電連接器鹽霧試驗方法探討

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1　引言

目前，電連接器已廣泛用于航天、航空、艦船、核工業(yè)、兵器、電子、交通、信息通訊、醫(yī)療、石油勘探等軍、民品行業(yè)，說明電連接器能適應(yīng)各行各業(yè)對其功能要求和特殊要求。不僅如此，電連接器的使用環(huán)境從太空到地下、海洋，從熱帶到寒冷的極地，也需要電連接器具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。其中，海洋環(huán)境最為苛刻，特別是艦船及各種近海裝備系統(tǒng)上的電連接器，由于大氣中海鹽離子沉積、吸水潮解，會在電連接器的金屬表面形成一層薄薄的液膜，加快金屬表面的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物在氯離子作用下沒有保護(hù)性，使金屬在液膜的作用下一層一層地剝落。

電連接器是各類電氣、電子系統(tǒng)不可缺少的電子元器件，主要用于電氣、電子設(shè)備的電纜與電纜、電纜與設(shè)備之間的電路連接，實現(xiàn)低頻信號、高頻信號及電能(功率)的傳輸，因此，電連接器需要就較好的耐環(huán)境性能。為了對其環(huán)境適應(yīng)性考驗，通常用環(huán)境模擬試驗對其性能進(jìn)行測試和驗證，而鹽霧試驗是測試其耐環(huán)境性能的最有效手段。本文以鹽霧試驗為研究對象，對其試驗方法及過程進(jìn)行分析。

2　鹽霧試驗的概念和機(jī)理

2.1　鹽霧試驗的概念

鹽霧試驗是電連接器最為常規(guī)的測試項目之一，幾乎在所有電連接器的國軍標(biāo)總規(guī)范中都規(guī)定有該試驗項目，是利用鹽霧試驗設(shè)備模擬鹽霧環(huán)境條件來考核電連接器或金屬材料耐腐蝕性能。鹽霧試驗是一種人工模擬鹽霧環(huán)境的試驗，它與大氣條件下的暴露試驗相比，具有顯著的優(yōu)點，如腐蝕環(huán)境可以控制、環(huán)境再現(xiàn)性好、試驗時間明顯縮短、節(jié)約了大量的成本。

鹽霧是指含氯化物的大氣，它的主要腐蝕成分是氯化物鹽——氯化鈉。鹽霧對電連接器的腐蝕是由于含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層，與產(chǎn)品內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)引起的。

2.2　鹽霧腐蝕機(jī)理

鹽霧對金屬及其防護(hù)層的腐蝕，主要是氯離子參與電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕機(jī)理與原電池相同。氯化鈉是強(qiáng)電解質(zhì)，具有較強(qiáng)導(dǎo)電率，能加速電極反應(yīng)使陽極活化。電連接器所用的金屬或多或少存在一定的雜質(zhì)，各零件的鍍層材料也不一樣，所以，不同金屬之間存在一定的電位差。當(dāng)有電解質(zhì)存在時，便形成了不同電位的金屬(或金屬與雜質(zhì)之間)微電池。除了氯離子以外，鹽霧腐蝕機(jī)理還受溶解于鹽溶液里(實際上是溶解在試驗樣品表面的鹽液膜)氧的影響。氧能夠引起金屬表面的去極化過程，加速陽極金屬溶解。由于鹽霧試驗過程是持續(xù)噴霧，不斷沉降在試驗樣品表面的鹽液膜，使含氧量始終保持在接近飽和的狀態(tài)。腐蝕產(chǎn)物的形成，使?jié)B入金屬缺陷里的鹽溶液體積膨脹，因此增加了金屬的內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層鼓起，從而出現(xiàn)起泡、起皮等現(xiàn)象。

3　鹽霧試驗設(shè)備

鹽霧試驗箱作為環(huán)境試驗設(shè)備，盡管生產(chǎn)廠家眾多，但其一般結(jié)構(gòu)分為加熱及溫度控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、功能系統(tǒng)和隨機(jī)配件和資料四部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　鹽霧試驗箱結(jié)構(gòu)圖

