海洋環(huán)境下航空電連接器腐蝕行為規(guī)律研究

譚曉明，張丹峰，王德，錢昂，戰(zhàn)貴盼

海洋環(huán)境下航空電連接器腐蝕行為規(guī)律研究

譚曉明，張丹峰，王德，錢昂，戰(zhàn)貴盼

（海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

研究電子設(shè)備中電連接器的腐蝕問題。以軍用飛機(jī)典型電連接器為研究對象，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬軍用飛機(jī)服役的海洋環(huán)境條件，開展加速腐蝕試驗(yàn)。得到電連接器宏觀、微觀腐蝕形貌，接觸電阻和絕緣電阻的變化規(guī)律，分析加載電流和未加載電流對電連接器腐蝕行為的影響規(guī)律。在腐蝕試驗(yàn)的前3個(gè)周期，絕緣電阻值在1500~0 MΩ之間劇烈變化，到第4個(gè)周期降到0 MΩ，完全喪失絕緣性能。加載電流明顯加重了電連接器的腐蝕程度，導(dǎo)致接觸電阻快速增大，腐蝕明顯劣化了電連接器的導(dǎo)電性能。

海洋環(huán)境；電連接器；加速腐蝕試驗(yàn)；接觸電阻；絕緣電阻

腐蝕是導(dǎo)致航空電氣系統(tǒng)及設(shè)備失效的主要因素之一，軍用飛機(jī)30%~40%的航空電子設(shè)備失效的直接原因是腐蝕[1-3]。海軍飛機(jī)服役于高溫、高濕、高鹽霧的嚴(yán)酷海洋環(huán)境條件，更是對航空電子設(shè)備的戰(zhàn)技性能和可靠性構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)，甚至引起飛行安全事故。

美軍資料表明，50%以上的軍用飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備故障是由腐蝕引起的，其中以溫度、濕度、鹽霧、腐蝕性氣體和霉菌引起的腐蝕故障最多，占90%以上[4-5]。2008年2月28日，美軍價(jià)值達(dá)十多億美元的B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)在關(guān)島安德森空軍基地墜毀，其直接原因就是由于潮濕空氣導(dǎo)致電子設(shè)備信號(hào)故障，引起飛行員誤操縱而失速墜毀。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，現(xiàn)代軍用飛機(jī)上的電纜鋪開后長度可長達(dá)十公里，需要用到的電連接器約800~1000個(gè)[6-7]。隨著裝備的發(fā)展，這個(gè)數(shù)量還會(huì)增加。同時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，電連接器失效概率約占組成系統(tǒng)電子元器件失效案例總數(shù)的40%~50%。系統(tǒng)中任何一個(gè)電連接器中的任何一個(gè)接點(diǎn)失效，往往就能造成整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的癱瘓、失效和重大的事故發(fā)生[8-11]。

經(jīng)腐蝕普查發(fā)現(xiàn)，海軍飛機(jī)長期服役于惡劣的海洋氣候環(huán)境下，其高溫、高濕、空氣中的腐蝕性物質(zhì)、鹽霧和各種霉菌對電子設(shè)備具有極大的破壞性，直接影響了機(jī)載設(shè)備的導(dǎo)電、磁導(dǎo)、電感、電容、電子發(fā)射和電磁屏蔽等參量的改變，從而引起設(shè)備故障，降低完好率。高濕環(huán)境使得海軍飛機(jī)電子設(shè)備頻率發(fā)生漂移，輕者導(dǎo)致噪聲干擾影響通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致通信不暢，甚至聯(lián)系中斷，設(shè)備無法正常工作。例如，經(jīng)常執(zhí)行海上超低空飛行任務(wù)的某型直升機(jī)，電插件殼體腐蝕爛透，插針銹蝕嚴(yán)重甚至粉化[12]。

以軍用飛機(jī)P20K9Q型電連接器為研究對象，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬海軍飛機(jī)服役的鹽霧條件，開展酸性鹽霧試驗(yàn)，分析加載電流和未加載電流對電連接器腐蝕行為的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)的電連接器型號(hào)為P20K9Q，共4個(gè)試驗(yàn)件，分別標(biāo)記為C、F、G和H。電連接器試驗(yàn)件制備過程中，用剝線鉗截取相同長度的耐高溫絕緣航空導(dǎo)線，并且在兩端準(zhǔn)備好適當(dāng)長度的線頭。接著在靠近另一端處套上打印好標(biāo)記的熱縮管，并進(jìn)行熱縮處理。最后在工作臺(tái)上用電烙鐵將導(dǎo)線另一端與插針插孔的接線端進(jìn)行焊接處理，完成試驗(yàn)件的制備工作。其中，C號(hào)件和G號(hào)電連接器不加載電流，F(xiàn)號(hào)件和H號(hào)電連接器加載10A直流電流載荷。

1.2 鹽霧試驗(yàn)

