海洋环境下机载电子设备腐蚀防护与控制技术*

战贵盼 张安琪

（1.海装驻北京地区第三军事代表室 北京 100074）（2.海装驻北京地区第八军事代表室 北京 100016）

1 引言

腐蚀是导致航空电气系统及设备失效或故障的主要因素之一。研究表明，军用飞机30%～40%的机载设备失效的直接原因是腐蚀[1～2]。随着战技指标等一系列要求的提高，海军飞机逐渐向信息化、智能化方向发展，电子元器件凭借其微型化、集成化等优点广泛应用于飞机电子仪表、飞控系统以及航电等设备中，使得机载设备的腐蚀问题日益突出[3]。

一方面，电子设备的腐蚀是一个渐进的过程，对于有十多年服役寿命的海军飞机而言，长期处于高温、高湿、高盐雾的海洋环境下，腐蚀倾向、速率和程度均较大[4]；另一方面，相比于飞机结构材料，电子元器件对腐蚀介质更敏感，表面附着有极微量的薄液膜和腐蚀介质，如盐雾、NOx和SO2等，都可能导致电子材料发生严重腐蚀，元器件的可靠性降低，电子电路的电气性能下降，甚至导致系统失效，飞机作战性能异常[5]。如图1～2所示，服役于某沿海机场的某型飞机雷达天线和天线座腐蚀严重，严重影响雷达电磁波传输，导致探测距离下降，飞机作战性能降低。因此，机载设备的性能稳定性、可靠性等与环境条件密切相关，探讨更加合理有效的防腐技术和措施，对于提高机载设备的可靠性、耐蚀性和环境适应性具有重要意义。

图1 某机天线腐蚀

图2 某机短波天线底座腐蚀

本文基于海军飞机服役环境特点，深入分析探讨了影响机载设备腐蚀的主要因素，为设备的工程设计和日常腐蚀防护提供了结构设计、材料选择、表面防护、密封和灌装工艺以及检查、维护和保养等五方面措施，切实提高电子设备在实际应用中的可靠性和环境适应性，为海军飞机电子设备的腐蚀防护提供有力的技术支持。

2 腐蚀因素

海军飞机大部分时间停放在母舰甲板或机库内[6]，服役期间，机载设备可能会直接或间接遭受湿热、盐雾等气候环境应力及振动等平台环境应力的交变或协同作用，发生各种故障或失效，严重制约电子设备性能的发挥[7～8]。

2.1 气候因素

机载电子设备在使用期内总会遭受湿热、盐雾、腐蚀性气体等气候因素的单一或耦合作用，使得Cu、Ni、Al等常见电子材料发生腐蚀，线缆等高分子材料老化，进而导致介电常数增大，电气性能下降，直至失效。国外研究发现，机载设备故障有一半以上是由环境因素造成的[9]，其中，潮湿、高温、霉菌和盐雾是导致电子系统故障或腐蚀失效的主要气候因素[10]。

2.1.1 相对湿度

相对湿度是影响电子设备可靠性和稳定性的主要因素之一，是决定大气腐蚀速率的最重要因素[11]。通常，相对湿度在60%左右腐蚀速率会增大，相对湿度超过75%，速率会急剧增大[12]。一方面，由于电子元器件表面存在毛细管，其临界湿度较蒙皮等飞机结构更低，水膜更易形成和附着，凝结的水膜容易溶解大气中的CO2、SO2等腐蚀气体，形成电解液，使得金属材料由化学腐蚀转变为电化学腐蚀，腐蚀速率大大加快，且随着湿度增大，薄液膜留存时间也越长，腐蚀越严重；另一方面，电解液的存在，会导致绝缘器件绝缘性能下降，出现漏电和飞弧，也可能形成导电通路，造成短路，加速电子设备的故障或失效。