試驗箱的箱體、箱蓋、支撐桿、試品架等與試驗樣品接觸的所有部件都必須采用不能產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的材料制成，如玻璃、硬橡膠或塑料等。箱蓋一般采用透明板材，便于在試驗過程中可以從外部觀察到室內(nèi)的試驗狀況而無需開箱影響試驗結(jié)果，并且箱蓋設(shè)計成106°的頂角，使試驗過程中產(chǎn)生的冷凝水不會滴落到樣品上影響試驗結(jié)果。箱蓋與箱體采用水密封，防止鹽霧外溢，從而影響試驗結(jié)果和腐蝕室內(nèi)其它設(shè)備，甚至可能對試驗操作人員造成的傷害。箱體加熱為內(nèi)膽水槽式加熱方式，升溫快，溫濕度分布均勻。樣品架按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計成上下兩層按15度和30度傾斜，也可采用掛鉤方式。設(shè)備控制系統(tǒng)位于箱體右側(cè)，操作簡單，電控柜的后部安裝一只排風(fēng)扇，將工作中產(chǎn)生的熱量散發(fā)到設(shè)備的外部。

試驗箱的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

①溫度范圍：+5℃～55℃

②濕度范圍：85～98%RH

③溫度均勻度：±2℃

④溫度波動度：±0.5℃

⑤飽和空氣筒溫度范圍: +10℃～70℃

⑥鹽霧沉降量：1～2mL/80cm2·h

⑦噴霧方式：連續(xù)/周期任選

⑧噴霧壓力: 0.07～0.17MPa(可調(diào))

⑨試驗時間：1～9999 H、M、S(可調(diào))

⑩周期時間：1～99 H、M、S(可調(diào))

通過對鹽霧試驗設(shè)備的機(jī)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)的介紹，有助于我們正確地選擇和使用設(shè)備，并按標(biāo)準(zhǔn)要求適時地對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，得到正確、合理的試驗數(shù)據(jù)，從而對試驗結(jié)果給出準(zhǔn)確的判斷。

4　鹽霧試驗方法

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及日常工作中接觸的試驗要求，筆者將電連接器的鹽霧試驗方法可分為下述三種：中性鹽霧、干熱鹽霧、醋酸鹽霧。其中中性鹽霧運(yùn)用最為廣泛，主要適用于連接器、繼電器等電子元件。干熱鹽霧主要適用于軍用裝備的整機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)等。醋酸鹽霧試驗是在中性鹽霧的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，據(jù)資料介紹，其腐蝕速度比中性鹽霧快3倍左右，目前只有復(fù)合材料的電連接器有此要求。下面就對三種試驗方法進(jìn)行介紹。

4.1　中性鹽霧的試驗程序

4.1.1試驗樣品的位置

試驗樣品應(yīng)采用玻璃鉤子、塑料鉤子、浸臘繩、帶子或尼龍線從試驗箱頂部懸掛下來，如果是塑料鉤子，應(yīng)采用對鹽溶液無化學(xué)反應(yīng)的材料制造，不允許用金屬鉤子。

4.1.2溫度

試驗應(yīng)在暴露區(qū)域的溫度維持35±2℃時進(jìn)行。試驗箱溫度的維持可以采用數(shù)種方式達(dá)成，其中能準(zhǔn)確地控制溫度的有效方法是將裝置放在正確控制的恒溫室內(nèi)，在噴霧之前完全隔開裝置并使空氣預(yù)熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，再將裝置加上外套并控制所用水或空氣的溫度，禁止使用埋入式加熱器來維持箱內(nèi)的溫度。

