用下會出現(xiàn)瞬時短路現(xiàn)象。李長龍等[5-6] 利用馬歇特錘對鉭電容進行了沖擊實驗，發(fā)現(xiàn)鉭電容的漏電流和容值均隨著沖擊強度的增大而增大。賈豐州等[7] 建立了鉭電容的數(shù)值模型，指出：在彈性范圍內(nèi)沖擊載荷脈寬減小或幅值增大時，漏電電流呈增大趨勢。

目前研究存在的主要問題有：沖擊載荷作用下鉭電容的短路機制尚不清晰，漏電流檢測方式不合理（電容器在正常工作狀態(tài)下外部充電電流約等于內(nèi)部漏電電流，但在瞬態(tài)短路的情況下，兩者差別較大）。為了揭示鉭電容在爆炸沖擊作用下的失效機理，本文中，采用水下爆炸的方法對鉭電容進行沖擊實驗，分析鉭電容在沖擊載荷下的電壓變化特性，計算鉭電容內(nèi)部的漏電電流，觀測鉭電容內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化，并闡述其失效機理。

1 實驗

1.1 實驗儀器及樣品

主要儀器有：直徑160 cm、高140 cm 的圓形不銹鋼爆炸水池；PCB 水下壓力傳感器；數(shù)字儲存示波器；4 恒流源；8 號電子雷管及起爆器；BWL 定值電阻（10 W，100 Ω）和直流恒壓電源。樣品為某品牌同一生產(chǎn)批次同一型號的貼片鉭電容，具體參數(shù)見表1。

1.2 實驗布置

在圓形爆炸水池中心處，通過配重將直徑為1 mm 的銅絲拉直，在銅絲上固定一發(fā)8 號電子雷管作為爆源，雷管入水深度為70 cm。用PVC 薄膜給鉭電容做防水處理后，將電容貼于固定支架上，置于水中，使電容與雷管主裝藥位置在同一水平線上并相距一定距離。以雷管位置為對稱中心，在電容的對稱點處布置水下壓力傳感器，壓力信號通過恒流源傳輸至示波器，如圖1所示。

在電路方面，鉭電容與100 Ω 定值電阻串聯(lián)，再連接恒壓直流電源形成回路。其中定值電阻起到限制浪涌電流的作用，恒壓直流電源在實驗過程中持續(xù)為鉭電容供壓。示波器并聯(lián)在電容兩端，記錄爆炸沖擊瞬間電容兩端電壓的變化，如圖2 所示。

通過調(diào)整鉭電容與爆源之間的水平距離改變鉭電容的受沖擊強度，分別在13、14、15、16 和19 cm 的水平距離下進行了5 組實驗。實驗中電源供電電壓為25 V，若鉭電容受沖擊后電壓變化超過0.1 V，則示波器觸發(fā)，記錄下鉭電容兩端電壓變化，若示波器未觸發(fā)則認為電壓未發(fā)生變化或變化極小可以忽略。為減小實驗誤差，同一水平距離下，鉭電容沖擊實驗重復(fù)10次。

2 鉭電容電壓瞬變特性

2.1 沖擊波超壓作用

在鉭電容與爆源之間同一水平距離下，沖擊波超壓測量3次，取平均值，超壓測量結(jié)果見表2。水下球形裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力可以使用Cole經(jīng)驗公式[8] 進行計算：

式中：p_m 為沖擊波超壓峰值，Q 為炸藥質(zhì)量，R 為傳感器與爆心之間的距離，k 和α 分別為與實驗相關(guān)的系數(shù)和指數(shù)。

一發(fā)8 號電子雷管爆炸的TNT 當(dāng)量為1 g，按照1 g TNT 在水下爆炸進行近似計算， k 與α 分別取52.27 和1.13。將沖擊波超壓的實測值與Cole 經(jīng)驗公式[8] 的計算值進行對比，如圖3所示?？梢钥闯觯瑳_擊波超壓的實測值與計算值較為符合，誤差在合理范圍內(nèi)，爆炸沖擊實驗設(shè)置合理有效。

2.2 沖擊載荷下的電壓瞬變特性

通過對實驗結(jié)果的分析對比，發(fā)現(xiàn)大部分電壓變化曲線具有相似特征。沖擊載荷下鉭電容的電壓變化可分為3 類，如圖4（b）～（d） 所示。圖4（a） 表示在沖擊載荷下鉭電容的電壓未發(fā)生變化。

