關于電磁繼電器超高真空冷焊試驗現狀的思考與建議

麻力，耿翟

（中國電子技術標準化研究院，北京 100176）

0 引言

繼電器是通過較小電流來控制較大電流的自動開關，在系統中起著自動調節、安全性保護、電路轉換控制等作用，長期以來始終是運載火箭、人造衛星、空間站及其配套地面測控設備中不可或缺的重要元器件。

根據不完全數據的統計與分析結果，在航天系統質量故障中，電子設備元器件類問題一直高居第一位。而繼電器失效所占的比率，則長期占據著各種元電子器件失效榜排名前三的地位，而且已成為控制系統中的主要問題之一。對于應用于重要控制系統中的繼電器來說，其質量與可靠性水平將直接決定著整個航天控制系統的安全性。

1 航天繼電器主要失效模式

繼電器類型很多，人們一般把繼電器分成電磁繼電器、干簧繼電器、時間控制繼電器和固體繼電器等幾類。其中電磁繼電器構造簡單、工作可靠，是目前使用最為普遍的一類繼電器。電磁繼電器一般由輸入電流線圈、鐵芯、銜鐵、共軛鐵、復位彈簧及多個簧片等構成，其基本結構如圖1所示。

圖1 電磁繼電器基本結構

根據電磁繼電器的功能特性和結構特點，其主要失效模式包括多余物質導致的相關失效、接觸失效、密封泄露等。觸點是體現繼電器功能的關鍵部位，非常容易遭到多余物質的干擾和其他侵蝕損傷，因此觸點接觸失效也是繼電器最主要的失效模式。在觸點失效模式中，有一類嚴重影響繼電器接觸功能的失效模式即觸點粘接，國外統稱為冷焊。

2 冷焊現象及其產生的機理

冷焊現象于二十世紀40年代首次被人類發現。隨著人類空間活動的頻繁開展，冷焊現象導致的航天器故障就時有報道，引起了國際上的普遍關注。

冷焊現象產生的機理主要有兩種。一是原子間配對機理，即兩個達到了原子級清潔程度的金屬表面互相接觸在一起，將原來界面的表面自由能釋放掉，界面消失，界面上的原子之間形成了新的金屬鍵，使兩金屬表面粘結到了一起。這種情形大多出現于低溫條件下，此時原子熱運動降低，從而把原子鍵禁錮于原位不動。二是原子熱擴散機理，兩個達到原子級清潔程度的金屬表面互相接觸，通過提高環境溫度，促進原子熱運動，使之能克服來自原子鍵的禁錮，從而相互間產生了熱擴散，使兩種金屬表面連接在一起。

關于冷焊現象，費曼曾作了一個生動而又形象的描述：在真空中，彼此接觸的金屬原子間無任何其他附著物，于是這些金屬原子無從得知它們實際上并不是同類，這時他們就會很自然地手拉手走到一起。而當接觸區有其他原子，比如氧氣或者其他復雜成分的雜質層，原子就會意識到他們是來自不同的部分，就會保持一定的距離。

正常大氣條件下，金屬固體表面存在著氣體的物理、化學吸附膜和金屬氧化層等污染物，而且氣體本身也可以起到潤滑作用。因此，在大氣中固體與固體間的表面接觸其實是吸附膜、金屬氧化層等污染物之間的接觸，而非固體與固體之間的原子級接觸。當金屬固體處于超高空條件下時，金屬表面吸附的氣體釋放，非金屬污染層解析消失，當金屬氧化層受外力破裂時，金屬表面之間的潤滑物質不復存在，金屬與金屬直接接觸，金屬間的摩擦力會陡然增大數十倍以上。此時，金屬原子便會因彼此擴散而產生不同程度的粘合現象。一旦金屬表面達到了原子級的清潔程度，在一定的壓力載荷下就會形成進一步的整體粘著，最終發生冷焊現象。

通過國內外多年的研究，普遍認為影響附著、冷焊的主要因素有：表面清潔度、壓力負荷、接觸時間、材料性能和溫度。從原則上來講，表面越清潔，接觸壓力越大，接觸時間越長，溫度越高，則越易附著或冷焊。

3 國外研究現狀

自20世紀60年代以來的很長一段時間內，空間冷焊現象都曾是航天器設計主要考慮的問題之一。為更好地研究冷焊現象，國外專門通過環境試驗衛星開展冷焊試驗，進行冷焊現象研究。同時在冷焊防護方面也開展了大量地面模擬試驗。