电子设备大多置于飞机封闭或半封闭舱室，可能会由于结构密封性不良等原因导致水气、盐雾颗粒等随外界大气流入舱室并累积、滞留，舱室内相对湿度可能达到100%，进一步促进材料腐蚀，导致设备和元器件电气性能失效等一系列反应[13]，引起系统功能异常。如图3所示为半封闭舱室的数字地图计算机腐蚀情况，造成腐蚀的主要原因是舱室的密封性不好，导致潮气入侵、滞留，导致该设备长期处于潮湿环境而引起腐蚀。

图3 某机数字地图计算机腐蚀

潮湿还有利于霉菌的生长，导致涂层等非金属材料发生霉变，加速微生物侵蚀。另一方面，对于材料表面涂层而言，相对湿度主要影响涂层的吸失水过程。水分与涂层中的某些极性基团容易结合形成氢键，涂层与金属的结合键受到破坏，导致涂层与金属基体之间的附着力降低，涂层从金属基体表面剥离，涂层防护功能失效。

2.1.2 温度

温度主要影响电子材料的腐蚀过程，是腐蚀的主要动力。温度主要通过影响金属表面水汽的凝聚、水膜中腐蚀气体和盐类的溶解度以及腐蚀速率等因素来影响金属的腐蚀。研究表明，温度每升高10℃，腐蚀速率增加一倍[14]。

相比于陆基飞机及其他结构，飞机舱室内的设备由母舰甲板诱发的温度可能达到63℃。长时间的高温会导致金属材料氧化，接点接触电阻增大，设备的可靠性和使用寿命降低；也会导致涂层中的高分子键断裂，加速涂层的老化，引起外观、力学性能等的劣化，出现粉化、起泡、开裂剥落等现象。另外，低温会导致摩擦系数增大，使得天线等装置的随动系统转动困难，也会使电子材料的某些性质发生改变，如使电子材料脆化、密封失效、参数发生漂移等。

2.1.3 盐雾

盐雾颗粒直径小，大约在5μm左右，渗透能力强，对电子设备腐蚀影响较大。主要体现在以下几个方面。

1）氯化物容易吸水，形成水膜，进一步形成电解质液，促进材料腐蚀，降低元器件的电气性能；

2）Cl-半径小，穿透力强，能够渗透并破坏金属表面涂层和钝化膜，与基体发生反应生成可溶性化合物，诱发孔蚀等局部腐蚀；

3）盐雾颗粒随着大气流动，在重力作用下，逐渐以1cm/s～2cm/s速度沉降在材料表面[15]，导致组部件活动装置阻塞或卡滞，且盐沉积物积聚会导致电解液导电率增大，使得绝缘性能下降，设备失效，如盐雾会增大天线罩对雷达波的反射，导致罩壁透射下降，形成雷达盲区；

4）美国已经验证了停放在母舰甲板上的飞机表面聚积的湿气中含有SO42-，pH值约为2.4～4.0[16～17]，酸性盐雾对材料和设备的腐蚀具有强烈的加速性。

2.1.4 尘埃和腐蚀性气体

由于内外压强差及电场和磁场环境的影响，机载设备内部容易积聚尘埃和棉絮，造成表面磨损、活动部件阻塞以及电气性能改变等效应。灰尘等的积聚会吸附并保持水分，从而溶解腐蚀介质，滋生真菌、霉菌等，诱发微生物腐蚀；同时，有无尘埃、棉絮覆盖的区域由于电位以及氧气浓度的差异，会形成氧浓差腐蚀电池或电偶腐蚀，加速腐蚀的发展。此外，灰尘和皮棉可以充当导体或绝缘体从而降低航空电子设备的性能[18]，在有湿气的情况下，含有SO42-、NO3-及Cl-等水溶性成分的尘埃附着在电子产品、软盘等媒介上，将会导致设备发生腐蚀或绝缘电阻降低；当灰尘和皮棉作为绝缘体时，航空电子设备可能过热导致过早故障。

