島礁環(huán)境下航空電連接器的腐蝕及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h1>
2023-05-08 06:02:32許振曉郁大照劉琦
裝備環(huán)境工程 2023年4期
許振曉，郁大照，劉琦
（海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001）
電連接器是飛機(jī)上電氣系統(tǒng)的重要連接器件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架現(xiàn)代殲擊機(jī)使用的電纜長(zhǎng)達(dá)5～10 km，其配套的電連接器約800～1 000 多件，一架大型運(yùn)輸機(jī)電纜總長(zhǎng)度達(dá)250 km，其配套的電連接器約4 500 多件[1]。對(duì)服役在某島礁環(huán)境下的飛機(jī)，其環(huán)境極其惡劣，鹽霧質(zhì)量濃度達(dá)到0.369 4 mg/(100 cm2·d)[2]，是內(nèi)陸環(huán)境的100 倍，全年平均濕度更是達(dá)到87%，引發(fā)航空電連接器較高的故障率。張友蘭等[3]通過3 年時(shí)間的實(shí)地跟蹤調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在沿海機(jī)場(chǎng)環(huán)境服役飛機(jī)的電子設(shè)備故障率是內(nèi)陸環(huán)境的2～3 倍。如同種機(jī)型的同一批導(dǎo)航設(shè)備，在島礁環(huán)境使用時(shí)，其故障率是滄州使用時(shí)的3 倍，其中又有40%是由電連接器的失效而產(chǎn)生的。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞電連接器腐蝕失效問題展開了大量研究。王玲等[4]根據(jù)不銹鋼殼體和鋁合金殼體電連接器在熱帶海洋大氣環(huán)境下的暴露試驗(yàn)結(jié)果，從環(huán)境影響、材料工藝等方面分析了這2 類電連接器殼體腐蝕和絕緣電阻變化原因。余俊[5]通過加速退化試驗(yàn)研究了插拔行為對(duì)Y11P-1419 型電連接器接觸性能的影響，發(fā)現(xiàn)插拔會(huì)造成電連接器接觸電阻劇烈變化，插拔次數(shù)越多，變化幅度越大。申敏敏[6]研究了該型電連接器在溫度應(yīng)力下性能退化的特點(diǎn)，并建立了基于布朗運(yùn)動(dòng)的接觸性能退化模型。Kong 等[7]通過研究硝酸蒸汽對(duì)不同電連接器材料的影響，發(fā)現(xiàn)與其他材料相比，鍍金材料具有更好的耐腐蝕性能，而且鍍金層越厚，腐蝕程度越低，腐蝕時(shí)間越久，鍍金層孔隙率越高。譚曉明等[8]在酸性鹽霧環(huán)境下研究了P20K9Q 型電連接器在加載電流和不加載電流2 種情況下的腐蝕行為，分析發(fā)現(xiàn)，加載電流明顯加重了腐蝕程度，導(dǎo)致接觸電阻快速增大。以上研究主要圍繞電連接器在各種環(huán)境中的失效機(jī)制展開，重點(diǎn)關(guān)注腐蝕形貌和接觸電阻的變化，而較少見關(guān)于電連接器腐蝕對(duì)信號(hào)傳輸影響的研究。
航空電連接器是飛機(jī)電信號(hào)傳輸?shù)臉蛄?，其性能參?shù)的變化會(huì)影響信號(hào)的完整性[9]。在某島礁環(huán)境下，除了電接觸表面銹蝕，接觸電阻增大致使信號(hào)衰減外，高溫、高濕和鹽霧引起的殼體腐蝕，產(chǎn)生漏電通道，從而導(dǎo)致其絕緣或介電性能下降，信號(hào)的能量損失增加[10]，會(huì)直接影響電連接器的導(dǎo)電和電磁屏蔽等參量的改變，從而引起信號(hào)傳輸異常。本文基于某島礁環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了交變濕熱加鹽霧加電應(yīng)力加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，開展典型電連接器加速試驗(yàn)，得到不同腐蝕等級(jí)的樣本，然后分別研究這些樣本在電路中對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的影響。
1 腐蝕加速試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)對(duì)象選用某廠生產(chǎn)的同一批次的J599/26KF96PNH 插頭和J599/20KE30PNH 插座各4個(gè)，正常連接組成4 組電連接器樣品，電連接器內(nèi)部針孔分布如圖1 所示。取出1 組不參與加速腐蝕試驗(yàn)，僅作為對(duì)比參照，并標(biāo)記為樣本1。
圖1 連接器內(nèi)部插針和插孔Fig.1 Physical drawing of internal pins and sockets of connector