Ⅰ類電壓變化曲線見圖4（b），特點為電壓降低后立即升高。鉭電容初始電壓為25.000 V，在受到?jīng)_擊載荷作用后的某一時刻，電壓發(fā)生斷崖式下降，經(jīng)過1.13 ms 下降至最低電壓點5.178 V。隨后電壓開始上升，上升速率隨著電壓的上升而減緩，約25.00 ms 時電壓基本恢復(fù)至初始水平，電壓上升過程基本符合鉭電容一般的恒壓充電過程。

Ⅱ類電壓變化曲線見圖4（c），特點是電壓先降低，然后在較低水平波動一段時間后再上升。用時2.20 ms 下降至最低電壓點6.404 V，隨后電壓在較低水平維持約20 ms，期間電壓反復(fù)上下小幅度波動，最后電壓開始上升，與Ⅰ類電壓變化曲線上升過程一致。

Ⅲ類電壓變化曲線見圖4（d），特點是波形復(fù)雜，電壓反復(fù)下降上升，同時含有與Ⅱ類電壓變化曲線相同的低壓波動段。受沖擊作用后鉭電容的電壓快速下降，用時0.49 ms 下降至1.925 V，隨后電壓在上升至17.102 和20.002 V 時又出現(xiàn)2 次下降，最后一次下降后在6.651 V 上下波動約4.50 ms，最終電壓恢復(fù)至初始水平。

3 種類型的電壓變化均表明鉭電容在沖擊載荷作用下出現(xiàn)了瞬時失效現(xiàn)象。電壓瞬間下降意味著極板電荷大量流失，由于鉭電容外部電源持續(xù)供壓，且無外部放電電路，因此判斷放電發(fā)生在鉭電容內(nèi)部。即介電層Ta2O5 可能發(fā)生了擊穿，導(dǎo)致鉭電容短路失效。

對以上3 種類型的電壓變化在不同距離下的出現(xiàn)頻次進行統(tǒng)計，如圖5 所示。

實驗結(jié)果表示，當(dāng)鉭電容與爆源的距離為19 和16 cm 時，鉭電容電壓均未出現(xiàn)變化，失效概率為0%。當(dāng)距離減小至15 cm 時，10 次沖擊實驗中有5 次發(fā)生短路失效，失效概率為50%，此時沖擊波超壓為32.004 MPa。由此可見，沖擊波導(dǎo)致鉭電容短路失效的臨界壓力約為32 MPa。隨著鉭電容與爆源之間距離的進一步減小，沖擊波超壓繼續(xù)增大，鉭電容失效概率隨之增大。

隨著沖擊波超壓的增大，3 種類型電壓變化的出現(xiàn)概率均有增大趨勢。20 次短路失效中Ⅰ類電壓變化占比55%，是出現(xiàn)最頻繁的一種電壓變化類型，其次是Ⅱ類、Ⅲ類電壓變化，分別占比35% 和10%，其中Ⅲ類電壓變化容易在較強沖擊載荷作用下出現(xiàn)。

3 瞬時失效微觀機理

3.1 電壓瞬變機理

沖擊載荷作用下鉭電容容值變化極小，可忽略不計[5]，此時鉭電容兩端電壓與極板所帶電荷量成正比，電荷量的變化取決于外部的充電電流I_c 和內(nèi)部的漏電電流I_l：

式中：E 為電源電壓，U 為鉭電容兩端電壓，R 為串聯(lián)電阻阻值，C 為鉭電容容值。

當(dāng)充電電流大于漏電電流時，極板電荷開始積累，電壓上升；當(dāng)充電電流小于漏電電流時，極板電荷流失，電壓下降；當(dāng)充電電流和漏電電流相等時，電荷量、電壓不變。圖3 中3 種類型的電壓變化曲線所對應(yīng)的I_c 和I_l 變化如圖6（b）～（d） 所示。圖6（a） 表示沖擊載荷作用下充電電流與放電電流均未出現(xiàn)變化。

