宇航環(huán)境電連接器的失效機理及應(yīng)用研究分析論文
電連接器是現(xiàn)代各類電子系統(tǒng)中器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間進行電氣連接、信號和能量傳遞所必須的基礎(chǔ)元件。在一個電子通信系統(tǒng)中，存在大量的連接部位，任何連接處出現(xiàn)故障，都會影響系統(tǒng)的可靠運行和功能。據(jù)統(tǒng)計，目前各系統(tǒng)的失效或故障現(xiàn)象的70%是由元器件的失效引起的，其中又有70%是由電連接器的失效而產(chǎn)生的。電連接器在航空、航天等行業(yè)中應(yīng)用范圍廣，數(shù)量大，其可靠性決定了整機系統(tǒng)的可靠性。
衛(wèi)星及航天器工作的空間環(huán)境非常復(fù)雜，主要包括熱循環(huán)、高真空、空間輻照、原子氧、微流星和空間碎片等，宇航用電連接器除需要保證連接可靠外，還需要耐受相應(yīng)的宇航環(huán)境，滿足航天應(yīng)用的相關(guān)要求。研究和提高電連接器耐受宇航環(huán)境的能力，對于提高航天飛行器的性能及壽命有重要意義。
1輻射宇航環(huán)境中的電連接器應(yīng)用
為了保障電連接器在宇航環(huán)境的壽命和可靠性，宇航級電連接器除了通用的電氣性能、機械性能和耐環(huán)境性能外，在耐受宇航環(huán)境時，還需具有耐輻射、熱真空釋氣等性能。根據(jù)在航天器中應(yīng)用部位的不同，可以將宇航級電連接器大致分為艙內(nèi)連接器、穿艙連接器和艙外連接器。三類連接器所受到的宇宙環(huán)境影響存在一定差異，雖然性能要求和選材總體方向基本一致，但具體細節(jié)還是有所不同。
艙內(nèi)宇航級電連接器，受到的宇宙輻射劑量最小，主要連接艙內(nèi)各種設(shè)備，如38999宇航級電連接器、微矩型宇航級電連接器等，這些連接器符合相應(yīng)的系列型譜，通用性強;穿艙連接器，用于實現(xiàn)空間站等密封設(shè)備內(nèi)外數(shù)據(jù)及氣液交換，通常需具備密封功能，這些連接器一般接點定義復(fù)雜，高低頻混裝，信號電流接觸件集成，有時還兼有機械防護功能;各類艙外電連接器，主要是現(xiàn)代新型宇宙空間站外部預(yù)留的一些通用端口，可以通過機械臂或宇航員根據(jù)需要自由加裝或更換的各種功能設(shè)備，這些連接器長期暴露在宇航空間中，受到的宇宙輻射最為劇烈，抗輻射能力要求高，同時還兼具連接力小，可自行浮動對準(zhǔn)等功能。
2電連接器的結(jié)構(gòu)、材料和功能
電連接器有多種形式及材料選擇，但其結(jié)構(gòu)主要由殼體、絕緣體、接觸件三大基本單元組成。下面以宇航級38999圓形電連接器為例，分析連接器在宇航環(huán)境下可能出現(xiàn)的失效。
宇航級38999電連接器的各個部分主要材料及功能如下。
①殼體:材料為鋁合金或不銹鋼，主要起插頭插座的相互連接、連接電纜、防護和屏蔽內(nèi)部零件的作用。
②絕緣體:包括硬質(zhì)絕緣體和彈性密封體，材料分別為聚苯硫醚( PPS)和氟硅橡膠。其中，硬質(zhì)絕緣體主要起到接觸體的支撐、電氣隔離作用;彈性密封體主要起到隔離外界潮氣、粉塵，提高產(chǎn)品絕緣能力作用。
③接觸件:材料一般為銅合金，是電連接器傳輸信號和能量的主體。
除構(gòu)成上述的基本單元外，連接器中還采用了硅橡膠和環(huán)氧粘接劑用于各個零件間的相互固定和粘接。
3電連接器在宇航環(huán)境下的失效機理
宇航環(huán)境對航天器有多種影響因素，主要包括熱循環(huán)、高真空、空間輻照、原子氧、微流星和空間碎片等。根據(jù)有關(guān)資料顯示，空間輻射是航天器電子設(shè)備工作異常和器件失效的主要原因;真空熱循環(huán)環(huán)境下的材料放氣，是造成光學(xué)系統(tǒng)性能下降、電路失靈和放氣污染的重要因素。原子氧、微流星和空間碎片對航天器都有很大危害。宇航級電連接器相對于航天器，其構(gòu)成材料及結(jié)構(gòu)相對簡單，并且主要安裝在航天器內(nèi)部，受原子氧、微流星和空間碎片等影響較小。下面主要結(jié)合電連接器的結(jié)構(gòu)材料組成，分析電連接器在空間輻射和熱真空環(huán)境下的失效機理。