腐蚀性气体主要来自两个方面，一个来自大气，如SO2、O3及NOx等，另一个是由系统内部有机化合物分解产生的。这些气体可以溶解到水膜中，形成电解液，从而加速电子系统的腐蚀；还可能与金属材料发生反应，导致电子系统性能失效。例如，硫化物对印制电路板中的金属产生的轻微腐蚀可能会使其完全失效，而H2S气体可与Ag在各种湿度条件下发生反应，还能使Cu及其合金迅速硫化，生成Cu2S，然后逐渐氧化生成硫酸盐；随着大气相对湿度的增加，Cl-浓度增大，铜变成绿棕色或铜绿色腐蚀产物层的速度加快。

2.1.5 霉菌

霉菌孢子体型极小，大多数直径在1μm～10μm，极易在空气中散播，对于任何可能暴露在大气中的元器件，均有可能遭受霉菌的侵害，是一个不可忽视的因素。霉菌容易在机载设备的面板、仪器仪表、密封材料、导线等材料和结构表面附着、生长、繁殖[19]，获取和分解材料中的某些成分，产生酶、酸等产物，破坏或腐蚀材料，导致部件性能劣化，元器件失效和功能丧失等严重后果。如，霉菌可能降低绝缘材料的绝缘性能和抗电强度；可能破坏密封件的密封性能，导致密封失效，严重影响产品的结构和性能[20]。

2.2 平台环境

平台环境是指装备（产品）连接或装载于某一平台后经受的环境，受平台和平台环境控制系统诱发或改变的环境条件的影响。

2.2.1 振动、冲击

舰载机停放在母舰甲板上，受平台诱发的机械环境影响，容易与舰船发生共振和喘振等现象。通常，振动源包括三个：1）母舰上各部件机械运动产生的非重复性强烈冲击，如发动机、螺旋桨、舰炮的射击等；2）海浪拍击引起的重复性低强度的振动，如海浪拍打、甲板风等气流的干扰和吹袭；3）在弹射和着舰过程中，舰载机会受到纵向/横向大过载、大冲击[21]。

这些机械振动和腐蚀环境的相互作用会诱发应力腐蚀开裂或腐蚀疲劳，导致弹性元件发生位移，电子元器件发生损伤、断裂和松动等。如，振动可能导致元器件导线折断，构件变形，导致电路中瞬间短断路及失效率增加，接点开闭不正常等故障。

2.2.2 电磁环境

海军飞机上装有大量电子设备，这些设备在运行过程中会产生复杂的电磁场环境。其中，电场的存在，会使得金属表面有电流流过，导致金属间产生阳极导电丝或阴极枝晶，还会加快离子的迁移速度，从而加速腐蚀，导致系统提前故障。磁场则会使溶液中的带电离子受洛伦兹力作用产生磁流体力学流动（MHD）现象[22]，导致带电离子运动速率加快，离子迁移速率、电化学反应速率增大，促进腐蚀过程，导致机载设备性能下降。

3 腐蚀防护技术

对机载电子设备进行防护，要在设计和使用过程中，综合考虑结构设计、选材、表面涂覆、密封和灌装工艺以及检查、维护和保养等方面，合理使用多种防护技术或方法，从而达到良好的防护效果，用小成本实现大效益。

3.1 合理的结构形式

合理的结构形式，能有效避免因结构设计不合理而对电子设备产生的不利影响，提高机载设备的环境适应性。在机载设备结构设计中，应注意以下几点：

本刊讯 2016年6月13日，北京市“东四——朝阳门——建国门”学区“读红色经典 铸理想信念”——纪念建党95周年诵读活动在北京史家小学高年级部礼堂举行。北京市东城区委宣传部副部长王铁峰、东城区委教育工委书记冯洪荣、东城区教委主任周玉玲、东城区政府教育督导室主任付葵、东城区委教工委副书记刘藻、东城区教育纪工委书记刘宏明、东城区教委副主任尤娜、东城区政府教育督导室副主任段勇、东城区教委副处级调研员王守仙出席活动。来自北京市东城区委宣传部理论科，东城区委教育工委、东城区教委的领导以及东朝建学区内的16个单位的党员教师400余人参加活动。

