艦載光電設(shè)備的三防設(shè)計(jì)研究

孟冬 張棟 孟楷 王芳

摘 要：艦載光電設(shè)備工作環(huán)境惡劣，針對(duì)環(huán)境的三防設(shè)計(jì)在研制中必須引起重視。文章結(jié)合實(shí)際出現(xiàn)的腐蝕問題，從材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化及工藝防護(hù)等多方面進(jìn)行研究。事實(shí)證明：通過防腐措施的綜合應(yīng)用，能夠保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

關(guān)鍵詞：艦載光電設(shè)備；三防設(shè)計(jì)；防腐措施

中圖分類號(hào)：TN602 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0106-03

Abstract： The moisture-mildew-saltspray proofing design of shipborne electro-optical equipment is an important mission for the shipborne electro-optical equipment. It should be considered overall from the materials application， structure design， process engineering and so on at the time of the product development. In this paper the three-proofing issue of shipborne electro-optical equipment was studied. It was proved that the shipborne electro-optical equipment could work steadily in sea climate environment for longer time through the proper corrosion protection.

Keywords： shipborne electro-optical equipment； moisture-mildew-saltspray proofing design； corrosion protection

1 概述

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，海軍占據(jù)越來越重要的地位，光電探測(cè)設(shè)備在海軍裝備中屬于標(biāo)準(zhǔn)配置。近年來，在使用過程中出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，由于光電設(shè)備屬于精密儀器，腐蝕發(fā)生后，輕則影響設(shè)備性能，重則導(dǎo)致設(shè)備失靈，貽誤戰(zhàn)機(jī)。本文對(duì)幾年來遇到的腐蝕問題進(jìn)行分析，就防止該現(xiàn)象產(chǎn)生的多種措施進(jìn)行探討。

2 現(xiàn)狀

美軍總部對(duì)沿?；厥褂玫漠a(chǎn)品進(jìn)行故障調(diào)查與分析，結(jié)果表明：損壞或有故障的產(chǎn)品中52%是由環(huán)境因素造成的。其中由溫度引起的故障占各環(huán)境因素引起故障的40%；潮濕引起的故障占19%；鹽霧、砂塵、霉菌引起的故障占14%[1]。我國(guó)海域遼闊，海岸線長(zhǎng)，具有重要的軍事戰(zhàn)略意義。近年來，我國(guó)大力發(fā)展海軍裝備，以提升我國(guó)海軍實(shí)力。但海洋性氣候環(huán)境相對(duì)于路基環(huán)境比較特殊，對(duì)裝備具有極大的破壞性，為此針對(duì)氣候環(huán)境的三防設(shè)計(jì)不容忽視。圖1是某型號(hào)激光測(cè)距機(jī)。該激光測(cè)距機(jī)，技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定。配備于路基裝備時(shí)表現(xiàn)優(yōu)異，改良后服役于某艦載裝備，卻在服役期間發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，如圖2所示。由圖2可以看出，蓋板與殼體連接處腐蝕嚴(yán)重，密封條失去密封性能，海水倒灌于殼體內(nèi)，所有光電設(shè)備都受到不同程度的影響。維修時(shí)，發(fā)現(xiàn)螺釘固死在殼體上，無法正常取出。故障發(fā)生后引起了所有研制人員的高度重視，刷新了海洋性氣候?qū)υO(shè)備破壞性的認(rèn)知，如何避免該類現(xiàn)象發(fā)生成為研制人員急需解決的問題。

3 問題分析

3.1 腐蝕的危害

腐蝕現(xiàn)象隨處可見并且危害嚴(yán)重。輕則影響設(shè)備的使用性能，重則造成設(shè)備及人身事故，帶來經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。腐蝕對(duì)軍事裝備“六性”的影響重大，直接造成可靠性降低，維修周期縮短，間接影響測(cè)試性，致使安全性降低，保障性變差，不能滿足環(huán)境適應(yīng)性要求。戰(zhàn)場(chǎng)上，風(fēng)云變幻，機(jī)會(huì)稍縱即逝，裝備發(fā)生腐蝕后不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理會(huì)貽誤戰(zhàn)機(jī)，以致戰(zhàn)斗甚至整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)的失敗。

3.2 環(huán)境因素

艦載光電設(shè)備特別是艙外設(shè)備長(zhǎng)期處于海洋性氣候中，其高溫、高濕及空氣中的腐蝕性物質(zhì)、鹽霧和各種霉菌對(duì)設(shè)備具有極大的破壞性。并且這些氣候因素和環(huán)境條件非常復(fù)雜，既能相互影響，又能相互作用[2]，從而加速對(duì)設(shè)備的損害。現(xiàn)對(duì)其濕熱、鹽霧及霉菌進(jìn)行分析如下：