3. 1空間輻射
根據(jù)空間輻射對材料影響的基本原理，在空間輻射環(huán)境中，連接器的金屬外殼和接觸件受到輻射影響較小，不會導(dǎo)致電連接器故障。對電連接器整體結(jié)構(gòu)而言，好像穿了一件“防護衣”，保護著連接器內(nèi)部的功能零部件。電連接器中采用的環(huán)氧膠、硅橡膠等材料，由于分子式中含大量的C-H鍵，受太空輻射中紫外光子的照射即可發(fā)生有機化學(xué)鍵的斷裂。其破壞結(jié)果是環(huán)氧膠變色、材料變脆以及硅橡膠硬化，從而產(chǎn)生表面裂紋、顆粒、褶皺等;電連接器的硬質(zhì)絕緣材料，若選材不當(dāng)，也會在輻射作用下降解，導(dǎo)致絕緣電阻下降，致使電連接器產(chǎn)生漏電、耐壓擊穿等故障。
在空間輻射環(huán)境中，電連接器會同時受到高能質(zhì)子、電子、宇宙重粒子等不同種類射線或粒子的共同作用，導(dǎo)致壽命縮短，因此電連接器在宇航環(huán)境下發(fā)生失效，是受綜合輻射效應(yīng)的影響，是大量隨機出現(xiàn)的高能粒子對電連接器累積損傷的結(jié)果。
3. 2高真空熱循環(huán)
真空環(huán)境是一種很稀薄的氣體環(huán)境，高真空度會導(dǎo)致有機材料的放氣，其產(chǎn)物包括水、吸附性氣體、溶劑、低分子量添加劑以及分解產(chǎn)物等。在距地面150 km以上的高度，大氣壓<1/10000Pa，且隨著高度的增加，真空度逐漸增加。構(gòu)成連接器的非金屬材料在低壓下受熱時，當(dāng)內(nèi)部存在未反應(yīng)的添加劑、易揮發(fā)填充或封裝材料、雜質(zhì)、吸收的氣體或潮氣時，會出現(xiàn)釋氣現(xiàn)象。釋氣使聚合材料收縮，改變其性能;釋放出的氣體重新凝聚在組件內(nèi)部，污染臨近區(qū)域的敏感元件或光學(xué)器件的表面后，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)故障;同時對于有人存在的生存環(huán)境，釋出的有害氣體還可能影響人的生命安全。為了限制航天器材料的有害氣體排放，NASA及CAST都對宇航級元器件高真空下材料的總質(zhì)量損失(TML)規(guī)定了不大于1%的要求，而對收集的可凝揮發(fā)物(CVCM)則規(guī)定了不大于0. 1%的要求。
4電連接器的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計
4. 1電連接器的`材料選擇
宇航級電連接器在設(shè)計選材時，需要根據(jù)電連接器在航天器上的安裝位置以及在軌運行時間，明確連接器在整個生命周期內(nèi)所承受的輻射總劑量，然后選擇適合的材料。
處于航天器外部的電連接器受到的輻射劑量是航天器內(nèi)部的100倍以上，以空間站為例，空間站表面材料在10年甚至更長的全生命周期內(nèi)，需要承受的輻射總劑量至少為9 x 106rad，而空間站內(nèi)部，在1 mm等效鋁厚度屏蔽下的輻射總劑量為1. 2 x 104rad。在空間站外部，連接器還容易受到高能粒子和宇宙塵埃的直接沖擊。因此在設(shè)計電連接器時，對于處于航天器外部的連接器和內(nèi)部的連接器必須采取不同的設(shè)計思路。同時，空間輻射環(huán)境在不同的地區(qū)有很大區(qū)別，在設(shè)計時還需要根據(jù)抗輻射總劑量的固有能力與實際承受輻射總劑量，充分考慮輻射設(shè)計裕度，進行健壯設(shè)計。
在選材方面，處于航天器外部的電連接器，裸露面應(yīng)不采用硅橡膠、氟硅橡膠類材料，這類材料直接暴露在大劑量宇宙輻射下，會硬化、開裂，進而發(fā)生功能失效;應(yīng)直接采用玻璃、陶瓷等無機材料或者耐輻射能力好的有機材料，如聚苯硫醚作為絕緣材料。聚苯硫醚由于分子鍵熊極高，耐受太空輻射能力極為優(yōu)秀，當(dāng)吸收大能量粒子發(fā)生斷鏈時，由于材料高度結(jié)晶，低分子產(chǎn)物難以從結(jié)晶體內(nèi)部逃逸，空洞很難產(chǎn)生，從而材料強度下降較緩慢，因此材料本身應(yīng)具有相當(dāng)?shù)哪洼椛湫浴６幱诤教炱鲀?nèi)部的電連接器，根據(jù)所處位置的輻射劑量，可以采用硅橡膠、氟硅橡膠類材料，提高電連接器的耐潮濕以及防塵能力。
