海洋環境下航空電連接器腐蝕防護與控制技術

王琳，郁大照，孫濤，王希彬

（海軍航空大學航空基礎學院,煙臺 264001）

引言

航空電連接器用于實現飛機部附件和系統之間電信號和相關控制信號的傳輸的基本元件，其工作可靠性對飛機操作以及飛行安全產生巨大影響。而腐蝕是導致航空電氣系統及設備失效的主要因素之一，海洋環境下由于受濕度、鹽霧、溫度、酸性氣體和霉菌的影響，導致引起的大量腐蝕故障，其中電子元器件失效總數的約（40~50）%失效是由電連接器失效引發的[1-5]。電連接器中的任何接點失效，可能導致電傳輸中斷或信號失真，進一步造成整個系統的癱瘓、失效，嚴重影響飛行安全。因此，開展飛機電連接器腐蝕防護與控制技術研究，可以有效防止飛機電連接器的腐蝕現象，為飛機相關電子部附件在海洋環境下進行腐蝕防護控制工作提供了依據。同時對于減輕海洋環境下腐蝕對飛機電連接器的危害，增加可靠性，減少故障率，保障海洋環境下飛機飛行安全具有十分重要的意義。

1 海洋環境下航空電連接器腐蝕分析

1.1 海洋環境下腐蝕特點分析

航空電連接器在海洋環境下的長期處于高溫、高濕、高鹽霧和強輻照作用下，其屬材料在海洋大氣中的腐蝕速率明顯高于內陸、高原等其他大氣環境，腐蝕速率是內陸大氣腐蝕的 2~5 倍之多。在溫度、濕度、鹽霧、輻照、霉菌等自然環境應力以及振動、電磁、磨損、沖擊等多應力耦合綜合作用下，導致飛機電連接器會經常出現金屬疲勞腐蝕、間隙腐蝕、晶間腐蝕、小孔侵蝕、點蝕等環境腐蝕行為。除了飛機起落架艙、發動機艙等敞開部位的電連接器易發生腐蝕外，海洋環境也會加速濕氣向飛機內部，特別是機艙內螺紋結構的設備內部侵蝕，所處環境達到在航空電連接器形成液膜的條件，進而使電連接殼體發生腐蝕損傷。有數據顯示，機載電子設備發生故障52 %與環境因素有關，而多數設備在海洋環境使用故障率遠遠大于內地，這對海洋環境下航空電連接器腐蝕防護和控制提出更高的要求。電連接器在飛機的基礎電子元器件，數量多且大部分安轉裸露在外，在日照、雨水、潮氣、鹽霧等環境因素的長時間作用下，腐蝕行為已成為電連接器主要的失效機理之一。圖1 為某型飛機起落架艙電連接器腐蝕圖片，由于防護措施不當，看出已經出現鍍層脫落現象，插孔已出現嚴重腐蝕。

圖1 起落架艙電連接器腐蝕照片

1.2 海洋環境下航空電連接器腐蝕失效機理分析

根據海洋環境下電連接器各部分結構和材料的腐蝕特點，主要對容易發生腐蝕的電連接器接觸件以及附加部件進行失效機理分析。

1）接觸件表面氧化：目前接觸件受成本和工藝水平等因素的限制，往往鍍層比較薄，不可避免的鍍層中會存在少許裂紋和微孔，正如毛細管的功用，大氣里的濕氣會通過此浸入裂紋和微孔構成水膜，形成電解液，構成了原電池，生成不導電的薄膜，導致接觸電阻增大。同時高溫和高濕度的作用會增強其氧化的影響，甚至在嚴重時有可能出現接觸件鍍層產生裂紋和剝離，進而影響航空連接器的電氣性能，增加飛行安全風險。

2）接觸件裂紋：在溫度、濕度、腐蝕性氣體等的作用下，由于腐蝕和多應力的耦合作用，在電連接器插針和插孔內部、接觸件表面、孔位、收口處等存在較大局部應力的部位有可能產生裂紋。如果裂紋的繼續擴展會導致接觸對斷裂，電連接器接觸失效。

3）殼體：在溫度、濕度、鹽霧、腐蝕性氣體等應力的作用下，連接器殼體可能發生金屬疲勞腐蝕、間隙腐蝕、晶間腐蝕、小孔侵蝕、點蝕等腐蝕行為。腐蝕后會在殼體上形成縫隙、孔洞或者裂紋，對設備電磁屏蔽性能造成影響，甚至可能導致電磁屏蔽失效；大氣環境下的氣體、液體和粉塵等可能進入到連接器，使得接觸件內部環境惡化，加速接觸電阻、絕緣電阻和密封性能的退化；腐蝕嚴重時有可能導致殼體開裂解體進而失效。