濕熱引起腐蝕的原理如圖3所示。設(shè)備外漏表面若直接暴露在潮濕的大氣中，通常會(huì)吸附一層水膜，含有鹽分的水膜在金屬表面形成電化學(xué)腐蝕所必需的電解質(zhì)膜，這種電解質(zhì)膜對(duì)裸露金屬表面具有很強(qiáng)的腐蝕性[3]。低緯度區(qū)域溫度較高，而高溫會(huì)增加電化學(xué)腐蝕的速度。濕熱不僅對(duì)金屬具有腐蝕性，對(duì)印制電路板的PCBA涂層破壞性也比較大，能引起電路板起泡、線路間短路等。

鹽霧引起腐蝕的機(jī)理如圖4所示。海水中含有大量鹽（NaCl），艦載光電設(shè)備雖然不直接接觸海水，但由于海水的擾動(dòng)或海浪擊岸時(shí)的噴散形成氣泡，氣泡破散后形成微小的水滴，一部分水滴隨氣流升入空中形成鹽霧，鹽霧極易附著在艦載光電設(shè)備的表面，這些鹽霧中含有大量的氯離子（Cl-），在金屬表面形成微電池，與金屬材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，破壞金屬表面的鈍化膜，形成孔蝕或者縫隙腐蝕。鹽霧是最有破壞性的大氣腐蝕，并且形式多樣，如縫隙腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。鹽霧不僅對(duì)金屬材料具有腐蝕力，而且對(duì)部分絕緣材料也具有一定的破壞力。

海洋性環(huán)境是霉菌生長(zhǎng)和繁殖的溫室。光電設(shè)備一旦密封失效，有空氣進(jìn)入，便有可能被霉菌污染。霉菌對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的危害主要如圖5所示：（1）密封件，密封件是設(shè)備的第一道防線，多數(shù)密封件是由天然橡膠制成，抗霉性比較低，霉菌滋生后，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，彈性降低，嚴(yán)重時(shí)密封失效，甚至引起泄露等；（2）絕緣材料，絕緣材料一旦被霉菌污染，其絕緣電阻將大幅度下降；（3）印制電路板，霉菌入侵后可能導(dǎo)致線路間導(dǎo)電，發(fā)生短路；（4）工程塑料，霉菌污染后的工程塑料塑性將變差，加速其老化。

通過分析可知，艦載光電設(shè)備長(zhǎng)期服役于惡劣且復(fù)雜的海洋環(huán)境下，這些環(huán)境因素相互影響極易形成惡性循環(huán)，因此要防微杜漸，從多方面考慮，將三防設(shè)計(jì)理念貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)制備中，包括材料的選取，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工藝的制定等。

3.3 防腐措施

針對(duì)艦載光電設(shè)備所處環(huán)境，一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)：

（1）材料應(yīng)用

合理、正確的選取設(shè)備所用材料是三防設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。選材時(shí)應(yīng)針對(duì)腐蝕環(huán)境的特點(diǎn)，了解材料的腐蝕機(jī)理、遭受破壞的形式及抵抗霉菌的能力，還要了解不同材料之間的相互作用，避免電位差引起腐蝕。金屬的耐腐蝕性比較復(fù)雜，同樣的金屬材料在不同的環(huán)境下耐腐蝕性也不盡相同。在選擇金屬材料時(shí)首先要考慮其自身的強(qiáng)度、剛度等特性，其次要結(jié)合使用環(huán)境考慮其耐腐蝕性，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際應(yīng)用中，金屬材料自身的耐腐蝕性不夠優(yōu)越時(shí)，可進(jìn)行涂覆處理，在其表面鍍覆金屬層和涂覆非金屬層進(jìn)行保護(hù)，以提高抗腐蝕能力。光電設(shè)備中以電偶腐蝕最為普遍[4]，因此要針對(duì)其腐蝕機(jī)理合理選擇金屬材料及其鍍層。在選擇非金屬材料時(shí)，首先要考慮其特性是否滿足要求，還要考慮其耐霉菌的能力，有電磁屏蔽要求時(shí)，還要考慮其導(dǎo)電性。隨著新材料的出現(xiàn)，將涌現(xiàn)出新的性能優(yōu)越的耐腐蝕材料可供選擇?？傊?，選材是基礎(chǔ)，是設(shè)備研制的第一步，關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的性能表現(xiàn)及后續(xù)三防處理。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是三防設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。光電設(shè)備涉及到光學(xué)部分和電路部分，而這些對(duì)外部環(huán)境要求比較高，艦載光電設(shè)備的三防設(shè)計(jì)顯得尤為重要。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效避免腐蝕的發(fā)生。一般情況下，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行三防設(shè)計(jì)：