熱帶海洋環(huán)境下，電連接器主要受溫度變化、潮濕空氣、鹽霧因素的影響[11]，所以本文所做的腐蝕加速試驗(yàn)主要考慮濕熱、鹽霧和干濕交替，再加上電應(yīng)力共4 個(gè)影響因子。試驗(yàn)方案采用GJB 1217A—2009《電連接器試驗(yàn)方法》中的1001：鹽霧試驗(yàn)和1002：交變濕熱試驗(yàn)[12]。鹽霧試驗(yàn)用于模擬海洋環(huán)境下大氣中的鹽霧在電連接器表面的沉積。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某島礁2017年1 月至2018 年12 月期間的最高溫度為33.6 ℃[13]，考慮到飛機(jī)電子設(shè)備艙的半封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度可能偏高，設(shè)定鹽霧試驗(yàn)溫度為35 ℃，目的是試驗(yàn)電連接器在極端惡劣環(huán)境下的腐蝕情況。交變濕熱試驗(yàn)用于模擬航空電連接器腐蝕過程中溫度變化帶來的呼吸作用，使得潮氣能夠吸附在電連接器表面和滲入電連接器內(nèi)部。本試驗(yàn)所用到的設(shè)備見表1。
表1 試驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)備Tab.1 Test and detection equipment
按照先鹽霧試驗(yàn)、后交變濕熱加電應(yīng)力試驗(yàn)的步驟進(jìn)行。鹽霧加交變濕熱與電應(yīng)力1 個(gè)循環(huán)如圖2 所示。1 個(gè)循環(huán)周期由鹽霧試驗(yàn)24 h 和交變濕熱加電應(yīng)力試驗(yàn)96 h 組成，其中交變濕熱的施加按圖3 進(jìn)行。電應(yīng)力作用在交變濕熱試驗(yàn)階段，電壓設(shè)定為24 V，作用時(shí)間為96 h。第5 個(gè)循環(huán)周期后取出1 組作為樣品2，第10 個(gè)循環(huán)周期后取出1 組作為樣品3，試驗(yàn)完全結(jié)束后取出最后1 組作為樣品4，最終得到4 個(gè)不同腐蝕等級(jí)的樣品用于后續(xù)試驗(yàn)研究。
圖2 腐蝕加速試驗(yàn)方法Fig.2 Accelerated corrosion test method
圖3 交變濕熱試驗(yàn)條件Fig.3 Schematic diagram of alternating damp heat test conditions
1.2 電連接器內(nèi)部腐蝕形貌觀察
考慮到主要是電連接器內(nèi)部插針、插孔的腐蝕對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戄^大[14]，腐蝕加速試驗(yàn)結(jié)束后，只對(duì)電連接器插頭采用金相顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察。選取4 個(gè)樣品插頭的同一位置的插針，對(duì)比分析插針表面鍍金層的變化，“J”針位放大200 倍的形貌如圖4所示。
圖4 試驗(yàn)樣品腐蝕形貌Fig.4 Corrosion morphology of test sample: a) sample 1;b) sample 2;c) sample 3;d) sample 4
從圖4a 可以看出，樣品1 雖然沒有參與腐蝕加速試驗(yàn)，但其鍍金層表面也是凹凸不平的。理想情況下，插針和插孔的兩金屬表面為完全接觸，電流線垂直流過接觸面[15]，如圖5 所示。然而實(shí)際情況卻是2個(gè)粗糙面相接觸，鍍金層表面凸起接觸形成導(dǎo)電斑點(diǎn)。當(dāng)電流流過時(shí)，電流線將產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致測(cè)量電阻比完整導(dǎo)線電阻偏大，這就是收縮電阻產(chǎn)生的原理[16]，如圖6 所示。
圖5 理想接觸表面Fig.5 Ideal contact surface
圖6 收縮電阻示意圖Fig.6 Schematic diagram of shrinkage resistance
經(jīng)過5 個(gè)循環(huán)周期的腐蝕試驗(yàn)后，鍍金層表面開始出現(xiàn)少量微孔，如圖4b 所示。其分布并不均勻，呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性。微孔的出現(xiàn)為孔隙腐蝕提供了先決條件，潮濕的腐蝕環(huán)境使接觸表面形成電解液，這種濃縮的表面溶液通過表面缺陷在金和鎳之間提供了一條低電導(dǎo)率的電解路徑[17]。
腐蝕10 個(gè)循環(huán)周期后，樣品3 的表面形貌如圖4c 所示?？梢钥闯觯⒖讛?shù)量明顯增多，且部分坑蝕較大。鍍金表面的陰極部分比孔底的微小鎳點(diǎn)面積大得多。陽極鎳被迫提供電子，腐蝕速率加快。隨著坑越來越深，腐蝕越來越嚴(yán)重，底部可用的氧氣越來越少，使得腐蝕速率增加，導(dǎo)致鎳層下的銅基體腐蝕。鎳層下銅基體的大量下切會(huì)導(dǎo)致鍍層系統(tǒng)與基板的附著力變差，從而可能導(dǎo)致鍍層脫落。
樣品4 的部分鍍層開始脫落，基體腐蝕的形貌特點(diǎn)如圖4d 所示。經(jīng)歷過15 個(gè)循環(huán)周期后，插針表面部分鍍層脫落，基體表面被氧化形成絕緣或半絕緣的腐蝕產(chǎn)物，阻止電流流過金屬接觸表面，這就是膜層電阻產(chǎn)生的原理[18]，如圖7 所示。
