南海海洋環(huán)境下機(jī)載電子設(shè)備的腐蝕及外場(chǎng)防護(hù)對(duì)策

郁大照，張代國, 王琳，唐慶云

（1. 海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001；2. 海軍駐洛陽407 廠軍事代表室，河南 洛陽 471000；3. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

隨著飛機(jī)自動(dòng)化程度的提高，機(jī)載電子設(shè)備在飛機(jī)各系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多。如果其中某一個(gè)器件或設(shè)備發(fā)生故障，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)或幾個(gè)系統(tǒng)的正常工作。如果是關(guān)鍵電子設(shè)備，甚至?xí)?dǎo)致飛行安全事故，而腐蝕是造成機(jī)載電子設(shè)備故障的一個(gè)重要因素。在南海高溫、高濕、高鹽霧，即“三高”環(huán)境下，機(jī)載電子設(shè)備更容易發(fā)生腐蝕、老化等問題，直接導(dǎo)致了電子部附件的導(dǎo)電、磁導(dǎo)、電感、電容、電子發(fā)射和電磁屏蔽等參量的改變，從而引起腐蝕故障。很輕微的腐蝕都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)或設(shè)備級(jí)的間歇性故障或完全失效，甚至引起二次故障[1-7]。

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2010—2015 年，駐海南服役飛機(jī)的電子設(shè)備故障率是駐山東服役飛機(jī)的1.9 倍[8]。張友蘭等人[9]針對(duì)環(huán)境對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的影響，用3 年時(shí)間跟蹤了6 種機(jī)型200 多臺(tái)套機(jī)載電子設(shè)備的故障情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在海南地區(qū)機(jī)載電子設(shè)備的故障率是內(nèi)陸的2～3 倍。同一機(jī)型的同一種導(dǎo)航設(shè)備，在海南的故障率是滄州的3 倍，其中一個(gè)電子設(shè)備在滄州使用從未發(fā)生故障，而在海南使用時(shí)其故障率為100%。

目前，國內(nèi)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕方面的研究相對(duì)比較成熟[10]，而在機(jī)載設(shè)備及其部附件的腐蝕失效機(jī)理與防護(hù)控制研究方面，還缺乏系統(tǒng)性。特別是在型號(hào)研制方面，理論研究支撐還不夠，部隊(duì)對(duì)電子設(shè)備的腐蝕不知如何防護(hù)與控制。因此，針對(duì)南海環(huán)境特點(diǎn)，開展機(jī)載電子設(shè)備的腐蝕分析和防護(hù)對(duì)策研究，對(duì)于減輕腐蝕對(duì)飛機(jī)的危害，降低故障率，避免出現(xiàn)重大腐蝕故障，保障飛行安全具有重要意義。

1 腐蝕特點(diǎn)

1.1 與機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕的區(qū)別

機(jī)載電子設(shè)備和機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕的主要區(qū)別是：很輕微的腐蝕在機(jī)體結(jié)構(gòu)上往往不會(huì)立即產(chǎn)生影響，而對(duì)于機(jī)載設(shè)備卻會(huì)導(dǎo)致間歇性故障、電學(xué)性能紊亂或完全失效。除了承擔(dān)機(jī)械應(yīng)力外，電子設(shè)備還承受電應(yīng)力，在電流及磁場(chǎng)的影響下，往往導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生腐蝕。多數(shù)電子設(shè)備雖然采用了“三防”設(shè)計(jì)，但其內(nèi)部元件仍然發(fā)生微腐蝕，且在日常維護(hù)中很難發(fā)現(xiàn)。某型軍用飛機(jī)電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，拆開口蓋后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部托架發(fā)生腐蝕，PCB 板局部表面部位防護(hù)涂層有腐蝕現(xiàn)象。主要原因是三防漆噴涂工藝質(zhì)量不高，很容易出現(xiàn)這種局部涂層起皮起泡，導(dǎo)致引腳等金屬部位出現(xiàn)腐蝕。電子設(shè)備除了金屬材料外，還使用許多有機(jī)材料，在過熱、不恰當(dāng)使用或固化不完全時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣體，這些氣體對(duì)于電子元件具有腐蝕性，會(huì)破壞涂層和絕緣材料。