參考GJB 150.11A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》[13]，確定鹽霧試驗(yàn)條件：試驗(yàn)箱溫度為40 ℃，噴霧溶液是NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、pH=3的冰醋酸NaCl溶液；鹽霧沉降量為1~2mL/(cm2·h)。

1.3 試驗(yàn)周期

每個(gè)鹽霧試驗(yàn)周期為24 h，每隔一個(gè)周期暫停鹽霧試驗(yàn)，并對電連接器進(jìn)行宏觀、微觀腐蝕形貌觀察和分析，測量接觸電阻和絕緣電阻，分析腐蝕行為規(guī)律，研究加載電流的影響。鹽霧試驗(yàn)14個(gè)周期，總共336 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀腐蝕形貌

經(jīng)過14個(gè)周期的酸性鹽霧試驗(yàn)后，電連接器殼體表面涂層變色、龜裂、脫落和白色粉狀腐蝕產(chǎn)物堆積。未腐蝕和腐蝕14個(gè)周期的電連接器和電連接器母頭的宏觀形貌分別如圖1和圖2所示。

圖1 電連接器的宏觀形貌

圖2 電連接器母頭的宏觀形貌（腐蝕14個(gè)周期）

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，電連接器的腐蝕重點(diǎn)部位為殼體、母頭和緊固件。電連接器殼體的宏觀腐蝕形貌為漆料層變色、龜裂、脫落和腐蝕產(chǎn)物堆積；電連接器母頭的宏觀腐蝕形貌為漆料嚴(yán)重變質(zhì)、大量脫落，腐蝕產(chǎn)物大量堆積；電連接器緊固件的宏觀腐蝕形貌為嚴(yán)重銹蝕、銹蝕產(chǎn)物大量堆積，甚至失去緊固功能。

2.2 微觀腐蝕形貌

采用XX型掃描電鏡對電連接器插針進(jìn)行微觀形貌觀察，對比分析了未腐蝕、腐蝕未加載電流、腐蝕加載電流條件下電連接器插針微觀形貌的區(qū)別。未腐蝕條件下、未加載電流和加載10 A電流條件下電連接器插針的微觀腐蝕形貌如3所示。可見，不加載電流條件下，腐蝕14個(gè)周期后，電連接器插針腐蝕較輕，表面只有少量的腐蝕微孔，除了個(gè)別微孔直徑達(dá)到50 μm外，其他微孔直徑均小于10 μm，如圖3b所示。加載10 A電流條件下，電連接器插針表面布滿腐蝕產(chǎn)物，腐蝕微孔尺寸大，而且致密，有的微孔直徑達(dá)到100 μm，如圖3c所示。

圖3 電連接器插針微觀形貌

對比分析加載與不加載電流情況下電連接器插針的微觀腐蝕形貌可知，加載電流載荷大大加速了電連接器插針的腐蝕程度。電連接器微觀腐蝕形貌變化過程為：先出現(xiàn)腐蝕起泡現(xiàn)象，后腐蝕泡破裂，出現(xiàn)腐蝕孔，接著腐蝕孔深度和范圍不斷擴(kuò)大，后連成一片出現(xiàn)腐蝕溝，最后表面材料出現(xiàn)變質(zhì)，出現(xiàn)大范圍的腐蝕風(fēng)化現(xiàn)象。

2.3 接觸電阻變化規(guī)律

航空電連接器的接觸電阻是指兩個(gè)接觸導(dǎo)體在接觸部分產(chǎn)生的電阻，主要是指插針與插孔連接處造成的電阻。接觸電阻的測量一般采用接觸電阻-毫伏法，借助毫歐計(jì)對電連接器進(jìn)行接觸電阻測量。在試驗(yàn)中對電連接器進(jìn)行了接觸電阻阻值測量，四組試驗(yàn)件都焊接有導(dǎo)線，并且每一個(gè)電連接器導(dǎo)線的型號(hào)和長度保持一致。在測量時(shí)，保證導(dǎo)線的平直，確保測量夾子夾持到位。每一次測量3組數(shù)據(jù)，取平均值作為有效值，測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 酸性鹽霧條件下電連接器插針接觸電阻變化規(guī)律

酸性鹽霧條件下，未加載電流的電連接器接觸電阻變化緩慢，如圖4a所示。加載電流引起電連接器接觸電阻變化劇烈，接觸電阻最大值增大到5 MΩ。因此，加載電流明顯增大了電連接器接觸電阻的上升速率，進(jìn)一步破壞了試驗(yàn)件的電氣性能。

2.4 絕緣電阻變化規(guī)律

航空電連接器的絕緣電阻是指在電連接器的絕緣部分施加一定大小的電壓，導(dǎo)致該部分的絕緣破壞，從而在表面或內(nèi)部產(chǎn)生泄露電流而呈現(xiàn)出的電阻值。絕緣電阻是衡量電連接器電氣性能的一個(gè)重要指標(biāo)。絕緣電阻值低，則表示泄漏電流大，而過大的泄漏電流將會(huì)產(chǎn)生大量的熱和直流電解，最終造成絕緣性能的破壞或使電連接器的電性能變差。溫度、濕度、酸性、污損等因素都能夠造成絕緣材料的破壞，從而引起絕緣電阻的降低[14]。