圖7 膜層電阻示意圖Fig.7 Schematic diagram of film resistance
1.3 接觸電阻
接觸電阻是衡量電連接器信號(hào)傳輸性能的重要指標(biāo)[19]，主要由收縮電阻和膜層電阻構(gòu)成。隨著腐蝕程度加重，接觸電阻逐漸變大，必將對(duì)插頭和插座直接接觸的金屬表面?zhèn)鬏旊娏骱托盘?hào)的質(zhì)量產(chǎn)生影響。采用AT515 精密電阻儀對(duì)4 個(gè)不同腐蝕程度的樣品進(jìn)行測(cè)試，得到每個(gè)樣品每組接觸件的接觸電阻，每組接觸件測(cè)3 次取平均值，最后算出每個(gè)樣品所有插針的平均值。測(cè)量結(jié)果見表2。
表2 接觸電阻測(cè)量結(jié)果Tab.2 Contact resistance measurement results mΩ
樣品1 沒有參與腐蝕加速試驗(yàn)，接觸電阻值相對(duì)穩(wěn)定，且阻值較小，均小于3 mΩ。樣品2 的接觸電阻分布在3～11 mΩ，分布較為分散。樣品3 的接觸電阻分布在7～19 mΩ，也呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性。樣品4 的接觸電阻分布在15～36 mΩ，分布更為廣泛。樣品2、3、4 經(jīng)歷了不同循環(huán)次數(shù)的腐蝕加速試驗(yàn)，它們的接觸電阻值總體上呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。與樣品1 接觸電阻均值相比，樣品2 增加了3.4 倍，樣品3 增加了7.2 倍，樣品4 增加了13 倍。譚曉明等[8]做過同類型試驗(yàn)，測(cè)量了酸性鹽霧條件下加載電流的電連接器的接觸電阻，試驗(yàn)時(shí)間為336 h，接觸電阻從0.4 mΩ 增加到4.8 mΩ，增加了11 倍。各樣品接觸電阻的均值基本上能反映出其腐蝕程度，與1.2 節(jié)形貌觀測(cè)的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。
2 腐蝕對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h2>
如果只考慮接觸電阻，就使得觸點(diǎn)退化對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憙H僅表現(xiàn)為能量或信號(hào)的衰減。但是電連接器退化后，由于接觸面凹凸不平、表面劣化（表面腐蝕、氧化、水膜等）、觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式等因素，觸點(diǎn)并不是一個(gè)理想電阻[20]。另外，接觸電阻是在不大于100 mV 的直流電壓下測(cè)得的，與電連接器實(shí)際工作電壓相差較大，因此電連接器的接觸電阻并不能完全反映出其退化后對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，有必要作進(jìn)一步的分析研究。
2.1 電接觸模型
腐蝕退化后的接觸表面分為3 種區(qū)域[21]，如圖8所示。第1 種是金屬直接接觸區(qū)域，如位置（1）所示，該區(qū)域可以看成是霍姆接觸模型，電流在接觸點(diǎn)處發(fā)生收縮，使得電流線彎曲，傳輸路徑延長(zhǎng)，產(chǎn)生了收縮電阻。第2 種是金屬–腐蝕膜–金屬接觸區(qū)域，為半導(dǎo)體區(qū)，該區(qū)域中接觸表面被氧化膜層所覆蓋，其中一部分為氧化膜極薄時(shí)通過隧道導(dǎo)電的觸點(diǎn)，產(chǎn)生了位置（2）的膜層電阻；另一部分為完全絕緣膜，將金屬分隔開，從而產(chǎn)生了位置（3）的膜層電容。第3 種是金屬–空隙–金屬接觸區(qū)域，該區(qū)域中金屬之間無直接接觸，為絕緣區(qū)，如位置（4）所示，該區(qū)域產(chǎn)生了非接觸電容。
圖8 電接觸模型Fig.8 Electrical contact model
這3 種區(qū)域并不是單獨(dú)存在的，它們共同位于腐蝕樣品的接觸表面，腐蝕退化后的接觸表面就可以等效成電阻和電容并聯(lián)組成的電路模型，如圖 9所示。因此，在信號(hào)電路中不能忽視電容的影響，下面通過試驗(yàn)研究腐蝕的電連接器接觸表面對(duì)信號(hào)波形的影響。
圖9 等效電路模型Fig.9 Equivalent circuit model
2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本節(jié)試驗(yàn)用到的儀器包括信號(hào)發(fā)生器和示波器，將之前的試驗(yàn)樣品“J”針位接觸件串聯(lián)到兩儀器之間，如圖10 所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一組方波信號(hào)，幅值為3 V，頻率分別為2、10、100 kHz。信號(hào)分成2 路同時(shí)等距傳輸給樣品1 和樣品2，2 路信號(hào)再等距傳輸?shù)绞静ㄆ饔糜陲@示測(cè)量和比較分析。然后分別用樣品3 和樣品4 代替樣品2 做相同的試驗(yàn)。以樣品1 的波形為基準(zhǔn)，將其余3 個(gè)樣品的波形與其進(jìn)行對(duì)比。測(cè)量的參數(shù)包括相位差、上升時(shí)間和過沖。