圖6（b） 對應(yīng)Ⅰ類電壓變化。出現(xiàn)Ⅰ類電壓變化的可能原因是鉭電容在沖擊載荷作用下氧化膜被擊穿，I_l 迅速上升，峰值為2.896 A。大電流導(dǎo)致的局部升溫使陰極MnO₂ 發(fā)生反應(yīng)生成高阻值的Mn₂O₃，Mn₂O₃ 堵塞導(dǎo)電通道阻礙了電子的轉(zhuǎn)移[9]，并且電場強度的下降也使電子移動速率下降，因此Il 達到峰值后迅速下降。I_l 上升后鉭電容電壓快速下降，電源與電容之間電勢差不斷增大，于是I_c 開始上升。當(dāng)I_c 上升至與I_l 相等時，極板電荷量不再減小，電壓下降至最低點5.178 V，此時I_c 也達到峰值。隨后I_l 繼續(xù)減小，在1.68 ms 時下降至0.4 mA，此時可認為鉭電容基本完成了自愈。由于I_c＞I_l，電荷積累，電壓上升，隨著電壓上升I_c 持續(xù)減小，直至電容充電完畢。

圖6（c） 與Ⅱ類電壓變化相對應(yīng)。I_c 峰值為1.503 A，隨著陰極反應(yīng)的進行和電場強度的降低，I_l 不斷減小，I_c 也隨著鉭電容與電源之間電勢差的增大而不斷增大，這個過程中電壓不斷降低。在I_c 與I_l 交匯后，I_l 并未繼續(xù)減小，而是圍繞著I_c 上下波動。這說明此時Mn₂O₃ 未完全堵塞導(dǎo)電通道，漏電繼續(xù)發(fā)生，且漏電電流與充電電流相當(dāng)，導(dǎo)致電壓在較低水平波動。在波動持續(xù)了約20.00 ms 后，I_l 突然下降至1.6 mA，表明此時鉭電容完成了自愈，此時由于I_c＞I_l，電容電壓開始上升，I_c 也隨著電壓上升而逐步減小，直至充電完畢。

圖6（d） 為Ⅲ類電壓變化的漏電-充電電流變化曲線。受沖擊后Il 峰值達到了8.254A，大電流瞬間產(chǎn)生局部高溫，使得陰極反應(yīng)迅速完成，堵塞導(dǎo)電通道。在I_c 與I_l 初次交匯過后，電容電壓開始上升，電壓上升過程中，I_l 再次突增，峰值為0.269 A。這表明首次自愈后，氧化膜的絕緣性能并沒有完全恢復(fù)，在場強不斷增大的過程中，再次發(fā)生了擊穿，且擊穿程度較第1 次擊穿更低。隨后鉭電容再次自愈，在電壓上升至20.002 V 時發(fā)生了第3 次擊穿，與第2 次擊穿電壓相比，第3 次擊穿電壓更高，說明經(jīng)過第2 次自愈，氧化膜的絕緣性能進一步恢復(fù)。I_l 在第3 次下降過程中出現(xiàn)了Ⅱ類變化中I_l 圍繞著I_c 上下波動的現(xiàn)象，時間持續(xù)了約4.50 ms，隨后電壓基本恢復(fù)至額定電壓。這表示第3 次擊穿后，氧化膜的絕緣性能基本恢復(fù)?？傮w而言，Ⅲ類變化涵蓋了Ⅰ類變化和Ⅱ類變化的特點，電壓和電流的變化更復(fù)雜，自愈歷程更長。

不同類型電壓變化對應(yīng)的初始漏電電流峰值差別較大。從實驗結(jié)果中選取10 條漏電電流曲線，如圖7 所示。其中曲線A、B、C、D 為Ⅱ類電壓變化的漏電電流曲線，曲線E、F、G、H 為Ⅰ類電壓變化的漏電電流曲線，曲線I 和曲線J為Ⅲ類電壓變化的漏電電流曲線。

對不同類型電壓變化的初始漏電電流峰值進行統(tǒng)計：Ⅰ類電流峰值為2.5～5 A，Ⅱ類電流峰值為1～2 A，Ⅲ類電流峰值在8～9 A 之間。三者具有明顯差別，表明沖擊載荷作用下鉭電容的擊穿機理是多樣的。在1.00 ms 后Ⅱ類電流以較低水平持續(xù)存在，這是由于Ⅱ類電流峰值較小，熱量積累速率慢，無法在第一時間完成自愈，需要后續(xù)小電流維持溫度緩慢上升，達到陰極反應(yīng)溫度。而Ⅰ類、Ⅲ類電流峰值普遍較高，均能夠短時間內(nèi)完成自愈。