4.1.3噴霧

在暴露區(qū)域任一點放置一個合適的收集器，在運(yùn)行平均時間至少16h中能在80 cm2(直徑為10cm)的水平收集面積上，每小時能收集到1.0～2.0ml的溶液。收集的5%的鹽溶液，在溫度為34～36℃之間測量其氯化鈉含量應(yīng)為4%～6%(比重)，并符合圖2的規(guī)定。至少要擺放兩個干凈的鹽霧收集器在暴露區(qū)內(nèi)，其中一個放在任一噴嘴的附近，另一個放在離各噴嘴盡可能遠(yuǎn)的地方。收集器的安裝不會被試驗樣品遮擋，并且不會收集到從試驗樣品上或其他來源的液滴的地方，以后每一次鹽霧試驗都應(yīng)檢查所收集液體的比重和數(shù)量。按下列條件在一個小于0.34m3的箱內(nèi)可以獲得合適的噴霧：

a)噴嘴壓力為82.7 kPa～124 kPa；

b)噴嘴孔徑為0.50 mm～0.76mm；

c)在0.28 m3的箱體容積內(nèi)，每24h可噴出霧約3.42L的鹽溶液。

當(dāng)采用容積大于0.34m3的大型箱體時，為了滿足工作條件的要求，可以按規(guī)定修訂上述條件。

圖2　鹽溶液比重隨溫度變化

4.1.4試驗時間

電連接器除了特殊規(guī)定(如產(chǎn)品適用范圍或用戶要求等等)以外，試驗時間一般按照表1規(guī)定的試驗條件之一進(jìn)行。試驗應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不得中斷，或直至觀察到特定的失效條件為止，但對試驗裝置進(jìn)行調(diào)整及對試驗樣品進(jìn)行檢查除外：

表1　試驗條件

4.1.5試驗后清潔

試驗結(jié)束后，試驗樣品應(yīng)立即浸在流動的自來水中最多5min，水溫不高于38℃，也可以用軟毛刷或軟塑料刷子輕輕刷洗鹽沉積物。如果要求嚴(yán)格檢查鍍層表面，可以采用任何不影響鍍層的方法除去腐蝕生成物。隨后將試驗樣品放入溫度為38±3℃的循環(huán)空氣烘箱中干燥最多12h，再恢復(fù)到室溫后對樣品目視進(jìn)行檢查。

4.2　干熱鹽霧試驗程序

一般情況下，干熱鹽霧與中性鹽霧的區(qū)別在于其交替進(jìn)行24h噴霧和24h干燥兩種狀態(tài)共96h(兩個噴霧濕潤階段和2個干燥階段)。噴霧濕潤階段的試驗程序和要求與中性鹽霧一樣。這種交變方式惡化試驗時間，能提供比連續(xù)噴霧96h更接近真實暴露情況的鹽霧試驗結(jié)果，并具有更大的潛在破壞性，為了保證試驗的重復(fù)性，要嚴(yán)格控制每次試驗干燥過程的速率，為了對試驗樣品耐受腐蝕環(huán)境的能力給出更高置信度的評價，可以增加試驗的循環(huán)次數(shù)，也可采用48h噴霧和48h干燥的試驗程序。

4.3　醋酸鹽霧試驗程序

醋酸鹽霧與中性鹽霧的最大區(qū)別在于，一是醋酸鹽霧的鹽溶液是將1份氯化鈉溶解于5份蒸餾水(重量比)中，且雜質(zhì)總含量不超過0.3%，而中性鹽霧的鹽溶液濃度為5%，雜質(zhì)總含量不超過0.3%；二是鹽溶液的pH值與中性鹽霧鹽溶液pH值的不同，中性鹽霧的pH值應(yīng)維持在6.5～7.2之間，而醋酸鹽霧通過添加冰醋酸的方法將鹽溶液的pH值調(diào)整到3.1～3.3的范圍內(nèi)，其它技術(shù)要求及試驗程序與中性鹽霧完全相同。但其對電連接器及金屬材料的腐蝕程度更強(qiáng)，有資料顯示，其腐蝕速度比中性鹽霧快3倍左右。

5鹽霧對電連接器的失效模式分析

鹽霧試驗是由許許多多含有氯化鈉微小液滴所組成的彌散系統(tǒng)，當(dāng)試驗樣品處于該環(huán)境中時，在試驗樣品表面容易形成一層很薄的含有大量氯化鈉的水膜，使試驗樣品以電化學(xué)腐蝕的方式進(jìn)行。