圖10 試驗(yàn)方法Fig.10 Schematic diagram of test method
相位差就是相位失真。相位差的產(chǎn)生是由于電容和電感對(duì)交流信號(hào)（電壓或電流）具有延遲作用。當(dāng)一個(gè)交流信號(hào)經(jīng)過電容、電感和電阻的時(shí)候，總會(huì)有一個(gè)充放電的過程，這會(huì)導(dǎo)致這個(gè)交流信號(hào)的幅度變化時(shí)間“向后”推遲一段時(shí)間[22]，如圖11 所示。本試驗(yàn)所研究的相位差指的是樣品2、3、4 分別與樣品1比較得到的相位差。
圖11 相位差Fig.11 Schematic diagram of phase difference
信號(hào)的上升時(shí)間是指脈沖瞬時(shí)值最初到達(dá)規(guī)定下限和規(guī)定上限的兩瞬時(shí)之間的間隔。一般下限和上限分別定為脈沖峰值幅度的10%和90%[23]。對(duì)于飛機(jī)電控制信號(hào)，通常是方波信號(hào)，其上升沿非常陡峭。過沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓，對(duì)于上升沿是指最高電壓，而對(duì)于下降沿是指最低電壓，如圖12 所示。過高的過沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，甚至能夠?qū)е码娐吩骷^早地失效[24]。過沖的計(jì)算公式為
圖12 上升時(shí)間和過沖Fig.12 Schematic diagram of rise time and overshoot
2.3 測(cè)量結(jié)果分析
3 組測(cè)量結(jié)果見表3—5。所測(cè)方波信號(hào)的幅值幾乎一樣，因此未在結(jié)果中展現(xiàn)。這也說明本試驗(yàn)所用樣品的接觸電阻較小，造成的能量損失也較少。
表3 f=2 kHz 時(shí)的測(cè)量結(jié)果Tab.3 Measurement results at f=2 kHz
表4 f=10 kHz 時(shí)的測(cè)量結(jié)果Tab.4 Measurement results at f=10 kHz
表5 f=100 kHz 時(shí)的測(cè)量結(jié)果Tab.5 Measurement results at f=100 kHz
從表3—5 中可以看出，相位差、上升時(shí)間和過沖的變化趨勢(shì)基本一致，所有頻率下，3 個(gè)測(cè)量參數(shù)都隨腐蝕程度的增加而增加。當(dāng)信號(hào)頻率升高時(shí)，所有樣品的3 個(gè)測(cè)量參數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加。
電連接器的接觸表面可以看成電阻與電容并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)電連接器的腐蝕程度增加時(shí)，電阻和電容都有不同程度的增加，主要是電容的影響造成信號(hào)相位差、上升時(shí)間和過沖變大。電連接器的信號(hào)傳輸性能不僅與腐蝕程度有關(guān)，而且與頻率相關(guān)[25]。當(dāng)頻率較小時(shí)，電容處于斷路狀態(tài)，信號(hào)主要通過電阻傳輸，則信號(hào)的相位差較小，上升時(shí)間和過沖增加也較少。隨著頻率的增大，容抗值減小，信號(hào)通過電容的分量增大，電容對(duì)信號(hào)的影響作用凸顯，造成信號(hào)的相位差增大，信號(hào)的上升時(shí)間和過沖增加的幅度也變大。
3 結(jié)論
1）鹽霧和交變濕熱加電應(yīng)力環(huán)境對(duì)航空電連接器接觸表面腐蝕作用明顯，隨著腐蝕周期的增加，插孔表面蝕坑越來越多，面積越來越大，直至部分鍍層脫落。基體金屬暴露在鹽霧和交變濕熱環(huán)境下極容易形成腐蝕膜層。
2）潮濕鹽霧侵入電連接器內(nèi)部是導(dǎo)致接觸電阻升高的直接原因。接觸電阻在加速試驗(yàn)的5 個(gè)循環(huán)之后，已經(jīng)有較大變化，后期增加更為明顯。變化的主要原因在于潮濕鹽霧在毛細(xì)作用和呼吸作用下，滲入電連接器殼體螺紋口、定位槽等部位，從而進(jìn)入電連接器內(nèi)部，造成部分環(huán)境下的水分和氯離子等腐蝕介質(zhì)含量持續(xù)增加。
3）接觸電阻雖然是衡量電連接器接觸性能的重要指標(biāo)，但并不能完全反映出腐蝕對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。?dāng)接觸電阻較小時(shí)，電連接器的信號(hào)傳輸性能主要與接觸面間的電容有關(guān)，并且與信號(hào)頻率相關(guān)。電連接器腐蝕越嚴(yán)重，信號(hào)波形失真就越明顯。信號(hào)頻率越高，信號(hào)波形失真越顯著。