整體而言，漏電電流曲線峰值越高，峰寬則越小，這是由于在流失電荷量相近的情況下，電荷流失速率越高，流失時間則越短。從陰極反應(yīng)的角度來看，漏電電流曲線峰值高表明在擊穿區(qū)域熱量能夠快速積累，使得溫度很快達到陰極反應(yīng)溫度，進而能夠快速完成自愈，因此峰寬更小。

3.2 微納尺度的失效-修復(fù)機制

在加載電壓遠超出額定電壓的情況下，電容器普遍會發(fā)生擊穿現(xiàn)象，其中鉭電容由于其陰極材料的特殊性，在局部擊穿時能夠自愈[9-10]。在沖擊實驗中，加載電壓為額定電壓，鉭電容仍出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象。為解釋這一現(xiàn)象，將實驗中發(fā)生擊穿的鉭電容外殼剝解，利用掃描電鏡觀察其內(nèi)部形貌。

圖8 為鉭電容損傷部位的形貌。雷管爆炸后，沖擊波在水介質(zhì)中傳播，在鉭電容表面處，沖擊波發(fā)生反射與透射，透射波轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力波在鉭芯中傳播。鉭芯由無數(shù)個鉭球緊密連接組成，在應(yīng)力作用下，鉭球受到其相鄰鉭球擠壓后出現(xiàn)嚴重變形。氧化膜出現(xiàn)了約100 nm 寬的裂縫，在裂縫內(nèi)部和周圍布滿了Mn 的氧化物。不同于其他區(qū)域大顆粒狀的M n 氧化物， 裂縫處的Mn 氧化物表面更均勻平整，且有微小空洞，認為是Mn 的低價氧化物。

Ta 粉在燒結(jié)后表面呈多孔狀，在陽極氧化過程中，氧化膜難免會出現(xiàn)孔隙和裂縫[11]。且Ta 表面含有雜質(zhì)時，陽極氧化后雜質(zhì)會嵌入到氧化膜之中，在外電場作用下，氧化膜中雜質(zhì)處會出現(xiàn)電應(yīng)力集中，使得此處離子容易得到所需活化能，重新排序，出現(xiàn)晶態(tài)Ta₂O₅[12]。而晶態(tài)膜介電性能遠不如無定形態(tài)膜[13]。

因此，鉭電容在沖擊載荷作用下的電壓變化現(xiàn)象可以通過形變導(dǎo)致的裂縫擴展和雜質(zhì)及周圍晶態(tài)膜頂破氧化膜來解釋。在沖擊載荷作用下，鉭球之間相互擠壓發(fā)生形變，一方面形變使氧化膜厚度均勻性變差，另一方面形變產(chǎn)生的應(yīng)力在氧化膜的微裂縫處集中，裂縫進一步擴大，見圖9。

裂縫擴展時，裂縫處氧化膜不斷變薄，使得此處電場強度不斷增大。當(dāng)電場強度超過擊穿場強，氧化膜導(dǎo)帶中因場致發(fā)射而存在的電子會在電場作用下不斷加速，電子碰撞晶格時產(chǎn)生電離，不斷的撞擊和電離使得導(dǎo)帶中電子不斷增加，在氧化膜中形成導(dǎo)電通道[14]。宏觀表現(xiàn)為電流急劇上升，電容電壓迅速下降。大電流產(chǎn)生的局部高溫使陰極MnO₂ 反應(yīng)生成Mn₂O₃[15]，高阻值的Mn₂O₃ 堵塞導(dǎo)電通道后電容電壓重新開始上升。這種沖擊導(dǎo)致裂縫擴展，進而在電場作用下發(fā)生擊穿的過程對應(yīng)著Ⅰ類電壓變化。

