机载电子设备海洋环境适应性设计研究

周利敏 杨蕾

（中国电子科学研究院 北京市 100041）

海水是典型的电解质溶液，对金属的电化学腐蚀特征明显，海水的含盐量通常为3.5%左右，使得海水的电导很大，海水腐蚀的电阻滞很小，异种金属接触将会造成明显的电偶腐蚀。海水中Cl-含量高会使大多数金属构件具有较高的腐蚀活性。Cl-通常会破坏钝化膜，促进小孔腐蚀。同时，Cl2能降低金属表面液膜的pH 值，Cl2与金属反应生成吸湿的腐蚀产物进而影响金属表面的吸附水量。

海上的大气温度一般不超过40 ℃，舱内与外界温差为5℃～8℃，相对湿度为70%～90%甚至更高。通常，舰载平台要求各类电子设备能在环境温度为-28℃～+65℃、相对湿度为85%～99%的温湿度交变频繁的环境中正常工作[1]。机载电子设备服役于恶劣的海洋气候环境，高温、高湿、盐雾、空气中的腐蚀性物质和各种霉菌对设备具有很强的破坏性。机载电子设备的海洋环境适应性设计水平直接决定了产品的稳定性、可靠性，因此，在设备研制初期，通常为方案阶段，应同步开展设备的“防潮湿、防霉菌、放盐雾”的设计工作。

1 材料选用设计

1.1 金属材料选用

正确、合理地选择材料是机载电子设备海洋环境适应性设计的基础。材料腐蚀造成的经济损失已占我国国民经济总值的5%，人均损失已达800 元/（人·年），不仅给国家带来重大的经济损失和大量资源与能源消耗，也严重威胁设备、装备的耐久性、安全性和可靠性使用[2]。电子设备设计选材时，应在满足力学性能和电气性能的前提下，根据其使用环境、在平台上的安装位置选取相应的耐蚀材料。舱室内安装的设备可选用铝合金（优先推荐防锈铝合金、锻造铝合金）、奥氏体不锈钢（06Cr19Ni10、1Cr18Ni9Ti 等）、铜合金（H62、H96、T2）等耐腐蚀的材料；对于安装在外部等有可能直接与海洋大气相接触的关键设备则应优先选用防锈铝合金、钛合金、铜合金（H96、T2）、奥氏体不锈钢（022Cr17Ni12Mo2）等优质耐蚀材料。

1.2 非金属材料选用

霉菌的理想生长环境为温度20 ℃～40 ℃，相对湿度85%～100%，高温高湿的海洋环境有利于霉菌的生成和滋长，机载电子设备非金属材料的选用也很关键。按照GJB150.10A-2009 开展的霉菌28 天和84 天试验表明：

（1）聚四氟乙烯、氟醚橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、乙丙橡胶、环氧胶、聚醚酰亚胺（PEI）、聚酰胺纤维（PA）、氰酸酯玻璃纤维等具有优良的耐霉菌性能；

（2）GD414 密封剂、环氧胶DG-3S、南大-704 硅橡胶、有机硅灌封胶GMX-8103、导电胶EPOXY H20E 等胶粘剂也表现出了优良的耐霉菌性能。

2 结构设计

2.1 一般要求

设备的结构形式对产品的质量影响非常大，良好的结构设计可以延缓腐蚀发生。机载电子设备在结构设计时应：

（1）机箱表面结构应尽量单一、致密、光滑，并尽量避免凹槽、盲孔、缝隙、孔隙、尖角，使腐蚀性介质不易滞留和聚集；

（2）设备减重腔、减重槽等腔体结构应设计在设备的内表面，避免在外表面开腔、开槽；

（3）避免采用不同类型的金属直接接触，防止电偶腐蚀的发生，异种金属接触电位差应低于0.25V；对电位差大的异种金属接触部位，可采用合适的镀层或用非金属进行隔离处理；

图1：电子设备机箱密封结构示意图

图2：电连接器防腐蚀安装方式示意图

（4）机载电子设备内的PCBA 的应采用垂直安装方式，避免水平安装方式；

（5）设备电连接器采用沿水平方向布置的安装方式，避免液体积聚后进入电连接器内部；

（6）机箱应尽量减少紧固件连接的结构形式，而优先选用钣金结构、焊接、整体浇铸的结构形式；采取螺纹紧固的结构时，紧固件应尽量采用平行水平面安装的设计方式，避免液体积聚和缝隙腐蚀的发生；

（7）结构设计中，应避免和减少局部应力集中，对加工过程中有可能产生较大残余应力的零件应采取措施消除残余应力。

2.2 密封设计

2.2.1 机箱密封设计

机载电子设备原则上应采用密封机箱，密封机箱可以改善局部环境条件，为内部PCBA 提供一个相对良好的工作环境，电子设备机箱一般采用导电橡胶圈（条）进行密封（见图1），硅橡胶和氟硅橡胶有良好的高低温性能、压缩变形性能以及抗氧化性能，是常用的两类密封材料。研究表明，橡胶密封圈的相对变形量在20%-30%时[4]，密封件紧贴装配面，使水分子不能渗透，密封效果最好，推荐采用双峰复合导电橡胶条来进行机箱的密封，可同时兼顾密封和电磁屏蔽的作用。

2.2.2 电缆组件密封设计

电缆组件作为电子设备互联互通的主要途径，其可靠性决定了整个信息系统的稳定性。电缆组件通常采用对电缆电连接器尾部附件灌封处理达到密封效果，推荐海洋环境下的灌封胶选用单组份室温硫化硅橡胶GD-414、南大-703 硅橡胶、有机硅灌封胶GMX-8103，对高压电连接器推荐采用中温固化的环氧树脂灌封接点后再用GD-414 胶进行封尾。灌封后的电连接器，可用带胶热缩套管进行密封防护处理，推荐的电连接器防腐蚀安装方式见图2 所示。经西沙海洋环境大气暴晒1 年试验验证，此种工艺处理后的电缆接头具有优良的密封效果，其电性能指标无变化，试验结果见表1。某海洋大气暴晒6 个月后，其外观质量无明显变化，建议其连续海洋大气环境使用保养周期间隔为6 个月。

表2：常用材料及表面处理要求

表3：PCBA 表面处理涂层选用

3 表面处理及防护

3.1 金属材料表面处理及防护

对材料表面进行镀涂保护和化学处理后喷涂处理可以提高其耐蚀性能，也是电子设备提高环境适应能力常用的方法。机载电子设备通常采用镀涂和涂覆组合模式来提高产品的性能。常用材料典型的防护模式见表2。

3.2 PCBA表面处理及防护

PCBA 是实现电子设备功能和性能的核心组件，提高其耐湿热、霉菌、盐雾的性能，是机载电子设备研制过程中必须考虑的一个问题，经过某海军型号产品环境试验验证表明，PCBA 板防护涂层（见表3）具有优良的耐海洋大气腐蚀性能。

4 结束语

机载电子设备耐海洋环境设计是一个涉及材料、结构、工艺等多个专业的系统工程，在设计时从方案设计开始需要综合考虑各因素，从材料选用、结构设计、工艺设计多方面综合设计的一个结果，需要突破传统“三防技术”的范畴，结构、材料、工艺各专业开展协同联合设计，避免将工艺防护作为产品设计完成后的改进措施。