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電連接器是飛機(jī)上電氣系統(tǒng)的重要連接器件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架現(xiàn)代殲擊機(jī)使用的電纜長(zhǎng)達(dá)5～10 km，其配套的電連接器約800～1 000 多件，一架大型運(yùn)輸機(jī)電纜總長(zhǎng)度達(dá)250 km，其配套的電連接器約4 500 多件[1]。對(duì)服役在某島礁環(huán)境下的飛機(jī)，其環(huán)境極其惡劣，鹽霧質(zhì)量濃度達(dá)到0.369 4 mg/(100 cm2·d)[2]，是內(nèi)陸環(huán)境的100 倍，全年平均濕度更是達(dá)到87%，引發(fā)航空電連接器較高的故障率。張友蘭等[3]通過3 年時(shí)間的實(shí)地跟蹤調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在沿海機(jī)場(chǎng)環(huán)境服役飛機(jī)的電子設(shè)備故障率是內(nèi)陸環(huán)境的2～3 倍。如同種機(jī)型的同一批導(dǎo)航設(shè)備，在島礁環(huán)境使用時(shí)，其故障率是滄州使用時(shí)的3 倍，其中又有40%是由電連接器的失效而產(chǎn)生的。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞電連接器腐蝕失效問題展開了大量研究。王玲等[4]根據(jù)不銹鋼殼體和鋁合金殼體電連接器在熱帶海洋大氣環(huán)境下的暴露試驗(yàn)結(jié)果，從環(huán)境影響、材料工藝等方面分析了這2 類電連接器殼體腐蝕和絕緣電阻變化原因。余俊[5]通過加速退化試驗(yàn)研究了插拔行為對(duì)Y11P-1419 型電連接器接觸性能的影響，發(fā)現(xiàn)插拔會(huì)造成電連接器接觸電阻劇烈變化，插拔次數(shù)越多，變化幅度越大。申敏敏[6]研究了該型電連接器在溫度應(yīng)力下性能退化的特點(diǎn)，并建立了基于布朗運(yùn)動(dòng)的接觸性能退化模型。Kong 等[7]通過研究硝酸蒸汽對(duì)不同電連接器材料的影響，發(fā)現(xiàn)與其他材料相比，鍍金材料具有更好的耐腐蝕性能，而且鍍金層越厚，腐蝕程度越低，腐蝕時(shí)間越久，鍍金層孔隙率越高。譚曉明等[8]在酸性鹽霧環(huán)境下研究了P20K9Q 型電連接器在加載電流和不加載電流2 種情況下的腐蝕行為，分析發(fā)現(xiàn)，加載電流明顯加重了腐蝕程度，導(dǎo)致接觸電阻快速增大。以上研究主要圍繞電連接器在各種環(huán)境中的失效機(jī)制展開，重點(diǎn)關(guān)注腐蝕形貌和接觸電阻的變化，而較少見關(guān)于電連接器腐蝕對(duì)信號(hào)傳輸影響的研究。
航空電連接器是飛機(jī)電信號(hào)傳輸?shù)臉蛄?，其性能參?shù)的變化會(huì)影響信號(hào)的完整性[9]。在某島礁環(huán)境下，除了電接觸表面銹蝕，接觸電阻增大致使信號(hào)衰減外，高溫、高濕和鹽霧引起的殼體腐蝕，產(chǎn)生漏電通道，從而導(dǎo)致其絕緣或介電性能下降，信號(hào)的能量損失增加[10]，會(huì)直接影響電連接器的導(dǎo)電和電磁屏蔽等參量的改變，從而引起信號(hào)傳輸異常。本文基于某島礁環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了交變濕熱加鹽霧加電應(yīng)力加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，開展典型電連接器加速試驗(yàn)，得到不同腐蝕等級(jí)的樣本，然后分別研究這些樣本在電路中對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的影響。
1 腐蝕加速試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)對(duì)象選用某廠生產(chǎn)的同一批次的J599/26KF96PNH 插頭和J599/20KE30PNH 插座各4個(gè)，正常連接組成4 組電連接器樣品，電連接器內(nèi)部針孔分布如圖1 所示。取出1 組不參與加速腐蝕試驗(yàn)，僅作為對(duì)比參照，并標(biāo)記為樣本1。
圖1 連接器內(nèi)部插針和插孔Fig.1 Physical drawing of internal pins and sockets of connector