陽極反應(yīng)：金屬以水化離子的形式進(jìn)入溶液，并把電子留在金屬中，電子從陽極流動陰極，即：Cu→Cu2+(或Cu+)+2e或Cu2++2H2O→Cu2+.2H2O或Cu+2H2O→Cu2+.2H2O+2e

陰極反應(yīng)：氧通過擴(kuò)散或?qū)α鞯竭_(dá)陰極表面吸收金屬中的剩余電子而形成氫氧根離子，即：1/2O2+2H2O+2e→2OH-,氯化鈉離解，同時形成腐蝕產(chǎn)物，即：Cu2+.2H2O+2Cl-→Cu Cl2. 2H2O或Cu++ Cl-→Cu Cl。

由此可見，鹽霧試驗對電連接器的腐蝕，存在于溶液中的氧起著極重要的作用。當(dāng)空氣中懸浮著的鹽霧顆粒沉降在金屬表面上，形成電解液膜時將對金屬產(chǎn)生腐蝕。具體對電連接器的失效模式體現(xiàn)為：

1)電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕和加速應(yīng)力的腐蝕。這種失效模式會導(dǎo)致產(chǎn)品對環(huán)境的防護(hù)能力下降，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的性能降低，并影響產(chǎn)品的正常功能和結(jié)構(gòu)完整性；

2)鹽沉積物導(dǎo)致產(chǎn)品電氣設(shè)備的損壞。直接后果就是導(dǎo)致產(chǎn)品會發(fā)生短路或短路，從而造成產(chǎn)品的信號傳輸性能失效；

3)絕緣材料及接觸件金屬的腐蝕。這種腐蝕會導(dǎo)致產(chǎn)品的電性能發(fā)生變化甚至無法滿足使用要求，如絕緣電阻降低，接觸電阻增大等；

4)機(jī)械部件和組件的活動部分阻塞或卡死。由于鹽霧的侵入性很強(qiáng)，鹽氣滲入產(chǎn)品內(nèi)部，造成其活動部分如脫落連接器的分離機(jī)構(gòu)等阻塞和卡死，造成產(chǎn)品的機(jī)械性能不能滿足使用要求；

5)表面涂層起泡、起皮、脫落等。這種情況會導(dǎo)致產(chǎn)品的標(biāo)志、印記等褪色、模糊、不可辨認(rèn)、脫落等，從而影響產(chǎn)品的外觀。

上述失效模式，是電連接器鹽霧試驗后最為直觀和常見的現(xiàn)象，實際上，鹽霧試驗還有其他的失效現(xiàn)象和形式，而且鹽霧試驗對產(chǎn)品的影響遠(yuǎn)不止于此，比如鹽霧對涂覆層潛在的影響多長時間后會導(dǎo)致產(chǎn)品進(jìn)一步腐蝕，對接觸件電性能的影響是否會有一定的潛伏期等。

6　鹽霧試驗注意事項

由于鹽霧試驗的強(qiáng)腐蝕性，在進(jìn)行鹽霧試驗時一定要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求去進(jìn)行，否則，會影響最終的判斷結(jié)果?，F(xiàn)將其中主要的注意要點按試驗前、試驗中、試驗后進(jìn)行闡述：

1)試驗前的注意事項

(1)鹽溶液配置后的pH值測定。pH值測定，直接決定所進(jìn)行的鹽霧試驗是中性的、酸性的還是堿性的，不同的鹽霧試驗對試驗結(jié)果的影響不同。

(2)鹽霧沉降率的收集。有關(guān)鹽霧沉降率的技術(shù)指標(biāo)，前面已有詳細(xì)的規(guī)定，試驗前進(jìn)行鹽霧沉降率的收集，關(guān)系到試驗時噴霧的大小和強(qiáng)弱，對試驗結(jié)果的影響是不言而喻的。