采用絕緣電阻測試儀對電連接器進(jìn)行絕緣電阻測量，試驗(yàn)中對第三組和第五組試驗(yàn)件進(jìn)行了絕緣電阻值的測量。兩組電連接器都焊接有導(dǎo)線，并且每一個(gè)試驗(yàn)件導(dǎo)線的型號(hào)和長度保持一致。在測量時(shí)，將導(dǎo)線連接到接線端子上，在連接導(dǎo)線的U型端子和公頭支座上確定好測量點(diǎn)，在接下來的測量中，每一次都在確定好的位置測量，最大程度上減小測量誤差。每一次測量3組數(shù)據(jù)，最終取平均值作為有效值。

對F號(hào)電連接器加載電流載荷，G號(hào)電連接器不加載電流載荷，在酸性鹽霧環(huán)境中進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)，H號(hào)電連接器在正常外界環(huán)境中加載電流載荷。通過對比試驗(yàn)，討論酸性鹽霧環(huán)境條件下加載電流載荷與不加載電流對電連接器絕緣電阻變化規(guī)律的影響。

在第1個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，酸性鹽霧環(huán)境下的電連接器接觸件與殼體之間絕緣電阻均遭到嚴(yán)重破壞，絕緣電阻值由1500 MΩ迅速下降到0。第2~3個(gè)周期，絕緣電阻在短時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)到1500 MΩ。到第4個(gè)試驗(yàn)周期，絕緣電阻又下降到0，完全喪失絕緣性能，如圖5所示。

圖5 接觸件與殼體間絕緣電阻變化規(guī)律

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬了軍用飛機(jī)服役的海洋環(huán)境，針對P20K9Q型電連接器開展了酸性鹽霧試驗(yàn)，分別從插針宏觀、微觀腐蝕形貌、接觸電阻和絕緣電阻等四個(gè)方面分析了電連接器腐蝕行為規(guī)律，得到如下幾個(gè)方面結(jié)論。

1）酸性鹽霧條件下，電連接器殼體的宏觀腐蝕形貌為漆料層變色、龜裂、脫落和腐蝕產(chǎn)物堆積。電連接器母頭的宏觀腐蝕形貌為漆料嚴(yán)重變質(zhì)、大量脫落，腐蝕產(chǎn)物大量堆積。

2）未加載電流的電連接器插針表面腐蝕微孔數(shù)量較少，尺寸較小。加載電流條件的電連接器插針腐蝕微孔數(shù)量大大增多，尺寸明顯增大，加載電流載荷大大加重了電連接器插針的腐蝕程度。

3）酸性鹽霧條件下，未加載電流的電連接器接觸電阻變化平穩(wěn)，基本在0.5~1.5 MΩ的范圍內(nèi)變化。加載電流引起電連接器接觸電阻變化劇烈，快速增大，最大值達(dá)到5 MΩ，明顯劣化了電連接器的導(dǎo)電性能。

4）第1個(gè)試驗(yàn)周期，絕緣電阻由1500 MΩ迅速下降到0。在第2~3周期，絕緣性能得到短時(shí)間恢復(fù)。第4個(gè)周期以后，絕緣性能完全喪失。

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Corrosion Behavior of Aviation Electrical Connector in Marine Environment

TAN Xiao-ming, ZHANG Dan-feng, WANG De, QIAN Ang, ZHAN Gui-pan

(Qingdao Branch of Navy Aeronautical University, Qingdao 266041, China)

The paper aims to research the corrosion problems of electrical connector in electronic equipment. Taking typical electrical connectors of military aircraft as the research object, the accelerated corrosion test was carried out under laboratory conditions to simulate the marine environment conditions of military aircraft in service. The macroscopical and microscopic corrosion morphology, the change laws of contact resistance and insulation resistance of electrical connectors were obtained, and the effects of loaded current and unloaded current on corrosion behavior of electric connectors were analyzed. In the first three cycles of the corrosion test, the insulation resistance varied drastically between 1500-0 MΩ and dropped to 0MΩ by the fourth cycle, completely lost the insulation properties. The results show that the load current significantly aggravates the corrosion of the electrical connector; leading rapid increase of the contact resistance. The corrosion remarkably deteriorates the electrical conductivity of the electrical connector.

marine environment; electrical connector; accelerated corrosion test; contact resistance; insulation resistance

2019-07-20；

2019-09-06

10.7643/ issn.1672-9242.2020.02.009

TG172.5

A

1672-9242(2020)02-0056-05

2019-07-20；

2019-09-06

譚曉明（1975—），男，博士，主要研究方向?yàn)轱w機(jī)腐蝕防護(hù)與控制。

TAN Xiao-ming (1975—), Male, Ph. D., Research focus: corrosion preuention and control of aircraft.