國外通過試驗取得了大量真實可靠性的數據，為后來地面模擬試驗提供了參考數據。地面模擬試驗的真空度選用量級通常在107～109Pa之間，且國外防冷焊試驗設備的真空能力大都達到了108Pa量級。幾個典型的空間冷焊失效案例都在108Pa量級的地面模擬真空條件下得到了復現。

國外研究人員通過對金屬對偶材料進行的深入研究，發現了三氧化二鋁、二氧化鋯、三氧化二錳和二硫化鉬等材料作為金屬的表面覆膜層，能夠有效地減小金屬表面之間的摩擦力，從而能夠有效地防止冷焊現象的出現。國外研究人員還對電磁閥和繼電器等在航天器中使用得比較普遍的典型產品，進行了超高真空下的加速壽命試驗，統計了產品在設計壽命動作次數以內產生冷焊現象的規律，并觀測和記錄在超過設計動作次數之后接觸面或摩擦表面的損壞狀況，為改進產品防冷焊設計提供了重要的試驗依據。

最后，國外從選料、表面處理入手，并采用一整套質量保證標準，基本防止了冷焊現象的發生。

4 國內真空冷焊研究現狀

國內有關真空冷焊的研究始于上世紀六十年代，徐錦芬等人對固體潤滑材料在超高真空中的摩擦磨損問題和防冷焊技術開展了深入研究。蘭州物理研究院的劉明輝、王福云等人研制出了中型無油超高真空防冷焊評價試驗裝置，并對超高真空及各種環境條件下材料對偶之間的接觸壓力和黏著力進行了研究。北京衛星工程環境研究所相繼建成了多套超高真空冷焊試驗設備，用于我國某些重要型號航天器配套的宇航組件真空防冷焊評價試驗，是我國最早從事航天組件真空冷焊試驗的研究機構。

中國公開發行的繼電器高真空防冷焊測試規范，目前只有1991年3月19日公布的QJ2213.1-91《繼電器特殊環境試驗方法超高真空冷焊試驗》。據調查，目前國內尚未出現過電磁繼電器冷焊試驗失效的公開報道。

5 關于地面模擬超高真空繼電器冷焊試驗的思考

宇宙真空環境與地面模擬真空有本質上的差異。地面模擬真空是一種在有限容積的真空容器中采用有限抽速及抽氣量的真空機組營造出的人造真空環境。容器中的氣體分子經過相互碰撞或和容器碰撞達到一種平衡態。宇宙真空環境則是開放的、具有天然的無限抽速和抽氣容量，是一種“分子沉”環境。在宇宙真空環境下，物理表面會失去所有吸附的氣體。因此，開展地面模擬超高真空冷焊試驗的前提條件是具備可以最大限度降低真空度并可以在較長時間內維持該真空度的試驗設備。但是，人造真空環境有其極限，目前國際上最頂尖的電離真空計也只能準確檢測到（2±0.3）×1010Pa量級的真空壓力。樣品體積的大小、所用材料、高溫試驗環境以及真空設備密封性，均會對設備抽氣以及保持超高真空的能力造成影響。

為保證產品的空間工作質量，電磁繼電器等產品在上型號使用前須按航天用戶的要求進行超高真空防冷焊性能評價試驗。我國在前期進行的所有電磁繼電器高溫真空冷焊試驗，均執行QJ2213.1-91標準中的規定。標準規范中對冷焊試驗設備、試驗步驟程序、試驗條件、判據、試驗記錄及結果分析和處理都進行了規定。但由于年代稍顯久遠，該標準的制定受限于當時試驗設備的技術水平，導致真空度試驗條件的設置略顯保守。而在標準的執行過程中，有些試驗程序的設置也存在不合理之處。試樣在加載壽命或高溫狀態下，真空壓力甚至無法完全達到標準要求。而美國數次在地面模擬真空環境下復現冷焊失效案例時的壓力條件均為108Pa量級，比我國已開展的冷焊試驗真空壓力條件高出一個數量級。

近年來，隨著我國航天事業步入高速發展階段，北斗衛星導航系統、在軌永久空間站、探月探火以及深空探測工程均已逐步開展，這對航天器及其配套元器件提出了更長壽命及更高可靠性的要求。宇航用電磁繼電器雖然是氣密封產品，但氣密封產品有其固有漏率，當繼電器被長期應用于空間環境或航天器非密封艙時，其內外部氣體壓力將逐漸趨于平衡。當繼電器內部觸點處于易發生冷焊的真空環境時，伴隨著金屬觸點間的相對摩擦運動，就會有發生冷焊的風險。因此，需要在提升真空度的基礎上，進一步完善試驗方法程序，重新制定航天繼電器超高真空冷焊效應評價及試驗方法。