圖1 電子設(shè)備內(nèi)部腐蝕現(xiàn)象

1.2 腐蝕機(jī)理復(fù)雜

電子材料種類繁多，應(yīng)用結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中Cu、Ni、Au、Pd、Ag、Al 及其合金和Sn 合金，在電子材料中獲得了廣泛的應(yīng)用，它們主要被用作導(dǎo)電材料、觸點(diǎn)或接點(diǎn)材料、插件材料和框架材料。近年來，電子產(chǎn)品向更高集成度、更快運(yùn)行速度、更低功耗與多功能性發(fā)展，在南海嚴(yán)酷的“三高”環(huán)境下，損傷速度更快，后果更加嚴(yán)重，而且更加難以預(yù)防，導(dǎo)致電子材料的環(huán)境適應(yīng)性問題嚴(yán)重。在高集成度元器件和印制電路構(gòu)成的多種金屬和合金體系中，會(huì)發(fā)生電偶腐蝕、縫隙腐蝕、微孔腐蝕、應(yīng)力腐蝕、雜散電流腐蝕等多種形式的環(huán)境失效問題。正是電子材料種類和使用環(huán)境的多樣性及電子材料結(jié)構(gòu)上的特殊性，使得電子材料的環(huán)境失效機(jī)理非常復(fù)雜。

2 防腐設(shè)計(jì)和控制存在的問題

1）腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)工藝不能滿足環(huán)境適應(yīng)性?，F(xiàn)役飛機(jī)電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境考慮不足，特別是機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員為了獲得一定的電子性能，在設(shè)計(jì)中犧牲耐腐蝕性能，選擇不適合或易腐蝕的材料，從而導(dǎo)致設(shè)備暴露在復(fù)雜環(huán)境（包括溫度、壓力、濕度的變化，灰塵、污物和工業(yè)污染物等）下腐蝕情況加重。通過對(duì)在南海環(huán)境下使用3 個(gè)月的飛機(jī)普查發(fā)現(xiàn)，已在起落架艙等暴露區(qū)域出現(xiàn)元器件腐蝕現(xiàn)象。比如，機(jī)上個(gè)別負(fù)線和搭鐵線已經(jīng)腐蝕，無法起到接地作用，且全機(jī)負(fù)線、搭鐵線未采用銅鋁氧化劑導(dǎo)電膏工藝，易加速腐蝕。多機(jī)左起落架艙壓力信號(hào)傳感器插頭出現(xiàn)外表和內(nèi)部腐蝕（見圖2）。前起壓縮位置終點(diǎn)開關(guān)由于多次插拔，導(dǎo)致插針表面鍍層磨損，出現(xiàn)微腐蝕，曾經(jīng)多次出現(xiàn)斷針現(xiàn)象等問題。

圖2 起落架艙電連接器腐蝕照片

2）服役環(huán)境下腐蝕機(jī)理研究相對(duì)薄弱。目前飛機(jī)成品件廠家對(duì)元器件的環(huán)境考核以單因素為主，沒有考慮環(huán)境與其他因素間的耦合作用。環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力等多種因素的綜合作用下，元器件可能誘發(fā)新的故障模式和機(jī)理，發(fā)生在陸上使用中未發(fā)生的新故障。這些故障的故障模式和機(jī)理尚不明確。

3）缺少合適的防護(hù)控制技術(shù)和手段。目前對(duì)飛機(jī)的腐蝕防護(hù)還以結(jié)構(gòu)材料為主，配備的電子設(shè)備緩蝕劑也只是針對(duì)外部殼體材料，對(duì)于內(nèi)部貴金屬材料的防護(hù)沒有考慮。對(duì)連接器等經(jīng)常拆解檢查且故障率較高的部件，除了采用纏繞保護(hù)帶等方式外，尚無其他外場(chǎng)防護(hù)產(chǎn)品可用。密集纏繞保護(hù)帶可降低鹽霧的直接腐蝕，但無法阻止?jié)駳獾臄U(kuò)散，且阻礙了濕氣的祛除，短期內(nèi)減少了故障，但長期的濕氣集聚會(huì)造成后期產(chǎn)品故障頻出。對(duì)于傳感器接頭等部分，由于連接狀態(tài)要求，不易涂覆防護(hù)層，出現(xiàn)過插針斷裂等腐蝕性問題，目前也缺乏相應(yīng)的技術(shù)支撐和技術(shù)文件指導(dǎo)，使得飛機(jī)在南海環(huán)境下服役存在一定的安全隱患。

3 腐蝕防護(hù)研究建議

針對(duì)目前國內(nèi)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備服役環(huán)境下腐蝕機(jī)理認(rèn)識(shí)不足、防護(hù)對(duì)象不明確、維護(hù)方法不科學(xué)的現(xiàn)狀，對(duì)典型電子設(shè)備及其部附件腐蝕數(shù)據(jù)挖掘、海洋環(huán)境腐蝕故障模式、腐蝕行為機(jī)理、性能退化規(guī)律及與腐蝕因素關(guān)聯(lián)性、最佳防護(hù)周期確定、“三防”產(chǎn)品篩選與使用等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出南海海洋環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)建議和腐蝕防護(hù)策略等系列成果，明確重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象、防護(hù)時(shí)機(jī)、最佳防護(hù)產(chǎn)品和防護(hù)策略，如圖3 所示。