1）尽量采用模块化设计[23]，将各模块单元进行适当的密封、屏蔽及抗振处理，然后进行拼装，或采用整体浇筑法，防止产生缝隙腐蚀等与几何形状有关的腐蚀形态。

2）对于易腐蚀部位，接触截面厚度应尽量相近，避免因载荷或机械应力造成薄弱区域变形，诱发应力腐蚀。

3）防潮、防湿设计。设置低点排水管，以便飞机停放时设备中的水分均能排出；将设备中贯穿件的数量保持在最低限度以减少湿气侵入，当需要贯穿件时，使用O形密封圈和垫圈进行密封；对于接线入口，使用并水平安装（通过垂直侧）“L”型电连接器，位置远高于外壳底部。

4）应避免和减少局部应力集中，如零部件的棱边处要设计成圆弧，避免应力集中，产生应力腐蚀；还应提高涂覆工艺，在装配中应尽量避免产生较大的残余应力。

5）正确恰当的设备安装。航空电子设备的安装方式应允许设备周围有足够的气流，并使设备保持在离隔间地板上至少1/2英寸的高度[18]。

6）采取一定的措施减少电磁波的泄露。如天线尽可能采用铜接地板，并保证天线与机体有良好的电接触，减小接地电阻[24]。

7）在设计时采取有效的措施除湿、降温和祛除盐雾，去除电子系统工作环境中的腐蚀介质，这是简便、有效且治本的防腐措施之一。例如，对机载雷达而言，通常在天线外加装天线罩，并在罩内安装除湿装备使舱内湿度降到60%以下，并把发射方舱、工作方舱等设备安置在工作房内，同时在房内加装环境控制设备，进行温、湿度调节，从而减缓腐蚀的发生。

3.2 材料的选择

材料的选择应综合考虑电子设备的结构特点、使用环境和性能以及材料可能发生的腐蚀类型等因素，结合材料特性，对材料进行评价，从而选择耐蚀、经济且合理的材料。通常，材料选择主要考虑以下几点。

1）根据服役环境，优先选择耐蚀且合理的材料，这是电子设备防腐的最有效的措施之一，也是防腐设计的关键一步。充分了解材料在各种环境中可能发生的腐蚀类型和材料的使用范围，针对不同环境对标对表分析，选用合适、合理的材料。如，镁合金广泛应用于天线结构、底盘、支架和框架等航空电子系统中；铝合金用于设备外壳、安装架和电连接器外壳中；高分子材料一般用在天线罩等结构。

2）所选材料不仅要耐蚀，而且要满足力学、电气和机械等性能。例如，在温度不高且受力允许情况下，优先选择高分子材料；对于受力较大的结构，应注意防止发生腐蚀疲劳或开裂，等。

3）注意材料的相容性。同一设备应尽量使用同种材料，避免异种金属材料接触，若不可避免，则应尽可能采用电位相近或电位差小于0.25V的金属对[25]，避免发生电偶腐蚀，对电位差较大的，可以通过加绝缘衬垫或者涂镀层等方式进行隔离；要避免“小阳极大阴极”现象，即应把小零件作为电偶对中的阴极；避免所用材料与金属的不相容而发生反应释放腐蚀性气体或物质。

4）据需优先选用抗霉性好、耐老化、耐热分解、吸湿性低、与金属不发生腐蚀反应，且具有良好的介电和绝缘性能的非金属材料。

5）材料的选择还应注意与其他防腐工艺合理配合。如缓蚀剂涂覆、密封、电化学保护等。

3.3 表面涂覆

表面涂覆主要作用是增强抗蚀能力，保护导电表面[26]。实际应用中，应根据实际服役环境和材料的性能选择合适、具有良好“三防”性能且对设备性能影响较小的涂覆材料。

涂层防护是较为常用的表面涂覆手段。例如，对于天线及雷达其他外部结构件，底层可选用富锌涂料，对易处理的表面采用无机富锌涂料，对难处理的表面采用环氧富锌涂料，富锌涂层可对金属材料起到良好的电化学保护作用；中间层一般选择环氧云铁涂层，对腐蚀介质具有良好的阻隔作用；面层宜选用丙烯酸聚氨酯涂层，耐候性好。其中，铝合金天线通常采用环氧锌黄底漆和氯化橡胶面漆，天线罩表面采用环氧聚酰胺底漆和氯化橡胶或丙烯酸聚氨酯面漆。

