機(jī)載電子設(shè)備海洋環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究

周利敏 楊蕾

（中國(guó)電子科學(xué)研究院 北京市 100041）

海水是典型的電解質(zhì)溶液，對(duì)金屬的電化學(xué)腐蝕特征明顯，海水的含鹽量通常為3.5%左右，使得海水的電導(dǎo)很大，海水腐蝕的電阻滯很小，異種金屬接觸將會(huì)造成明顯的電偶腐蝕。海水中Cl-含量高會(huì)使大多數(shù)金屬構(gòu)件具有較高的腐蝕活性。Cl-通常會(huì)破壞鈍化膜，促進(jìn)小孔腐蝕。同時(shí)，Cl2能降低金屬表面液膜的pH 值，Cl2與金屬反應(yīng)生成吸濕的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)而影響金屬表面的吸附水量。

海上的大氣溫度一般不超過(guò)40 ℃，艙內(nèi)與外界溫差為5℃～8℃，相對(duì)濕度為70%～90%甚至更高。通常，艦載平臺(tái)要求各類電子設(shè)備能在環(huán)境溫度為-28℃～+65℃、相對(duì)濕度為85%～99%的溫濕度交變頻繁的環(huán)境中正常工作[1]。機(jī)載電子設(shè)備服役于惡劣的海洋氣候環(huán)境，高溫、高濕、鹽霧、空氣中的腐蝕性物質(zhì)和各種霉菌對(duì)設(shè)備具有很強(qiáng)的破壞性。機(jī)載電子設(shè)備的海洋環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)水平直接決定了產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性，因此，在設(shè)備研制初期，通常為方案階段，應(yīng)同步開(kāi)展設(shè)備的“防潮濕、防霉菌、放鹽霧”的設(shè)計(jì)工作。

1 材料選用設(shè)計(jì)

1.1 金屬材料選用

正確、合理地選擇材料是機(jī)載電子設(shè)備海洋環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。材料腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失已占我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總值的5%，人均損失已達(dá)800 元/（人·年），不僅給國(guó)家?guī)?lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失和大量資源與能源消耗，也嚴(yán)重威脅設(shè)備、裝備的耐久性、安全性和可靠性使用[2]。電子設(shè)備設(shè)計(jì)選材時(shí)，應(yīng)在滿足力學(xué)性能和電氣性能的前提下，根據(jù)其使用環(huán)境、在平臺(tái)上的安裝位置選取相應(yīng)的耐蝕材料。艙室內(nèi)安裝的設(shè)備可選用鋁合金（優(yōu)先推薦防銹鋁合金、鍛造鋁合金）、奧氏體不銹鋼（06Cr19Ni10、1Cr18Ni9Ti 等）、銅合金（H62、H96、T2）等耐腐蝕的材料；對(duì)于安裝在外部等有可能直接與海洋大氣相接觸的關(guān)鍵設(shè)備則應(yīng)優(yōu)先選用防銹鋁合金、鈦合金、銅合金（H96、T2）、奧氏體不銹鋼（022Cr17Ni12Mo2）等優(yōu)質(zhì)耐蝕材料。

1.2 非金屬材料選用

霉菌的理想生長(zhǎng)環(huán)境為溫度20 ℃～40 ℃，相對(duì)濕度85%～100%，高溫高濕的海洋環(huán)境有利于霉菌的生成和滋長(zhǎng)，機(jī)載電子設(shè)備非金屬材料的選用也很關(guān)鍵。按照GJB150.10A-2009 開(kāi)展的霉菌28 天和84 天試驗(yàn)表明：

（1）聚四氟乙烯、氟醚橡膠、硅橡膠、氟硅橡膠、乙丙橡膠、環(huán)氧膠、聚醚酰亞胺（PEI）、聚酰胺纖維（PA）、氰酸酯玻璃纖維等具有優(yōu)良的耐霉菌性能；

（2）GD414 密封劑、環(huán)氧膠DG-3S、南大-704 硅橡膠、有機(jī)硅灌封膠GMX-8103、導(dǎo)電膠EPOXY H20E 等膠粘劑也表現(xiàn)出了優(yōu)良的耐霉菌性能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 一般要求

設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響非常大，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以延緩腐蝕發(fā)生。機(jī)載電子設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)：

（1）機(jī)箱表面結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量單一、致密、光滑，并盡量避免凹槽、盲孔、縫隙、孔隙、尖角，使腐蝕性介質(zhì)不易滯留和聚集；

（2）設(shè)備減重腔、減重槽等腔體結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)在設(shè)備的內(nèi)表面，避免在外表面開(kāi)腔、開(kāi)槽；

（3）避免采用不同類型的金屬直接接觸，防止電偶腐蝕的發(fā)生，異種金屬接觸電位差應(yīng)低于0.25V；對(duì)電位差大的異種金屬接觸部位，可采用合適的鍍層或用非金屬進(jìn)行隔離處理；