a.設(shè)計(jì)關(guān)重件時(shí)可考慮單獨(dú)密封或加保護(hù)罩等措施。

b.整機(jī)盡量采用整體鑄造或鍛件機(jī)加的結(jié)構(gòu)形式，盡量避免焊、鉚和螺紋等連接形式。

c.對(duì)所有開口處進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。由于安裝、維修及性能要求，設(shè)備必然形成開口結(jié)構(gòu)，開口處必然會(huì)形成縫隙，而縫隙多是腐蝕發(fā)生的源頭，因此開口處的密封設(shè)計(jì)是三防設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，并且不同的開口處密封設(shè)計(jì)也不相同，如光學(xué)系統(tǒng)出光口和接受窗口處要增加保護(hù)玻璃、密封墊、壓圈、密封膠等。

d.結(jié)構(gòu)表面應(yīng)簡(jiǎn)潔、流暢，防止溝槽和尖角，選擇合理的圓角半徑或凸臺(tái)半徑，避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)。合理的把控表面質(zhì)量，進(jìn)一步提高零件的抗腐蝕能力。

e.結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)抽真空或充入氮?dú)獾炔换顫姎怏w防止氧化反應(yīng)。必要時(shí)，局部設(shè)計(jì)干燥劑。

f.斷面厚度盡量一致，以防薄弱部位發(fā)生形變，材料晶格產(chǎn)生扭曲，引起應(yīng)力腐蝕。

g.盡量選取同一種金屬材料，或者電位相近的材料進(jìn)行配對(duì)以防電位差腐蝕。必須選用不同金屬材料時(shí)，在金屬間加絕緣襯墊進(jìn)行隔離，或者在金屬表面鍍覆同一種金屬材料。

（3）工藝防護(hù)

改善材料的金相組織、消除應(yīng)力和變形。對(duì)常用金屬材料進(jìn)行表面覆蓋金屬鍍層或非金屬涂層。如鋁制零件進(jìn)行化學(xué)氧化、陽極氧化處理；鋼制零件進(jìn)行鍍鋅、鍍鎘或鍍鉻處理等。外表面采用非金屬涂層保護(hù)，選擇三防性能良好的聚氨酯底漆、丙烯酸漆和相應(yīng)的面漆。

在實(shí)際工作中，材料的選取、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工藝防護(hù)是相互影響相互滲透的。

4 三防設(shè)計(jì)改進(jìn)

該設(shè)備基本遵從三防設(shè)計(jì)要求，但依然發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象。從圖6和圖7可看出腐蝕發(fā)生在結(jié)構(gòu)件連接處，即縫隙腐蝕，可謂千里之堤毀于蟻穴。

針對(duì)腐蝕發(fā)生的形式和特點(diǎn)，并具體分析設(shè)備所處的環(huán)境特點(diǎn)，在三防設(shè)計(jì)上作了如下改進(jìn)：

（1）結(jié)構(gòu)件表面進(jìn)行組織更致密微弧氧化處理，鍍層外選用三防效果更好的氟碳漆，對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行可靠的三防保護(hù)。并且面漆涂至無導(dǎo)電要求的結(jié)構(gòu)件連接處，做好對(duì)連接處的防護(hù)。

（2）設(shè)備蓋板和殼體連接處，采用螺紋連接，從圖6可以看出，腐蝕發(fā)生后，鋁基材固化了螺釘，拆卸時(shí)螺釘斷裂。為防止該現(xiàn)象的發(fā)生，做如下改進(jìn)：螺紋孔處嵌鋼絲螺套，涂抹阿洛丁及環(huán)氧底漆；更換為耐腐蝕性能良好的316L不銹鋼螺釘；螺紋處涂潤(rùn)滑防護(hù)脂，進(jìn)行濕態(tài)安裝；安裝后在螺釘頭處涂抹密封膠。

（3）把蓋板和機(jī)殼之間所用硅橡膠條改為性能更優(yōu)良的氟硅橡膠條。

（4）蓋板和機(jī)殼連接處為防腐的薄弱環(huán)節(jié)，因此在設(shè)備服役期間，在所有縫隙處涂抹密封膠。只要密封好，設(shè)備的三防效果就好，就能防腐蝕[5]。

通過改進(jìn)，該型號(hào)激光測(cè)距機(jī)目前在艦載設(shè)備上運(yùn)行良好。

5 結(jié)束語

艦載光電設(shè)備屬于精密設(shè)備，腐蝕的產(chǎn)生對(duì)其影響重大，而其工作的環(huán)境又極易形成腐蝕的發(fā)生，因此針對(duì)腐蝕問題的三防技術(shù)越來越受到相關(guān)人員的重視。在實(shí)際工作中，應(yīng)結(jié)合設(shè)備所處環(huán)境的特點(diǎn)，有針對(duì)性地將三防設(shè)計(jì)融會(huì)到整個(gè)設(shè)備的研制過程中，從結(jié)構(gòu)形式、連接方式、材料選擇及工藝措施等多方面進(jìn)行綜合考慮，擇優(yōu)確定總體方案以提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性?？傊?，三防技術(shù)應(yīng)引起管理和設(shè)計(jì)人員的高度重視，在實(shí)際工作中需多方考慮，盡量做到百密而無一疏。

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