圖3 機(jī)載電子設(shè)備腐蝕防護(hù)控制研究內(nèi)容建議

1）開展電子設(shè)備腐蝕故障數(shù)據(jù)的收集和分析。對(duì)南海海洋環(huán)境下服役飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和挖掘利用，確定腐蝕防護(hù)薄弱環(huán)節(jié)、易腐蝕部位、易腐蝕電子部附件類型行，明確技術(shù)攻關(guān)方向，了解電子設(shè)備的腐蝕設(shè)計(jì)與控制基礎(chǔ)。

2）開展關(guān)鍵技術(shù)理論和技術(shù)研究。通過加速試驗(yàn)方法研究，獲得典型區(qū)域及電子產(chǎn)品加速試驗(yàn)基本剖面。通過環(huán)境對(duì)比試驗(yàn)，確定海洋環(huán)境特征故障模式和機(jī)理，建立腐蝕關(guān)系模型。通過微腐蝕機(jī)制研究，完善涉電設(shè)備性能的試驗(yàn)和分析方法，建立電信號(hào)傳輸與腐蝕因素關(guān)聯(lián)模型，通過性能退化規(guī)律及其與腐蝕的關(guān)聯(lián)性研究，確定典型電子產(chǎn)品島礁環(huán)境下性能退化規(guī)律。

3）開展機(jī)載電子設(shè)備的腐蝕防護(hù)技術(shù)全壽命研究。針對(duì)當(dāng)前機(jī)載電子產(chǎn)品腐蝕面臨的關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)用問題，開展全壽命腐蝕防護(hù)控制研究。針對(duì)現(xiàn)有“三防”要求，通過腐蝕故障分析和對(duì)比環(huán)境試驗(yàn)，確定是否滿足腐蝕防護(hù)要求，找出薄弱環(huán)節(jié)，提出三防設(shè)計(jì)建議。通過防護(hù)產(chǎn)品的篩選試驗(yàn)，確定最佳防護(hù)材料和使用技術(shù)要求。在理論研究的基礎(chǔ)上，開展腐蝕防護(hù)最佳周期確定方法研究，提出防護(hù)技術(shù)要求，解決海洋環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性問題。

4 腐蝕防護(hù)與控制措施

美國對(duì)機(jī)載機(jī)載電子設(shè)備的腐蝕防護(hù)控制技術(shù)十分重視[11-13]，通過制訂專用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)航空電子元件和組件腐蝕防護(hù)控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了明確的規(guī)定，對(duì)電子元件的材料選擇、金屬鍍覆層的選擇、各種連接方法的選擇、電路連接和接地以及密封[14]等進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并研發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。國內(nèi)目前應(yīng)用較多的是DJB-823 固體薄膜保護(hù)劑和TFHS-20 濕膜潤滑緩蝕劑。

4.1 工作流程與內(nèi)容

成功的機(jī)載電子設(shè)備防護(hù)與控制依賴于一個(gè)協(xié)調(diào)全面的預(yù)防性維修程序。在機(jī)載電子設(shè)備維護(hù)、維修和操作方面，每一個(gè)相關(guān)人員都必須關(guān)注腐蝕、清理、檢查、預(yù)防和訓(xùn)練等方面的問題。預(yù)防性維護(hù)程序的一個(gè)目的是在電子設(shè)備性能嚴(yán)重下降發(fā)生以前，對(duì)腐蝕進(jìn)行及時(shí)處理，其一般流程如圖4 所示。工作內(nèi)容主要包括腐蝕處理訓(xùn)練、腐蝕識(shí)別和控制訓(xùn)練、檢查技術(shù)要求、腐蝕損傷檢查、腐蝕損傷報(bào)告、及時(shí)完成清理、處理、預(yù)防和潤滑。

圖4 機(jī)載電子設(shè)備腐蝕檢查與控制一般流程內(nèi)容

4.2 外場(chǎng)處理措施

4.2.1 正確清洗

污染物沉積是造成機(jī)載電子設(shè)備腐蝕問題的根本原因，及時(shí)清洗可以預(yù)防很多這類問題，在檢查之后第一個(gè)合理步驟就是進(jìn)行清洗工作。清洗對(duì)維持航電系統(tǒng)功能完整性和可靠性十分重要。污漬有可能導(dǎo)電，也有可能是絕緣的。如果是導(dǎo)電的，它將形成不良的電氣路徑；如果是絕緣的，它將干擾正常運(yùn)行。