4）鍍層：在鹽霧、溫度、濕度等環境應力的作用下，鎳層與基體的結合力有可能下降，會造成鍍層失去光澤、剝落，造成電連接器電磁屏蔽性能下降。加速殼體的腐蝕。

2 腐蝕防護與控制設計要求研究

海洋環境下航空電連接器長期處于高溫、高濕度及高鹽份的環境下，使得金屬腐蝕速率大大加快，更容易發生腐蝕、老化問題，直接影響了電連接器的接觸電阻、耐電壓和絕緣電阻等電參量的改變，從而引起腐蝕故障，電子設備使用壽命將縮短，裝備可靠性受到嚴重影響。因此必須從電連接器的材料選擇、鍍層選用、以及設計和結構要求等方面做好相應的腐蝕防護設計要求，使電連接器具有優異的防腐蝕和安全可靠性，從而將腐蝕所導致的損傷減少至最低限度。

2.1 材料選擇

選擇合適的耐蝕性材料是海洋環境下航空電連接器腐蝕防護與控制的一項重要的工作。海洋環境下電連接器，長期處于高溫、高濕度及高鹽份、高輻照，使用環境非常的嚴酷，對電連接器選材的耐蝕性提出了更高的要求。除了滿足必要的靜強度和剛度、結構功能性和制造工藝的前提下，應優先的考慮材料耐腐蝕性能。根據飛機電連接器使用環境及特點，查閱國內外材料標準、手冊和相關資料，歸納、總結材料限用要求和選材建議[6-9]。

2.1.1 非金屬材料選擇應滿足如下要求：

1）連接器絕緣安裝板材料采用能滿足海洋環境要求的增強環氧樹脂或其它合適硬質絕緣材料，且絕緣安裝板應有合適的電氣性能和機械性能且應有一定的沖擊強度。

2）模制塑料本體材料應符合優先采用環保材料。

3）絕緣材料的阻燃等級應達到或優于UL94V-0等級。

4）回收、再生和環保材料宜采用能滿足或優于工作和維修要求的可回收、再生和環保材料，以提高經濟效益、降低壽命周期內的費用。

2.1.2 金屬材料選擇應滿足如下要求：

1）插孔接觸件及接觸件接線端應采用銅鎳錫合金、鈹銅合金或磷青銅等，接觸件接線端可采用黃銅合金，或符合產品要求的其他材料。插針接觸件及其接線端應采用銅鎳錫合金、黃銅、磷青銅或鈹銅合金等。

2）連接器殼體應采用鈦合金、鋁合金、銅合金、復合材料或不銹鋼。不銹鋼應優先選用022Cr17Ni14Mo2 等耐腐蝕較好的材料。

2.1.3 限用材料選擇應滿足如下要求：

1）電連接器所用的限用材料應選用不易燃、不易爆且無毒材料。

2）電連接器所用的限用材料應選用具有耐腐蝕的材料。

3）不宜將不相容金屬相互緊密接觸。電連接器內部不相容金屬如果相互直接接觸時，必須使用相應的保護措施。不相容金屬可能會導致活性電解腐蝕，禁止直接接觸使用（特別是黃銅、鋼或銅與鋁或鋁合金直接接觸）。在不相容金屬基體表面進行涂覆從而形成合適的或相容的鄰接表面。同樣選用合適的絕緣材料將不相容金屬之間隔開使用也是可以的。

2.2 鍍層選用

對電連接器鍍層結構表面采取相應的保護措施，可以避免電連接器電位差較大的材料直接接觸，減小不同結構材料之間的電位差，還可以使電解液無法直接接觸金屬材料，避免發生活性電解腐蝕，從而達到電連接器腐蝕防護與控制的目的[10-13]。鍍層選擇應滿足如下要求：

1）接觸件鍍層：接觸件應在合適的鎳底鍍層上鍍金。接觸部位的金鍍層厚度應至少為1.27 μm。鎳底鍍層的厚度應為（0.8 ～4）μm。

2）殼體鍍層：不銹鋼應采用鈍化表面處理，且表面層導電；銅合金選用鍍鎳等能滿足耐海洋環境的鍍層；復合材料應選用鍍鎘軍綠色和鍍鎳等能滿足耐海洋環境的鍍層；鋁合金應選用鍍鎘軍綠色、鍍鎘彩虹色鈍化、硬質陽極化和鍍鋅鎳等能滿足耐海洋環境的鍍層。