另外，对于机载设备，喷涂电子电气型缓蚀剂也是一种使用方便、可靠且性能优异的重要防护手段[27～30]。电子设备型缓蚀剂具有良好的水置换性和渗透性，能迅速去除水分等腐蚀介质，有效抑制或减缓腐蚀，且不会对元器件的电气性能产生影响。研究表明，TFHS-20、Cor-Ban 35和DJB-823、Super CORR-A等缓蚀剂均具有良好的防护效果，且对电连接器等电子元器件的性能影响较小[31]。

3.4 密封和灌装工艺

在使用维护中，要始终保持设备具有良好的密封性，应根据机载设备可能遭受的湿热、酸性盐雾等腐蚀环境特点，选用密封效果最佳的密封材料和类型，进行密封或灌装处理，避免盐雾、湿气等腐蚀介质与线路或元器件接触而发生腐蚀。

通常，电子设备采用壳体和密封盖板进行封装隔离。盖板内嵌密封圈或密封衬垫，密封衬垫可选用含银的导电衬垫，能有效保证电磁屏蔽。维护中要注意以下几点：避免因载荷引起变形导致密封失效；密封位置应保证便于检查和保养；结构间隙恰当，保证密封材料涂覆面积，使密封材料粘结可靠，还应避免缝隙腐蚀的发生。如对于高频电路盒体、馈线原件内腔等，一般采用密封的方式进行防护；对于一般结构件，可以通过更换密封胶条，恢复其密封性能，或在连接处加装密封圈以保证密封性能。

有时，还要对元器件或零部件进行灌装处理，即把元件嵌入封闭的材料中，使其与周围环境隔离[25]。通常，灌封后的电子元器件和零部件能实现较好的“三防”性能，而且还能承受较高的冲击振动的影响，保证电子系统正常运行。如变压器等高压器件主要采用灌封的方式，将金属与大气隔绝，从而有效地控制设备的腐蚀速度，减缓腐蚀的发生。

3.5 检查、维护和保养

相比于陆基设备，舰载机设备处于更加复杂恶劣的环境中，其保养和维护难度更大。在使用、维护和保养过程中，一定要循规蹈矩、依章施策，切忌马虎大意。

机务人员要熟悉电子设备各种材料的腐蚀失效模式和类型，对易腐蚀的部位要加大检查和维护力度，并做好相关的防护措施，按照要求定期检查并清理腐蚀产物和污物，这是一种简单有效的防护措施。飞机在使用和维护过程中，灰尘、金属屑及其他污染物可能会在设备内积聚，若不及时清除，可能会加重腐蚀或造成其他损伤。如残留在舱室内的灰尘等介质，会成为霉菌等的养料，导致电子材料发生微生物腐蚀；残留的金属屑可能会划破材料表面，破坏表面防护层，导致基体发生腐蚀。同时，要定期进行表面防护处理，如涂覆相应的涂层或TFHS-20、DJB-823等缓蚀剂，以提高元器件的防护性能。

4 结语

本文基于海军飞机机载设备服役环境特点，从气候和平台环境两方面分析了影响机载设备和元器件腐蚀的主要因素，其中，温度、湿度、盐雾和霉菌以及振动、电磁场环境等的交互和协同作用，使机载设备腐蚀更为严重，防护指标越来越苛刻。因此，在实际腐蚀防护过程中，要整体布局，结合多种防护手段，从结构设计、材料选择、表面防护、检查和维护等方面综合考虑，选用合理可靠的防护措施，提高设备的可靠性，以满足海洋环境恶劣的环境适应性要求。