艦載光電設備的三防設計研究

孟冬 張棟 孟楷 王芳

摘 要：艦載光電設備工作環境惡劣，針對環境的三防設計在研制中必須引起重視。文章結合實際出現的腐蝕問題，從材料應用、結構形式優化及工藝防護等多方面進行研究。事實證明：通過防腐措施的綜合應用，能夠保證設備長期穩定工作。

關鍵詞：艦載光電設備；三防設計；防腐措施

中圖分類號：TN602 文獻標志碼：A 文章編號：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

在現代化戰爭中，海軍占據越來越重要的地位，光電探測設備在海軍裝備中屬于標準配置。近年來，在使用過程中出現腐蝕現象，由于光電設備屬于精密儀器，腐蝕發生后，輕則影響設備性能，重則導致設備失靈，貽誤戰機。本文對幾年來遇到的腐蝕問題進行分析，就防止該現象產生的多種措施進行探討。

2 現狀

美軍總部對沿?；厥褂玫漠a品進行故障調查與分析，結果表明：損壞或有故障的產品中52%是由環境因素造成的。其中由溫度引起的故障占各環境因素引起故障的40%；潮濕引起的故障占19%；鹽霧、砂塵、霉菌引起的故障占14%[1]。我國海域遼闊，海岸線長，具有重要的軍事戰略意義。近年來，我國大力發展海軍裝備，以提升我國海軍實力。但海洋性氣候環境相對于路基環境比較特殊，對裝備具有極大的破壞性，為此針對氣候環境的三防設計不容忽視。圖1是某型號激光測距機。該激光測距機，技術成熟，性能穩定。配備于路基裝備時表現優異，改良后服役于某艦載裝備，卻在服役期間發生嚴重腐蝕，如圖2所示。由圖2可以看出，蓋板與殼體連接處腐蝕嚴重，密封條失去密封性能，海水倒灌于殼體內，所有光電設備都受到不同程度的影響。維修時，發現螺釘固死在殼體上，無法正常取出。故障發生后引起了所有研制人員的高度重視，刷新了海洋性氣候對設備破壞性的認知，如何避免該類現象發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

腐蝕現象隨處可見并且危害嚴重。輕則影響設備的使用性能，重則造成設備及人身事故，帶來經濟損失和不良社會影響。腐蝕對軍事裝備“六性”的影響重大，直接造成可靠性降低，維修周期縮短，間接影響測試性，致使安全性降低，保障性變差，不能滿足環境適應性要求。戰場上，風云變幻，機會稍縱即逝，裝備發生腐蝕后不能及時發現和處理會貽誤戰機，以致戰斗甚至整個戰爭的失敗。

3.2 環境因素

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

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

鹽霧引起腐蝕的機理如圖4所示。海水中含有大量鹽（NaCl），艦載光電設備雖然不直接接觸海水，但由于海水的擾動或海浪擊岸時的噴散形成氣泡，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，與金屬材料發生電化學反應，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、點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等。鹽霧不僅對金屬材料具有腐蝕力，而且對部分絕緣材料也具有一定的破壞力。

海洋性環境是霉菌生長和繁殖的溫室。光電設備一旦密封失效，有空氣進入，便有可能被霉菌污染。霉菌對設備產生的危害主要如圖5所示：（1）密封件，密封件是設備的第一道防線，多數密封件是由天然橡膠制成，抗霉性比較低，霉菌滋生后，結構發生破壞，彈性降低，嚴重時密封失效，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，霉菌入侵后可能導致線路間導電，發生短路；（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，艦載光電設備長期服役于惡劣且復雜的海洋環境下，這些環境因素相互影響極易形成惡性循環，因此要防微杜漸，從多方面考慮，將三防設計理念貫穿于整個設計制備中，包括材料的選取，結構的設計及工藝的制定等。