2.3 設計和結構要求

在結構設計中應盡量防止或減小腐蝕現象的發生，良好的結構設計可以防止水及其他介質進入機體內部，延緩腐蝕的發生。設計和結構應滿足如下要求：

1）接觸件端接形式應按規定為焊接式、壓接可拆卸式或印制板式。對于敞開外露環境建議選用壓接可拆卸式，印制板式建議用在內部封閉類環境。

2）對于敞開外露類環境，連接器插合界面應設計密封結構，保證連接器的插合界面是密封的。

3）對于敞開外露類環境，連接器應設計導線密封結構，同時應保證能保證密封和耐環境要求。

4）對于有導線密封結構的連接器，當沒有滿裝時，空余孔位需要將未壓接接觸件裝入連接器，并用密封塞密封。

5）對于飛機上的連接器，當由于檢修或者修理等原因，插頭與插座長時間分離時，需使用插頭或插座密封蓋密封，防止插合界面接觸件腐蝕。

3 外場腐蝕維護對策研究

海洋環境下航空電連接器長期處于非常嚴酷的使用環境下，由于電子設備不規則部位較多，存在凹槽、縫隙等易積水部位，尤其是當濕氣進入密封內部，極易形成長久的電解質溶液，導致金屬發生腐蝕。目前對飛機電連接器的外場腐蝕防護仍結構材料防護為主，采用的涉電部附件緩蝕劑也只是針對電連接器外部殼體材料的防護，對于內部接觸件的防護沒有考慮。電連接外場維護方法除了采用纏繞保護帶等方式外，并沒有其他科學合理的防護方法。密集的纏繞保長期的濕氣集聚會造成后期產品故障頻出。因此飛機電連接器必須在日常外場工作中對其進行腐蝕維護保養。

3.1 維護檢查程序

選擇合適的耐蝕性材料是海洋環境下飛機電連接器腐蝕防護控制的一項重要工作。檢查前應將飛機電源先斷開，飛機可靠得接地；檢查重點區域是飛機的敞開暴露區和半封閉區。首先應使用清潔抹布蘸清潔劑將擬檢查的電連接器外表面的灰塵、油跡或污染物擦拭去除。然后使用相關的工具目視檢查電連接器外表面。如果電連接器外部有少許銹蝕、發黑的現象，且無法判定電連接器是否可繼續使用時，應該對電連接器進行拆解，用放大鏡檢查內部腐蝕情況。若電連接器外表面已發生嚴重腐蝕或出現裂紋、掉塊（粉）的情況，直接更換新電連接器。如果連接器內部有腐蝕，維護人員判斷腐蝕的類型和損傷程度。如果腐蝕嚴重，可能會影響電連接器的電氣性能，應更換插針、插孔或電連接器，輕微的腐蝕按照相關要求進行腐蝕處理與防護。

3.2 維護檢查標準

飛機電連機器維護應檢查以下項目：檢查連接器的外殼體是否存在污垢、銹蝕或鍍層脫落現象；內部檢查是否存在腐蝕、化學侵蝕、磨損、裂縫、內部結晶；插針、插孔的外觀是否存在露銅、銹蝕、發黑、鍍層脫落等缺陷。接觸件插孔口處有無金屬粉末；同時檢查電纜的防護套無老化、破損，絕緣層良好；電連接器的連接螺紋及定位鍵/槽應無明顯腐蝕、磨損；絕緣體應無龜裂、明顯剝落、氣泡等缺陷。

3.3 清洗和處理

外場腐蝕維護應對飛機電連機器進行清洗和處理，應檢遵循以下原則：

1）維護人員采用粘性紗布和專用毛刷蘸清洗劑對電連接器外表面污染處進行清洗，直至清洗干凈；目視檢查清洗處沒有油漬和污垢后，再利用干凈的白潔布擦拭，如果沒有黑色，則清洗合格，進行下一道工序。

2）采用細砂紙或者打磨筆對外表面的腐蝕產物進行清除。維護人員利用10 倍放大鏡目視檢查，確認腐蝕產物是否徹底清除。確認清除后用干抹布擦拭干凈清除產生的粉塵，再用抹布蘸取清洗劑對其擦拭，進行自然風干。如果表面采取了涂清漆防護，注意要避免清漆沿著搭鐵線的搭接間隙流入，從而影響電搭接的效果。

3）如果電連接器內部的有金屬粉末，應用小刷子和無水乙醇對進行清洗。插針、插孔得孔口部位如果有發黑現象，用毛刷或棉簽蘸清洗劑對發黑處進行打磨處理，打磨后使用無水乙醇清洗露出光潔面；如有露銅、銹蝕、積炭等現象，則更換插孔、插針。

3.4 清理后防護處理

再檢查受污染區域是否有殘留物或水。如果有殘留物或水，應再一次進行清理操作。電連接器清理干凈后使用專用的緩蝕劑按照規定對維護的部位進行噴涂防護。然后自然風干，按規定進行密封包扎。

4 結束語

針對海洋環境下飛機電連接器日益嚴峻的腐蝕現狀，應高度重視腐蝕防護與控制方法研究。在飛機電連接器防腐設計和控制設計過程中，為減少腐蝕故障和降低腐蝕維修成本，工作環境應遵循“環境分類，結構分區”原則，選用綜合性能優良的耐蝕材料及合適的材料鍍層，采用良好的設計和結構要求，確定合理的海環境適應性，進而達到分析并改進腐蝕防護設計的目的，為飛機電連接器在海洋環境下進行腐蝕防護控制工作提供了依據，同時為海洋環境下航空電連接器的腐蝕防護研究提供了借鑒與參考。