防水透氣閥在航空電子設(shè)備上的應(yīng)用與驗(yàn)證

張敬鋒

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門448035）

航空電子設(shè)備在其生產(chǎn)制造、貯存、使用的全壽命期都會(huì)經(jīng)受各種環(huán)境因素的作用，各種惡劣環(huán)境對其性能有嚴(yán)重影響，而其性能直接關(guān)系到飛機(jī)的使用性能、安全性和可靠性。特別是在海岸和海島起降的飛機(jī)，濕熱、鹽霧、霉菌等影響腐蝕的因素更為嚴(yán)酷，飛機(jī)從地面到高空飛行，頻繁的氣壓和溫度變化對于一些采用密封設(shè)計(jì)的航電設(shè)備是極大的考驗(yàn)。

1 航空電子設(shè)備的環(huán)境防護(hù)需求

1.1 航空電子設(shè)備的使用環(huán)境分析

航空電子設(shè)備在使用過程中承受著溫度和氣壓的大范圍變化。設(shè)備普遍的使用環(huán)境溫度在-40℃～55℃，加上工作時(shí)元器件的發(fā)熱，內(nèi)部器件和板卡最高溫度可以達(dá)到80℃或更高。溫度的巨大變化除了會(huì)造成內(nèi)外差壓的變化，還會(huì)加速密封材料的老化。

氣壓也是航電設(shè)備在使用過程中不可忽視的因素，萬米高空的外部大氣壓只有地面氣壓的1/4左右。如此大的氣壓變化，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)外殼、密封條、電連接器都是不小的考驗(yàn)。溫度和氣壓的循環(huán)沖擊，足以造成設(shè)備的密封失效，外部的水汽攜帶腐蝕介質(zhì)侵入設(shè)備殼體，腐蝕設(shè)備內(nèi)部的電子元器件，引起設(shè)備故障，因此呼吸效應(yīng)的防護(hù)必不可少[1]。

1.2 航空電子設(shè)備防護(hù)措施對比分析

航空電子設(shè)備由于呼吸效應(yīng)導(dǎo)致水汽和腐蝕介質(zhì)侵入的問題，有以下3種解決思路：①提高設(shè)備的防護(hù)等級，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)密封措施可使設(shè)備的防護(hù)等級提高到IP68[2]，但是這樣會(huì)使設(shè)備的制造成本急劇增加，使用維護(hù)變得困難。很多電子設(shè)備表面普遍安裝有指示燈、開關(guān)、電連接器等附件，這些附件使得設(shè)備完全氣密幾乎不可能。在強(qiáng)大的壓差作用下，水汽和腐蝕介質(zhì)依然會(huì)通過附件的結(jié)構(gòu)縫隙進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，而且由于毛細(xì)作用和迷宮效應(yīng)的存在，結(jié)構(gòu)縫隙內(nèi)部的水汽更不易干燥，除了引起附件腐蝕之外，還會(huì)使設(shè)備內(nèi)部長期處于飽和濕熱的狀態(tài)，引發(fā)電氣故障。②設(shè)備內(nèi)部整體灌封，由于沒有了設(shè)備腔體內(nèi)的空氣，所以呼吸效應(yīng)也不存在，而且灌封材料隔離了設(shè)備內(nèi)部器件與外部腐蝕介質(zhì)的接觸，使得設(shè)備內(nèi)部幾乎不會(huì)發(fā)生腐蝕。但是灌封除了引起設(shè)備增重，還會(huì)喪失維護(hù)性。對于發(fā)熱量大、有散熱要求的器件，或是保留擴(kuò)展位的設(shè)備，整體灌封也是盡可能避免的方案。③參考飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)排水的方法在航空電子設(shè)備的外殼上設(shè)置排水孔。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是電子設(shè)備的內(nèi)外壓差可以達(dá)到實(shí)時(shí)平衡，設(shè)備內(nèi)部的積水可以迅速排出。缺點(diǎn)是由于水的表面張力，過小的排水孔沒有排水效果，排水孔的直徑必須大于9mm[3]，這么大的排水孔，會(huì)帶來電子設(shè)備電磁兼容的問題，而且排水孔的存在使得設(shè)備內(nèi)外環(huán)境基本一致，外部環(huán)境中的潮氣、霉菌和鹽霧直接進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，給設(shè)備使用造成較大的風(fēng)險(xiǎn)，不適合在較惡劣的環(huán)境中工作。

針對常規(guī)密封設(shè)計(jì)呼吸效應(yīng)不可避免的問題，選用防水透氣閥是一種合理的解決方案[4]。防水透氣閥工作原理是把防水透氣膜通過注塑、超聲焊接等形式和塑膠、金屬、硅膠等其他材料結(jié)合，形成可以密閉的安裝部件。

防水透氣膜選用膨體聚四氟乙烯（E-PTFE）微孔膜制造，該E-PTFE膜的微孔直徑在0.1～10μm之間，而氣體的分子只有0.0004μm左右，膜的孔徑比氣體直徑大250～25000倍；水分子的直徑有400μm，比薄膜的微孔直徑大40～4000倍，因此可以在阻擋水滴的同時(shí)讓氣體順利通過。