為了確保適當(dāng)?shù)娜ノ?，在?shí)踐中最好采用最溫和的清潔方法。同樣重要的是，使用正確的清洗液和清洗材料才能使機(jī)載電子設(shè)備和部件避免損壞。涉及焊接點(diǎn)和保形涂層的清洗操作需要使用去離子水或者蒸餾水，酸性清潔劑不得用于機(jī)載電子設(shè)備。

4.2.2 干燥除濕

雨水疏漏和潮濕空氣是導(dǎo)致電子設(shè)備工作不正常以及各系統(tǒng)故障率高的主要因素。除濕干燥是嚴(yán)酷環(huán)境下飛機(jī)預(yù)防性措施中的一項(xiàng)重要措施，對(duì)減少機(jī)載設(shè)備故障率，提高飛機(jī)完好率具有重要作用。對(duì)座艙、設(shè)備艙、起落架艙、外翼內(nèi)腔等部位，可采用空調(diào)車或其他除濕干燥設(shè)備進(jìn)行除濕干燥處理。除濕時(shí)應(yīng)將過濾凈化處理后的干燥空氣，通過送風(fēng)管對(duì)準(zhǔn)水分和潮濕空氣容易滲入的縫隙和“死角”進(jìn)行持續(xù)吹風(fēng)。需要注意的是，吹風(fēng)干燥過程中應(yīng)將溫濕度表的濕度傳感器放置吹風(fēng)部位，待相對(duì)濕度下降至60%以下時(shí)方可停止干燥除濕。

4.2.3 緩蝕劑防腐

防腐是機(jī)載電子設(shè)備修理維護(hù)工作的重要環(huán)節(jié)。應(yīng)當(dāng)對(duì)清洗后、封存前、沉浸過腐蝕溶液和腐蝕防護(hù)系統(tǒng)失效等電子元器件噴涂防腐劑。部位一般包括電氣接頭和插座，接線端子板、匯流條和接線盒，非保形涂層的焊接點(diǎn)，共軸連接器的內(nèi)、外表面，接地線圈和電線等。如果需要，可用壓敏膠帶密封無需防腐保存的元件部位，確保完全覆蓋異種金屬表面接觸區(qū)域、裂縫和容易積水的區(qū)域，避免過度操作。使用防腐劑的時(shí)候，在30 min 后進(jìn)行二次涂覆。大多數(shù)防腐劑會(huì)形成絕緣膜，起到隔離兩個(gè)配合面的作用。例如，繼電器觸點(diǎn)上的防腐劑會(huì)使其繼電功能下降。應(yīng)當(dāng)在使用說明的幫助下，只有在其應(yīng)用和維護(hù)不妨礙電路或元件運(yùn)行時(shí)，才使用防腐劑。

5 結(jié)論

機(jī)載電子設(shè)備的腐蝕研究涉及力學(xué)、電化學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)和熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科，試驗(yàn)和測(cè)試分析較為復(fù)雜，目前國內(nèi)研究基礎(chǔ)相對(duì)比較薄弱。文中主要從機(jī)載電子設(shè)備的腐蝕特點(diǎn)、防護(hù)工作存在的問題、工作建議和使用維護(hù)策略等方面進(jìn)行了分析，并得出一些有益的結(jié)論。

1）電子設(shè)備及其元器件受到微量的腐蝕就會(huì)對(duì)其功能性能產(chǎn)生較大的影響，甚至導(dǎo)致故障和失效，對(duì)試驗(yàn)應(yīng)力條件施加要求比較苛刻。在南海嚴(yán)酷環(huán)境下，損傷速度更快，后果更加嚴(yán)重，而且更加難以預(yù)防，導(dǎo)致電子材料的環(huán)境適應(yīng)性問題嚴(yán)重。

2）現(xiàn)役飛機(jī)電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)無法滿足南海嚴(yán)酷的環(huán)境適應(yīng)性要求，且缺乏有效的使用防護(hù)手段和技術(shù)。

3）確定機(jī)載電子設(shè)備腐蝕防護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，開展綜合環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)、微腐蝕機(jī)制及電信號(hào)傳輸與腐蝕間的對(duì)應(yīng)關(guān)系等關(guān)鍵技術(shù)研究，是今后的重點(diǎn)研究方向。

4）電子設(shè)備的腐蝕防護(hù)比較復(fù)雜，應(yīng)針對(duì)電子設(shè)備的材料及電性能特點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)控制，以免造成元器件的二次損傷。