6 超高真空冷焊評價試驗設備研制最新進展

據不完全統計，目前國內擁有空間活動部件防冷焊評價能力的單位有航天五院、航天八院及中國電子技術標準化研究院（以下簡稱電子標準院）等單位。其中航天五院是最早開展超高真空冷焊試驗評價的單位，也是擁有防冷焊評價試驗設備最多的單位。電子標準院于2020年底開展了空間活動部件防冷焊評價試驗能力研究，所擁有的超高真空冷焊試驗設備是一套無油、無任何有機物的超高真空系統。它突破了目前國內的技術瓶頸，同時具備以下三項功能:（1）以極高的抽氣效率獲得超高真空環境；（2）可在超高真空環境下快速實現高、低溫的熱交換；（3）可在超高真空環境下進行分離力的測試（該條適用于分離電連接器產品）。該設備的總體結構由六部分構成，即真空腔體部分、真空保障系統、溫度保障系統、試驗系統、設備控制監測系統和輔助系統，系統架構圖見圖2，系統結構圖見圖3。

圖2 系統構架圖

圖3 系統結構圖

該系統的真空腔體部分主要包括圓形真空罐體、罐體兩端法蘭、相關真空抽氣元件的連接管道、溫度保障系統的法蘭引出管路、拉力試驗裝置連接法蘭等。

它能制造一個符合試驗條件的真空環境和溫度環境，并具有分離力測試能力。腔體上的所有連接口均采用國際通用的刀口法蘭連接形式，滿足超高真空密封要求和通用性要求。

真空罐體為臥式圓筒形結構，其外形尺寸為Φ410×496×5（單位mm），前法蘭（前門）為導軌滑塊平移式開門，導軌安裝在設備臺面上。腔體內部有兩組熱沉，分別是底部熱沉和環形熱沉，兩組熱沉都安裝在后法蘭上，可連同后法蘭一起從腔體后端裝入。其中底部熱沉主要用于大件試驗樣品，作為其輔助熱源。熱沉與工件間的熱交換通過一種特殊結構實現，該結構是為解決超高真空環境下溫度傳導而專門設計的一種特殊結構，可以在保證導溫的同時進行電連接器在真空腔內的分離。

真空保障系統幫助設備獲得試驗所需要的真空度，主要包括真空泵抽氣系統、真空閥門、配套管路及真空測量裝置等。真空泵抽氣系統由進口的分子泵、渦旋干泵組、離子泵及鈦升華泵組成，系統與高真空腔體連接的真空閥門，選用的是國際知名品牌的全金屬密封閥，密封性能可靠。

真空測量裝置選用了兩套，一套是國內正華電子的復合真空計，其真空度的測量范圍在1×105～1×108pa。另一套是國際知名品牌且真空測量能力處于世界領先水平的超高真空計（IG40EX），它可以準確地測量到1010pa。

該設備的技術能力較之以往有了極大程度的提高。設備的主要性能指標如表1所示。

表1 設備主要性能指標

該設備的出現，把我國空間活動部件防冷焊評價試驗設備的真空度等級提高了至少一個數量級。該設備擁有極高的抽真空效率，帶載條件下從常壓到107Pa僅用時30min，抽到108Pa也僅僅耗時3個小時，可大幅提高試驗效率，降低試驗成本。同時，該設備還可以快速實現熱沉與工件間的自由熱交換，并確保試樣在超高真空下快速達到標準要求的溫度，且試樣表面溫度均勻性良好，配合電磁繼電器壽命試驗系統可以對航天用電磁繼電器開展防冷焊性能評估。

7 結語

隨著中國航天事業的高速發展，航天器的設計工作壽命越來越長，安全性及可靠性的要求也愈來愈高。航天器中使用了大量的電磁繼電器、開關、電連接器等活動機構，而這種活動機構的可靠性將直接影響航天器的整體可靠性。目前，我國超高真空防冷焊評價試驗設備的技術能力已經大幅提高，但現有的試驗方法中還有很多有待進一步研究的地方。對此應盡快針對典型產品開展超高真空防冷焊性能評價技術研究，完善相關標準，為研制單位提高航天繼電器防真空冷焊可靠性水平提供技術支撐。