Ⅱ類變化是由于鉭球在發(fā)生形變后，氧化膜厚度均勻性變差，若氧化膜較薄的區(qū)域下方存在雜質(zhì)和晶態(tài)膜，雜質(zhì)及其周圍的晶態(tài)膜會頂破無定型膜，使晶態(tài)膜或雜質(zhì)直接與陰極接觸，在陰極和陽極之間形成低阻通道。低阻通道內(nèi)的電流大小取決于晶態(tài)膜的阻值，相較于無定型膜擊穿時的電離電流，低阻通道的電流更小。電流產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，小電流的熱量積累更慢，缺陷區(qū)域溫度上升也慢，自愈時間較長，因此出現(xiàn)了電壓在低電位持續(xù)波動的現(xiàn)象。

Ⅲ類變化是因為強沖擊載荷使裂縫完全貫穿氧化膜，陰極與陽極之間僅間隔幾十納米厚的氣體介質(zhì)。與固體相比，氣體的介電強度較小，在強電場作用下易電離。氣體介質(zhì)電離產(chǎn)生的大電流使局部溫度快速上升，陰極材料發(fā)生反應(yīng)堵塞導(dǎo)電通道，鉭電容快速完成第1 次自愈。自愈過程中，裂縫中氣體介質(zhì)電離產(chǎn)生的能量以熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式向陰極傳遞，陰極材料表層首先達到反應(yīng)溫度生成Mn₂O₃，隨后陰極反應(yīng)由外向內(nèi)層層進行。貫穿型裂縫的橫截面積較大，完成自愈所需要堵塞的面積更大，大面積的MnO₂ 發(fā)生反應(yīng)時，由于溫度分布不均勻和反應(yīng)釋氧，生成的Mn₂O₃ 難免存在未反應(yīng)的MnO₂ 和孔隙。層層Mn₂O₃ 中的MnO₂ 或孔隙相連接，形成較大缺陷。因此，當(dāng)電壓再次上升，電場強度增大時，在Mn₂O₃ 缺陷處就會發(fā)生2次甚至多次擊穿，直至完全自愈。短時間內(nèi)同一裂縫處的多次擊穿導(dǎo)致熱量累積，溫度不斷上升，使裂縫周圍的無定形膜晶化。當(dāng)晶態(tài)膜不斷生長，在陽極與陰極之間形成導(dǎo)電通道后，就會出現(xiàn)Ⅱ類變化中的緩慢自愈現(xiàn)象。

這3種不同的擊穿機制都與鉭電容氧化膜本身的瑕疵有關(guān)。微裂縫、雜質(zhì)等瑕疵問題在氧化膜形成過程中難以完全避免，即使同一批次生產(chǎn)的鉭電容在微觀層面也無法保證相同。因此實驗中會出現(xiàn)同一沖擊強度下僅有部分鉭電容失效和失效類型不同的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

采用水下爆炸的方法對鉭電容進行了不同強度的沖擊實驗，研究了沖擊載荷作用下鉭電容的電壓變化特性，討論了鉭電容瞬時失效的微觀機理，得到了如下主要結(jié)論。

（1） 沖擊載荷作用下鉭電容出現(xiàn)了3種類型的電壓變化，3種電壓變化均表明鉭電容發(fā)生了短路失效。隨著沖擊波超壓的增大，鉭電容的短路失效概率增大。鉭電容發(fā)生短路失效的臨界超壓約為32MPa。

（2） Ⅰ類電壓變化為主要變化類型，在20次短路失效中占比55%，其次是Ⅱ類、Ⅲ類電壓變化分別占比35% 和10%，其中Ⅲ類電壓變化容易在較強沖擊載荷作用下出現(xiàn)。3 種類型的電壓變化對應(yīng)3 種不同的失效過程，分別為擊穿后瞬間自愈、擊穿后緩慢自愈、多次擊穿和自愈。Ⅰ類電壓變化的初始漏電電流峰值為2.5～5 A，Ⅱ類為1～2 A，Ⅲ類為8～9 A，且峰值越大，峰寬越小。

（3） 鉭電容在沖擊作用下的微觀失效機理與其氧化膜的瑕疵相關(guān)，包括氧化膜中微裂縫擴展使得局部電場強度超過擊穿場強造成擊穿、氧化膜較薄區(qū)域下方的雜質(zhì)及晶態(tài)膜突出形成導(dǎo)電通道、貫穿型裂縫形成后氣體電離導(dǎo)致的擊穿。

（責(zé)任編輯 張凌云）