與本文中提出的其他方案相比，防水透氣閥能通過較好的透氣性來實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)外壓力的平衡，防止外部的水和腐蝕介質(zhì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，有效保護(hù)設(shè)備密封的完整性。因此，分析可知在密封設(shè)備上使用防水透氣閥可以在不影響防護(hù)性能的前提下有效防止呼吸效應(yīng)的影響。

2 防水透氣閥的應(yīng)用與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 防水透氣閥的選型

防水透氣閥的閥體材料有金屬和非金屬兩類，造型一般為螺栓形。非金屬防水透氣閥采用尼龍或其他材料，使用溫度難以滿足航空電子設(shè)備高低溫和溫度沖擊的要求，故要謹(jǐn)慎選取。金屬防水透氣閥的殼體材料通常有鋁合金、不銹鋼等，在選取時(shí)，除了要考慮閥體材料自身的耐蝕能力之外，還要考慮與設(shè)備外殼材料的電位差，防止兩種材料電位差過大產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

防水透氣閥的技術(shù)指標(biāo)有防護(hù)等級和透氣量。防水透氣閥的防護(hù)等級從IP65～I(xiàn)P68，其中IP65通過物尺寸為5μm；IP66通過物尺寸為3μm；IP67通過物尺寸為0.45μm。透氣效率隨著防護(hù)等級的升高而降低。一般使用環(huán)境選取IP65即可，如有浸水的環(huán)境，建議考慮IP67或更高的防護(hù)等級。

2.2 防水透氣閥效果的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證防水透氣閥的使用效果，在常規(guī)的航空電子設(shè)備機(jī)箱上進(jìn)行了對比試驗(yàn)。本項(xiàng)試驗(yàn)中，模擬設(shè)備機(jī)箱4個(gè)，表面安裝電連接器。具體情況見表1。

表1 試驗(yàn)件配置表

在每個(gè)試驗(yàn)機(jī)箱內(nèi)部都放置溫濕度記錄儀，可以實(shí)時(shí)記錄箱體內(nèi)部的溫濕度并存儲(chǔ)。

試驗(yàn)條件采用實(shí)驗(yàn)室加速環(huán)境譜，具體試驗(yàn)條件為：①濕熱7天；②低溫低氣壓2h；③鹽霧試驗(yàn)7天。這3個(gè)步驟為一個(gè)試驗(yàn)周期，每個(gè)周期試驗(yàn)完成后檢查試驗(yàn)機(jī)箱狀態(tài)。該環(huán)境普遍用于模擬設(shè)備在海洋大氣環(huán)境下的長期運(yùn)行。

試驗(yàn)第一周期后開箱檢測，不進(jìn)行密封設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)箱1、2情況完全一致，箱體內(nèi)部出現(xiàn)明顯積水。分析原因，金屬蓋板與壁板之間沒有密封墊的話，縫隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子級別。因此，未采用密封設(shè)計(jì)的機(jī)箱是否防水透氣閥都沒有意義，水和鹽霧會(huì)從機(jī)箱縫隙處侵入，在機(jī)箱內(nèi)形成積水。進(jìn)行了箱體密封和緊固件濕裝配的機(jī)箱3、4，在第一周期試驗(yàn)完畢后內(nèi)部情況相似，不存在積水及鹽霧沉積，證明密封措施對機(jī)箱內(nèi)部的防護(hù)是有效的。

試驗(yàn)第四周期后開箱檢測，未安裝防水透氣閥的機(jī)箱3濕度曲線出現(xiàn)明顯階躍，然后在同一時(shí)間的濕度數(shù)值也高于機(jī)箱4。而且機(jī)箱3內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的水膜附著，這是前3個(gè)周期從未出現(xiàn)過的。但安裝有防水透氣閥的機(jī)箱4內(nèi)部情況和前3個(gè)周期一樣，未出現(xiàn)積水積鹽情況。

由此可以推斷，未安裝防水透氣閥的機(jī)箱3隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，也產(chǎn)生了氣體交換。檢查箱體外觀，發(fā)現(xiàn)未安裝防水透氣閥的機(jī)箱3電連接器安裝法蘭、插頭隙處積鹽明顯，連接器安裝處的機(jī)箱面板漆層出現(xiàn)了明顯鼓包。對比安裝防水透氣閥的機(jī)箱4，電連接器表面只有少許鹽粒沉積，縫隙處未見積鹽，安裝部位結(jié)構(gòu)完好。

試驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析，未安裝防水透氣閥的機(jī)箱，長期使用后密封薄弱部位容易失效，內(nèi)外氣體交換是通過密封薄弱處進(jìn)行的，這樣在密封薄弱處產(chǎn)生了腐蝕；而安裝防水透氣閥的密封機(jī)箱，氣體交換是通過防水透氣閥進(jìn)行的，能夠保證密封設(shè)計(jì)長期有效。

3 結(jié)論

通過原理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)的航空電子設(shè)備機(jī)箱，安裝防水透氣閥確實(shí)能夠防止呼吸效應(yīng)對設(shè)備的影響，有效平衡內(nèi)外壓差，避免水和腐蝕介質(zhì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，提升航電設(shè)備的腐蝕防護(hù)能力，保護(hù)密封薄弱部位，從而提升設(shè)備的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力。