熱帶海洋環(huán)境下，電連接器主要受溫度變化、潮濕空氣、鹽霧因素的影響[11]，所以本文所做的腐蝕加速試驗(yàn)主要考慮濕熱、鹽霧和干濕交替，再加上電應(yīng)力共4 個(gè)影響因子。試驗(yàn)方案采用GJB 1217A—2009《電連接器試驗(yàn)方法》中的1001：鹽霧試驗(yàn)和1002：交變濕熱試驗(yàn)[12]。鹽霧試驗(yàn)用于模擬海洋環(huán)境下大氣中的鹽霧在電連接器表面的沉積。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某島礁2017年1 月至2018 年12 月期間的最高溫度為33.6 ℃[13]，考慮到飛機(jī)電子設(shè)備艙的半封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度可能偏高，設(shè)定鹽霧試驗(yàn)溫度為35 ℃，目的是試驗(yàn)電連接器在極端惡劣環(huán)境下的腐蝕情況。交變濕熱試驗(yàn)用于模擬航空電連接器腐蝕過程中溫度變化帶來的呼吸作用，使得潮氣能夠吸附在電連接器表面和滲入電連接器內(nèi)部。本試驗(yàn)所用到的設(shè)備見表1。
表1 試驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)備Tab.1 Test and detection equipment
按照先鹽霧試驗(yàn)、后交變濕熱加電應(yīng)力試驗(yàn)的步驟進(jìn)行。鹽霧加交變濕熱與電應(yīng)力1 個(gè)循環(huán)如圖2 所示。1 個(gè)循環(huán)周期由鹽霧試驗(yàn)24 h 和交變濕熱加電應(yīng)力試驗(yàn)96 h 組成，其中交變濕熱的施加按圖3 進(jìn)行。電應(yīng)力作用在交變濕熱試驗(yàn)階段，電壓設(shè)定為24 V，作用時(shí)間為96 h。第5 個(gè)循環(huán)周期后取出1 組作為樣品2，第10 個(gè)循環(huán)周期后取出1 組作為樣品3，試驗(yàn)完全結(jié)束后取出最后1 組作為樣品4，最終得到4 個(gè)不同腐蝕等級(jí)的樣品用于后續(xù)試驗(yàn)研究。
圖2 腐蝕加速試驗(yàn)方法Fig.2 Accelerated corrosion test method
圖3 交變濕熱試驗(yàn)條件Fig.3 Schematic diagram of alternating damp heat test conditions
1.2 電連接器內(nèi)部腐蝕形貌觀察
考慮到主要是電連接器內(nèi)部插針、插孔的腐蝕對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戄^大[14]，腐蝕加速試驗(yàn)結(jié)束后，只對(duì)電連接器插頭采用金相顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察。選取4 個(gè)樣品插頭的同一位置的插針，對(duì)比分析插針表面鍍金層的變化，“J”針位放大200 倍的形貌如圖4所示。
圖4 試驗(yàn)樣品腐蝕形貌Fig.4 Corrosion morphology of test sample: a) sample 1;b) sample 2;c) sample 3;d) sample 4
從圖4a 可以看出，樣品1 雖然沒有參與腐蝕加速試驗(yàn)，但其鍍金層表面也是凹凸不平的。理想情況下，插針和插孔的兩金屬表面為完全接觸，電流線垂直流過接觸面[15]，如圖5 所示。然而實(shí)際情況卻是2個(gè)粗糙面相接觸，鍍金層表面凸起接觸形成導(dǎo)電斑點(diǎn)。當(dāng)電流流過時(shí)，電流線將產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致測(cè)量電阻比完整導(dǎo)線電阻偏大，這就是收縮電阻產(chǎn)生的原理[16]，如圖6 所示。
圖5 理想接觸表面Fig.5 Ideal contact surface
圖6 收縮電阻示意圖Fig.6 Schematic diagram of shrinkage resistance
經(jīng)過5 個(gè)循環(huán)周期的腐蝕試驗(yàn)后，鍍金層表面開始出現(xiàn)少量微孔，如圖4b 所示。其分布并不均勻，呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性。微孔的出現(xiàn)為孔隙腐蝕提供了先決條件，潮濕的腐蝕環(huán)境使接觸表面形成電解液，這種濃縮的表面溶液通過表面缺陷在金和鎳之間提供了一條低電導(dǎo)率的電解路徑[17]。
腐蝕10 個(gè)循環(huán)周期后，樣品3 的表面形貌如圖4c 所示?？梢钥闯觯⒖讛?shù)量明顯增多，且部分坑蝕較大。鍍金表面的陰極部分比孔底的微小鎳點(diǎn)面積大得多。陽極鎳被迫提供電子，腐蝕速率加快。隨著坑越來越深，腐蝕越來越嚴(yán)重，底部可用的氧氣越來越少，使得腐蝕速率增加，導(dǎo)致鎳層下的銅基體腐蝕。鎳層下銅基體的大量下切會(huì)導(dǎo)致鍍層系統(tǒng)與基板的附著力變差，從而可能導(dǎo)致鍍層脫落。
樣品4 的部分鍍層開始脫落，基體腐蝕的形貌特點(diǎn)如圖4d 所示。經(jīng)歷過15 個(gè)循環(huán)周期后，插針表面部分鍍層脫落，基體表面被氧化形成絕緣或半絕緣的腐蝕產(chǎn)物，阻止電流流過金屬接觸表面，這就是膜層電阻產(chǎn)生的原理[18]，如圖7 所示。