圖1：電子設(shè)備機(jī)箱密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：電連接器防腐蝕安裝方式示意圖

（4）機(jī)載電子設(shè)備內(nèi)的PCBA 的應(yīng)采用垂直安裝方式，避免水平安裝方式；

（5）設(shè)備電連接器采用沿水平方向布置的安裝方式，避免液體積聚后進(jìn)入電連接器內(nèi)部；

（6）機(jī)箱應(yīng)盡量減少緊固件連接的結(jié)構(gòu)形式，而優(yōu)先選用鈑金結(jié)構(gòu)、焊接、整體澆鑄的結(jié)構(gòu)形式；采取螺紋緊固的結(jié)構(gòu)時(shí)，緊固件應(yīng)盡量采用平行水平面安裝的設(shè)計(jì)方式，避免液體積聚和縫隙腐蝕的發(fā)生；

（7）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免和減少局部應(yīng)力集中，對(duì)加工過(guò)程中有可能產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的零件應(yīng)采取措施消除殘余應(yīng)力。

2.2 密封設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)箱密封設(shè)計(jì)

機(jī)載電子設(shè)備原則上應(yīng)采用密封機(jī)箱，密封機(jī)箱可以改善局部環(huán)境條件，為內(nèi)部PCBA 提供一個(gè)相對(duì)良好的工作環(huán)境，電子設(shè)備機(jī)箱一般采用導(dǎo)電橡膠圈（條）進(jìn)行密封（見(jiàn)圖1），硅橡膠和氟硅橡膠有良好的高低溫性能、壓縮變形性能以及抗氧化性能，是常用的兩類密封材料。研究表明，橡膠密封圈的相對(duì)變形量在20%-30%時(shí)[4]，密封件緊貼裝配面，使水分子不能滲透，密封效果最好，推薦采用雙峰復(fù)合導(dǎo)電橡膠條來(lái)進(jìn)行機(jī)箱的密封，可同時(shí)兼顧密封和電磁屏蔽的作用。

2.2.2 電纜組件密封設(shè)計(jì)

電纜組件作為電子設(shè)備互聯(lián)互通的主要途徑，其可靠性決定了整個(gè)信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電纜組件通常采用對(duì)電纜電連接器尾部附件灌封處理達(dá)到密封效果，推薦海洋環(huán)境下的灌封膠選用單組份室溫硫化硅橡膠GD-414、南大-703 硅橡膠、有機(jī)硅灌封膠GMX-8103，對(duì)高壓電連接器推薦采用中溫固化的環(huán)氧樹(shù)脂灌封接點(diǎn)后再用GD-414 膠進(jìn)行封尾。灌封后的電連接器，可用帶膠熱縮套管進(jìn)行密封防護(hù)處理，推薦的電連接器防腐蝕安裝方式見(jiàn)圖2 所示。經(jīng)西沙海洋環(huán)境大氣暴曬1 年試驗(yàn)驗(yàn)證，此種工藝處理后的電纜接頭具有優(yōu)良的密封效果，其電性能指標(biāo)無(wú)變化，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。某海洋大氣暴曬6 個(gè)月后，其外觀質(zhì)量無(wú)明顯變化，建議其連續(xù)海洋大氣環(huán)境使用保養(yǎng)周期間隔為6 個(gè)月。

表2：常用材料及表面處理要求

表3：PCBA 表面處理涂層選用

3 表面處理及防護(hù)

3.1 金屬材料表面處理及防護(hù)

對(duì)材料表面進(jìn)行鍍涂保護(hù)和化學(xué)處理后噴涂處理可以提高其耐蝕性能，也是電子設(shè)備提高環(huán)境適應(yīng)能力常用的方法。機(jī)載電子設(shè)備通常采用鍍涂和涂覆組合模式來(lái)提高產(chǎn)品的性能。常用材料典型的防護(hù)模式見(jiàn)表2。

3.2 PCBA表面處理及防護(hù)

PCBA 是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備功能和性能的核心組件，提高其耐濕熱、霉菌、鹽霧的性能，是機(jī)載電子設(shè)備研制過(guò)程中必須考慮的一個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)某海軍型號(hào)產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證表明，PCBA 板防護(hù)涂層（見(jiàn)表3）具有優(yōu)良的耐海洋大氣腐蝕性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載電子設(shè)備耐海洋環(huán)境設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及材料、結(jié)構(gòu)、工藝等多個(gè)專業(yè)的系統(tǒng)工程，在設(shè)計(jì)時(shí)從方案設(shè)計(jì)開(kāi)始需要綜合考慮各因素，從材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)多方面綜合設(shè)計(jì)的一個(gè)結(jié)果，需要突破傳統(tǒng)“三防技術(shù)”的范疇，結(jié)構(gòu)、材料、工藝各專業(yè)開(kāi)展協(xié)同聯(lián)合設(shè)計(jì)，避免將工藝防護(hù)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后的改進(jìn)措施。