4. 2電連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計
在連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，處于航天器外部的電連接器，外部殼體結(jié)構(gòu)應(yīng)采取加固性設(shè)計，接觸件的排列間距應(yīng)盡可能加大，這樣可以減小絕緣材料受宇宙輻射后表面電阻降低的影響。航天器內(nèi)部的電連接器，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)接口連接器，如38999系列宇航級電連接器、宇航級微矩型連接器等。這些連接器系列規(guī)格齊全、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、密度和重量適宜，在合理選材后，能夠滿足目前航天器內(nèi)部的連接需要。
此外，針對連接器高分子材料的在熱真空環(huán)境釋氣問題，通過在適當(dāng)參數(shù)的真空、高溫環(huán)境下對電連接器進行熱真空烘焙工藝處理，連接器材料內(nèi)部不穩(wěn)定物質(zhì)如吸附性氣體、水氣、雜質(zhì)等提前揮發(fā)，可將電連接器在裝機使用時的真空釋氣控制在允許的范圍內(nèi)。
5電連接器抗輻射宇航環(huán)境的試驗
為了研究電連接器在宇航環(huán)境的可靠性，選取了E殼體號8芯的宇航級38999電連接器進行耐輻照和材料的熱真空釋氣試驗，具體試驗過程如下。
(1)耐輻照試驗。
輻照的最大總劑量按照國軍標(biāo)對宇航級電連接器的有關(guān)要求，確定為5x105Gy(1Gy=100rad )，選擇航天器內(nèi)部輻射總量為2 x 103價。輻射源采用鉆60，射線源的均勻場。試驗步驟如下:
①按照輻射劑量率0. 7rad/s，對電連接器進行輻照，直至輻照劑量達到2 x 103仰，然后對電連接器進行絕緣電阻、耐電壓測試。根據(jù)電連接器的接點排列密度，電連接器的絕緣電阻值應(yīng)大于5000MSZ，耐電壓應(yīng)大于1800V。將試驗后的電連接器分為2組，繼續(xù)進行后續(xù)試驗。
②按照輻射劑量率50rad/s，對進行完第①步試驗的電連接器進行輻照，直至輻照劑量達到5x1Gy，然后對電連接器進行絕緣電阻、耐電壓測試。
③按照輻射劑量率100rad/s，對進行完第①步試驗的電連接器進行輻照，直至輻照劑量達到5 x 105Gy，然后對電連接器進行絕緣電阻、耐電壓測試。
電連接器經(jīng)受2 x 103份輻照劑量后，尾部氟硅橡膠材料封線體仍然保持了優(yōu)良的彈性，進行接觸件取卸操作，封線體完好;在經(jīng)受50rad/s，總劑量5x105Gy輻照后，封線體明顯變硬，進行接觸件取卸操作時，出現(xiàn)輕微掉塊現(xiàn)象;在經(jīng)受100rad/s，總劑量5x105份輻照后，封線體明顯變硬，進行接觸件取卸操作時，出現(xiàn)大量掉塊、裂紋現(xiàn)象。輻照試驗后，電連接器的絕緣電阻值均大于5000MSZ，耐電壓均大于1800V，滿足初始設(shè)計要求。但通過取卸接觸件發(fā)現(xiàn)電連接器的尾部氟硅橡膠發(fā)生老化破損。
封線體的硬度隨總輻射劑量的增加而增大，同時單位時間輻射劑量增加，也加速封線體硬度變化。
(2)熱真空釋氣。
熱真空釋氣按照GJB1217-2009方法4001的規(guī)定進行試驗。經(jīng)過真空烘焙處理的連接器及構(gòu)成材料的釋氣試驗。
6結(jié)束語
本文分析了宇航環(huán)境中輻射和熱真空對電連接器的影響，以38999宇航級電連接器為代表對電連接器在宇宙輻射和熱真空環(huán)境下的失效機理進行了分析，明確了宇航級電連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材要求。并通過38999宇航級電連接器在不同輻照環(huán)境下試驗和釋氣試驗，得出了與分析一致的試驗結(jié)論。
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