圖7 膜層電阻示意圖Fig.7 Schematic diagram of film resistance
1.3 接觸電阻
接觸電阻是衡量電連接器信號(hào)傳輸性能的重要指標(biāo)[19]，主要由收縮電阻和膜層電阻構(gòu)成。隨著腐蝕程度加重，接觸電阻逐漸變大，必將對(duì)插頭和插座直接接觸的金屬表面?zhèn)鬏旊娏骱托盘?hào)的質(zhì)量產(chǎn)生影響。采用AT515 精密電阻儀對(duì)4 個(gè)不同腐蝕程度的樣品進(jìn)行測(cè)試，得到每個(gè)樣品每組接觸件的接觸電阻，每組接觸件測(cè)3 次取平均值，最后算出每個(gè)樣品所有插針的平均值。測(cè)量結(jié)果見表2。
表2 接觸電阻測(cè)量結(jié)果Tab.2 Contact resistance measurement results mΩ
樣品1 沒有參與腐蝕加速試驗(yàn)，接觸電阻值相對(duì)穩(wěn)定，且阻值較小，均小于3 mΩ。樣品2 的接觸電阻分布在3～11 mΩ，分布較為分散。樣品3 的接觸電阻分布在7～19 mΩ，也呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性。樣品4 的接觸電阻分布在15～36 mΩ，分布更為廣泛。樣品2、3、4 經(jīng)歷了不同循環(huán)次數(shù)的腐蝕加速試驗(yàn)，它們的接觸電阻值總體上呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。與樣品1 接觸電阻均值相比，樣品2 增加了3.4 倍，樣品3 增加了7.2 倍，樣品4 增加了13 倍。譚曉明等[8]做過同類型試驗(yàn)，測(cè)量了酸性鹽霧條件下加載電流的電連接器的接觸電阻，試驗(yàn)時(shí)間為336 h，接觸電阻從0.4 mΩ 增加到4.8 mΩ，增加了11 倍。各樣品接觸電阻的均值基本上能反映出其腐蝕程度，與1.2 節(jié)形貌觀測(cè)的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。
2 腐蝕對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h2>
如果只考慮接觸電阻，就使得觸點(diǎn)退化對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憙H僅表現(xiàn)為能量或信號(hào)的衰減。但是電連接器退化后，由于接觸面凹凸不平、表面劣化（表面腐蝕、氧化、水膜等）、觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式等因素，觸點(diǎn)并不是一個(gè)理想電阻[20]。另外，接觸電阻是在不大于100 mV 的直流電壓下測(cè)得的，與電連接器實(shí)際工作電壓相差較大，因此電連接器的接觸電阻并不能完全反映出其退化后對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，有必要作進(jìn)一步的分析研究。
2.1 電接觸模型
腐蝕退化后的接觸表面分為3 種區(qū)域[21]，如圖8所示。第1 種是金屬直接接觸區(qū)域，如位置（1）所示，該區(qū)域可以看成是霍姆接觸模型，電流在接觸點(diǎn)處發(fā)生收縮，使得電流線彎曲，傳輸路徑延長(zhǎng)，產(chǎn)生了收縮電阻。第2 種是金屬–腐蝕膜–金屬接觸區(qū)域，為半導(dǎo)體區(qū)，該區(qū)域中接觸表面被氧化膜層所覆蓋，其中一部分為氧化膜極薄時(shí)通過隧道導(dǎo)電的觸點(diǎn)，產(chǎn)生了位置（2）的膜層電阻；另一部分為完全絕緣膜，將金屬分隔開，從而產(chǎn)生了位置（3）的膜層電容。第3 種是金屬–空隙–金屬接觸區(qū)域，該區(qū)域中金屬之間無直接接觸，為絕緣區(qū)，如位置（4）所示，該區(qū)域產(chǎn)生了非接觸電容。
圖8 電接觸模型Fig.8 Electrical contact model
這3 種區(qū)域并不是單獨(dú)存在的，它們共同位于腐蝕樣品的接觸表面，腐蝕退化后的接觸表面就可以等效成電阻和電容并聯(lián)組成的電路模型，如圖 9所示。因此，在信號(hào)電路中不能忽視電容的影響，下面通過試驗(yàn)研究腐蝕的電連接器接觸表面對(duì)信號(hào)波形的影響。
圖9 等效電路模型Fig.9 Equivalent circuit model
2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本節(jié)試驗(yàn)用到的儀器包括信號(hào)發(fā)生器和示波器，將之前的試驗(yàn)樣品“J”針位接觸件串聯(lián)到兩儀器之間，如圖10 所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一組方波信號(hào)，幅值為3 V，頻率分別為2、10、100 kHz。信號(hào)分成2 路同時(shí)等距傳輸給樣品1 和樣品2，2 路信號(hào)再等距傳輸?shù)绞静ㄆ饔糜陲@示測(cè)量和比較分析。然后分別用樣品3 和樣品4 代替樣品2 做相同的試驗(yàn)。以樣品1 的波形為基準(zhǔn)，將其余3 個(gè)樣品的波形與其進(jìn)行對(duì)比。測(cè)量的參數(shù)包括相位差、上升時(shí)間和過沖。