3.3 防腐措施

針對艦載光電設備所處環境，一般從以下幾個方面進行防護：

（1）材料應用

合理、正確的選取設備所用材料是三防設計的基礎。選材時應針對腐蝕環境的特點，了解材料的腐蝕機理、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雜，同樣的金屬材料在不同的環境下耐腐蝕性也不盡相同。在選擇金屬材料時首先要考慮其自身的強度、剛度等特性，其次要結合使用環境考慮其耐腐蝕性，還要考慮其經濟性。在實際應用中，金屬材料自身的耐腐蝕性不夠優越時，可進行涂覆處理，在其表面鍍覆金屬層和涂覆非金屬層進行保護，以提高抗腐蝕能力。光電設備中以電偶腐蝕最為普遍[4]，因此要針對其腐蝕機理合理選擇金屬材料及其鍍層。在選擇非金屬材料時，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，還要考慮其導電性。隨著新材料的出現，將涌現出新的性能優越的耐腐蝕材料可供選擇?？傊?，選材是基礎，是設備研制的第一步，關系到整個設備的性能表現及后續三防處理。

（2）結構設計

結構設計是三防設計的關鍵。光電設備涉及到光學部分和電路部分，而這些對外部環境要求比較高，艦載光電設備的三防設計顯得尤為重要。通過合理的結構設計可有效避免腐蝕的發生。一般情況下，可從以下幾個方面進行三防設計：

a.設計關重件時可考慮單獨密封或加保護罩等措施。

b.整機盡量采用整體鑄造或鍛件機加的結構形式，盡量避免焊、鉚和螺紋等連接形式。

c.對所有開口處進行密封設計。由于安裝、維修及性能要求，設備必然形成開口結構，開口處必然會形成縫隙，而縫隙多是腐蝕發生的源頭，因此開口處的密封設計是三防設計的重點，并且不同的開口處密封設計也不相同，如光學系統出光口和接受窗口處要增加保護玻璃、密封墊、壓圈、密封膠等。

d.結構表面應簡潔、流暢，防止溝槽和尖角，選擇合理的圓角半徑或凸臺半徑，避免應力集中的出現。合理的把控表面質量，進一步提高零件的抗腐蝕能力。

e.結構內部應抽真空或充入氮氣等不活潑氣體防止氧化反應。必要時，局部設計干燥劑。

f.斷面厚度盡量一致，以防薄弱部位發生形變，材料晶格產生扭曲，引起應力腐蝕。

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

（3）工藝防護

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

在實際工作中，材料的選取、結構的設計及工藝防護是相互影響相互滲透的。

4 三防設計改進

該設備基本遵從三防設計要求，但依然發生了腐蝕現象。從圖6和圖7可看出腐蝕發生在結構件連接處，即縫隙腐蝕，可謂千里之堤毀于蟻穴。

針對腐蝕發生的形式和特點，并具體分析設備所處的環境特點，在三防設計上作了如下改進：

（1）結構件表面進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，對設備表面進行可靠的三防保護。并且面漆涂至無導電要求的結構件連接處，做好對連接處的防護。

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

（3）把蓋板和機殼之間所用硅橡膠條改為性能更優良的氟硅橡膠條。

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

通過改進，該型號激光測距機目前在艦載設備上運行良好。

5 結束語

艦載光電設備屬于精密設備，腐蝕的產生對其影響重大，而其工作的環境又極易形成腐蝕的發生，因此針對腐蝕問題的三防技術越來越受到相關人員的重視。在實際工作中，應結合設備所處環境的特點，有針對性地將三防設計融會到整個設備的研制過程中，從結構形式、連接方式、材料選擇及工藝措施等多方面進行綜合考慮，擇優確定總體方案以提高設備的環境適應性。總之，三防技術應引起管理和設計人員的高度重視，在實際工作中需多方考慮，盡量做到百密而無一疏。

參考文獻：

[1]孫海龍，王曉慧.艦載電子設備三防密封設計技術綜述[J].裝備環境工程，2008，5（5）：49-52.

[2]周旭.電子設備結構與工藝[M].北京：北京航空航天大學出版社.

[3]宋立輝.艦載電子設備三防設計[J].電子工藝技術，1998，19（6）：210-212.

[4]謝義水.艦載電子設備三防設計[J].機械工程學報，2007，43（1）：83-86.

[5]戈進飛.電子設備的防腐結構設計綜述[J].艦船電子工程，2015，35（6）：146-150.