(3)試驗樣品的處理。試驗前樣品應(yīng)盡量避免觸摸，清除樣品表面的灰塵與油污等，防止這些物質(zhì)導(dǎo)致表面的水膜破裂；在試驗樣品與支架的接觸處涂蠟或類似不透潮氣的物質(zhì)使其有一定的防護(hù)作用，在未涂覆的切削邊緣或切削面、導(dǎo)線尾端等涂蠟或其它防潮物質(zhì)加以保護(hù)等，能避免對試驗結(jié)果的判斷。

(4)試驗樣品的擺放。試驗樣品的擺放應(yīng)保持一定的距離，擺放位置不能讓噴霧直接沖擊到試驗樣品上，也不允許冷凝水滴落在樣品上。

(5)試驗樣品應(yīng)采用塑料鉤子、玻璃鉤子、浸臘繩或尼龍線等對鹽溶液無化學(xué)反應(yīng)的材料從試驗箱頂部進(jìn)行懸掛，不允許用金屬鉤子。

2)試驗中的注意事項

(1)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視和測量。一旦進(jìn)行試驗，就應(yīng)按文件規(guī)定對沉降率、試驗箱溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，如有異常，按試驗中斷的規(guī)定進(jìn)行及時處理；

(2)設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)。試驗開始，應(yīng)按時添加鹽溶液，觀察氣體壓力，防止鹽溶液沉淀的物質(zhì)堵塞噴嘴等，工作需時常加以注意。

3)試驗后的注意事項

(1)為了有助于檢查產(chǎn)品，鹽霧暴露時間終結(jié)后，應(yīng)將試驗樣品立即浸在流到的自來水中沖洗，必要時可采用柔軟的毛刷或塑料刷輕輕地刷去鹽沉積物，但不能對樣品造成損害；

(2)試驗樣品的焙烘。沖洗后的樣品應(yīng)放入溫度為38±3℃的循環(huán)空氣烘箱中干燥最多12h，隨后在室溫下檢查試驗樣品。

7　結(jié)束語

鹽霧試驗是人工模擬的試驗室環(huán)境試驗。大量的資料表明，采用不同環(huán)境、不同試驗方法、不同材料，其相關(guān)性都是不相同的。腐蝕主要受氯離子影響，由于鹽霧試驗不能完全重現(xiàn)海洋大氣環(huán)境的影響，因此，不能靠單一的含氯離子的鹽霧試驗對耐蝕性評估，而要尋找相關(guān)性及其它的更可靠性評估的依據(jù)。譬如溫濕度的控制、風(fēng)力的影響、濃度變化等設(shè)計一種綜合的試驗環(huán)境，更好的模式真實使用環(huán)境。本文通過對鹽霧試驗設(shè)備、試驗機(jī)理、試驗方法、試驗失效模式、試驗注意事項等方面的介紹和分析，讓技術(shù)人員和試驗人員更為詳細(xì)地了解鹽霧試驗的目的和要求，規(guī)范地進(jìn)行試驗，獲取更為準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，為提高產(chǎn)品、材料的使用與材料防腐蝕能力提供更多的科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GJB150.11A-2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第11部分：鹽霧試驗 中國人民解放軍總裝備部批準(zhǔn)(2009-05-25發(fā)布；2009-08-01實施).

[2]GJB360B-2009.電子及電氣元件試驗方法. 總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部出版(2009-12-22發(fā)布；2010-04-01實施).

[3]GJB1217A-2009 電連接器試驗方法 總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部出版(2009-12-22發(fā)布；2010-04-01實施).

[4]GJB5181-2003. 復(fù)合材料外殼矩形電連接器總規(guī)范,國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會發(fā)布(2003-09-25發(fā)布；2003-12-01實施).

[5]馬力.常規(guī)兵器環(huán)境模擬試驗技術(shù)[D]. 國防工業(yè)出版社,2007.

[6]陳文華.航天電連接器可靠性試驗和分析的研究.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系.1997.

[7]徐京輝.鹽霧試驗及鹽霧試驗箱應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ). 國防工業(yè)出版社，1993.