圖10 試驗(yàn)方法Fig.10 Schematic diagram of test method
相位差就是相位失真。相位差的產(chǎn)生是由于電容和電感對(duì)交流信號(hào)（電壓或電流）具有延遲作用。當(dāng)一個(gè)交流信號(hào)經(jīng)過電容、電感和電阻的時(shí)候，總會(huì)有一個(gè)充放電的過程，這會(huì)導(dǎo)致這個(gè)交流信號(hào)的幅度變化時(shí)間“向后”推遲一段時(shí)間[22]，如圖11 所示。本試驗(yàn)所研究的相位差指的是樣品2、3、4 分別與樣品1比較得到的相位差。
圖11 相位差Fig.11 Schematic diagram of phase difference
信號(hào)的上升時(shí)間是指脈沖瞬時(shí)值最初到達(dá)規(guī)定下限和規(guī)定上限的兩瞬時(shí)之間的間隔。一般下限和上限分別定為脈沖峰值幅度的10%和90%[23]。對(duì)于飛機(jī)電控制信號(hào)，通常是方波信號(hào)，其上升沿非常陡峭。過沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓，對(duì)于上升沿是指最高電壓，而對(duì)于下降沿是指最低電壓，如圖12 所示。過高的過沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，甚至能夠?qū)е码娐吩骷^早地失效[24]。過沖的計(jì)算公式為
圖12 上升時(shí)間和過沖Fig.12 Schematic diagram of rise time and overshoot
2.3 測(cè)量結(jié)果分析
3 組測(cè)量結(jié)果見表3—5。所測(cè)方波信號(hào)的幅值幾乎一樣，因此未在結(jié)果中展現(xiàn)。這也說明本試驗(yàn)所用樣品的接觸電阻較小，造成的能量損失也較少。
表3 f=2 kHz 時(shí)的測(cè)量結(jié)果Tab.3 Measurement results at f=2 kHz
表4 f=10 kHz 時(shí)的測(cè)量結(jié)果Tab.4 Measurement results at f=10 kHz
表5 f=100 kHz 時(shí)的測(cè)量結(jié)果Tab.5 Measurement results at f=100 kHz
從表3—5 中可以看出，相位差、上升時(shí)間和過沖的變化趨勢(shì)基本一致，所有頻率下，3 個(gè)測(cè)量參數(shù)都隨腐蝕程度的增加而增加。當(dāng)信號(hào)頻率升高時(shí)，所有樣品的3 個(gè)測(cè)量參數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加。
電連接器的接觸表面可以看成電阻與電容并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)電連接器的腐蝕程度增加時(shí)，電阻和電容都有不同程度的增加，主要是電容的影響造成信號(hào)相位差、上升時(shí)間和過沖變大。電連接器的信號(hào)傳輸性能不僅與腐蝕程度有關(guān)，而且與頻率相關(guān)[25]。當(dāng)頻率較小時(shí)，電容處于斷路狀態(tài)，信號(hào)主要通過電阻傳輸，則信號(hào)的相位差較小，上升時(shí)間和過沖增加也較少。隨著頻率的增大，容抗值減小，信號(hào)通過電容的分量增大，電容對(duì)信號(hào)的影響作用凸顯，造成信號(hào)的相位差增大，信號(hào)的上升時(shí)間和過沖增加的幅度也變大。
3 結(jié)論
1）鹽霧和交變濕熱加電應(yīng)力環(huán)境對(duì)航空電連接器接觸表面腐蝕作用明顯，隨著腐蝕周期的增加，插孔表面蝕坑越來越多，面積越來越大，直至部分鍍層脫落。基體金屬暴露在鹽霧和交變濕熱環(huán)境下極容易形成腐蝕膜層。
2）潮濕鹽霧侵入電連接器內(nèi)部是導(dǎo)致接觸電阻升高的直接原因。接觸電阻在加速試驗(yàn)的5 個(gè)循環(huán)之后，已經(jīng)有較大變化，后期增加更為明顯。變化的主要原因在于潮濕鹽霧在毛細(xì)作用和呼吸作用下，滲入電連接器殼體螺紋口、定位槽等部位，從而進(jìn)入電連接器內(nèi)部，造成部分環(huán)境下的水分和氯離子等腐蝕介質(zhì)含量持續(xù)增加。
3）接觸電阻雖然是衡量電連接器接觸性能的重要指標(biāo)，但并不能完全反映出腐蝕對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。?dāng)接觸電阻較小時(shí)，電連接器的信號(hào)傳輸性能主要與接觸面間的電容有關(guān)，并且與信號(hào)頻率相關(guān)。電連接器腐蝕越嚴(yán)重，信號(hào)波形失真就越明顯。信號(hào)頻率越高，信號(hào)波形失真越顯著。
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