防真空冷焊镀覆层探讨

范小平，张勇强，孙革伟

(1.空军装备部驻绵阳地区第二军事代表室；2.四川华丰科技股份有限公司，四川绵阳，621000)

1 前言

高真空分离机构如真空分离连接器，是星箭分离、巡视器与着陆器成功分离的关键性器件。高真空分离电连接器选用弹簧释放弹力克服针孔间的插拔阻力，实现头座分离脱落。长周期高真空飞行任务中，分离电连接器接触体部件将面临真空冷焊的风险，其接触体表面镀覆层对防真空冷焊有着至关重要的作用。如果分离电连接器发生冷焊粘连，就会发生诸如星箭不分离、空间武器不能发射、着陆器无法着陆等致命的功能性障碍。因此，研究真空冷焊的发生机制，从发生机制上消除真空冷焊的不利影响，是真空分离连接器开发中的必要工作。

2 真空冷焊的发生机理

2.1 真空冷焊的概念[1]

真空冷焊是2005年经全国科学技术名词审定委员会审定发布公布的航天科学技术名词。真空冷焊指：当器件处于超高真空环境中，器件运动部件的表面处于原子清洁、无污染状态时，清洁、无污染金属接触面间原子键合造成的粘接现象。运动部件不能分离是真空冷焊严重时的表现。金属活动部件面间过度摩擦造成凸点处局部焊接，导致金属撕落、转移，并进一步造成接触件粗糙度增加的现象[2]，也是冷焊的表现。

选择不当的有机材料压力接触界面，在环境温度较高的高真空中震动摩擦条件下，也可能发生焊接，这是类似塑料的超声波焊接；一些橡胶和塑料之间，因为压力接触界面两侧如含有增塑剂会相互扩散，也表现为焊接在一起，这两种情况在真空环境和非真空环境都可以发生，都不在真空冷焊的范畴。

2.2 真空冷焊的发生场景和机理

超高真空(一般认为真空度达到10-6Pa，国标规定小于1.33×10-7Pa)、相同的金属材料以及一定的压力，是发生冷焊现象的几个要素。在大气环境下，因为各种杂质氧化物及气体的存在，看不到冷焊现象。一般的应用也很难触及到超高真空。在超高真空条件下，当固体表面吸附物以气体方式逸出，各种有机污染膜解析消失，固体表面相互接触时，在接触压力、震动摩擦作用下，金属表面的氧化膜被破坏，为金属接触界面形成金属键提供了条件，界面两边的金属原子便会相互扩散发生粘合现象，加上热扩散作用，在一定的压力负荷下就会产生进一步整体粘着，这就是真空冷焊的发生[3]。

在分离(脱落)连接器中，金属壳体之间、壳体与屏蔽环之间、接触件之间是可能发生真空冷焊的接触副。典型的脱落连接器在输入机械分离力或电流后实现插头和插座的分离，工作过程如图1；脱落电连接器插头外形结构如图2；脱落电连接器插座外形结构如图3。

图1 脱落连接器分离示意图

图2 脱落电连接器插头外形结构图

图3 脱落电连接器插座外形结构图

在高真空环境中，分离连接器插头插座在长期插合的情况下，拉杆机构和锁紧套的金属接触面长时间接触或者因为随机振动等造成的过度磨损而发生"粘接"，可能导致在通电后或者施加机械拉力情况下插头插座无法有效分离"卡住"的现象发生。另外，金属壳体之间和电接触对之间，对偶材料均为金属，也可能产生冷焊而影响分离。

3 连接器防真空冷焊的措施

要防止真空冷焊的发生，当然要熟知以下诸多利于冷焊的条件：金属惰性或者能得到新鲜清洁表面；能使对偶表面在较长时间内维持新鲜清洁状态；金属越软，塑性越大，越易于冷焊 ；温度升高，金属塑性增加，利于冷焊；对偶面正压力增大，利于金属原子的塑性流动，利于冷焊；摩擦可持续产生新鲜清洁表面，利于冷焊。

一般而言，防范冷焊发生可采取包括不限于以下的措施：

(1)提高对偶金属硬度，增加表面耐磨性，对偶件表面原子接触数量少，形成的金属键合仅限于表面凸点上层的几十个原子层，与金属材料抗拉、抗折强度相比，完全忽略不计，如镀硬铬、镀化学镍；

(2)镀覆既耐低温、又抗高温的润滑膜，如镀覆MoS2膜或WS2膜、PTFE薄膜、PTFE+ MoS2薄膜、PI+ MoS2薄膜、涂覆分子量5000左右的全氟聚醚润滑脂或高真空硅酯；

(3)镀覆含MoS2或PTFE纳米颗粒的自润滑复合镀镍层；

(4)对偶件使用耐磨的非金属材料如刚玉陶瓷、氧化锆陶瓷等；

(5)对碳钢和不锈钢进行QPQ处理，在工件表面生成双层的氮化层，对于黑色金属表面化合层可达到10 25微米深度，扩散层深达0.3 0.8 mm，具有表面乌黑发亮的色泽，化合层均匀性极佳，表面硬度高，有很高的耐磨性、耐腐蚀性；

(6)物理气相沉积氮化钛膜(PVD-TiN)；

(7)物理化学气相沉积类金刚石膜(PCVD-DLC)，DLC即diamond-like carbon，由碳元素构成，与钢的结合强度高，在性质上和钻石类似，同时又含石墨结构。DLC是一种非晶态薄膜，具有高硬度和高弹性模量，低摩擦系数，耐磨损以及真空摩擦学特性；DLC镀层是含有金刚石结构(sp3键)和石墨结构(sp2键)的亚稳非晶态物质，碳原子主要以sp3和sp2杂化键结合。DLC膜的厚度只有几微米(理论为0.003mm)，一般达到以下特性：镀层硬度 8000 HV；摩擦系数0.05 0.2；涂层厚度：0.5 10 μm；最高耐热 800 ℃。

常用的几种抗真空冷焊膜参考特性对比如表1。

表1 常用的几种抗真空冷焊膜参考特性对比

在本连接器上因接触面见可能发生的真空冷焊现象而是连接器不能正常分离的面接触零件有：钢珠和锁套、钢珠和拉杆、轴套和拉杆、压筒和锁紧套、压筒和轴套、轴套和锁紧套、插针和插孔、钢珠和轴套、钢珠和压筒、头壳体与座壳体。如果上述零件之间发生真空冷焊现象，可能到导致产品无法解锁，或者解锁后插头与插座不能正常分离。

3.1 锁紧机构的防真空冷焊措施

锁紧机构由锁紧圈、压筒、陶瓷珠、芯轴、轴套、弹簧等零件组成。锁紧圈安装在插座上，其它零件安装在插头上，芯轴后部带有弹簧，与轴套和压筒配合，三个陶瓷珠在轴套圆周均匀分布(如图4所示)。插合时，压筒在锁紧圈的压力作用下向后移动，当陶瓷珠进入锁紧圈的凹槽位置时，陶瓷珠被芯轴在弹簧的推动下向外挤入锁紧圈的凹槽内，从而实现锁紧功能。分离时，在芯轴尾部施加一定的机械拉力，芯轴克服弹簧的压力向后移动，同时陶瓷珠被压筒在弹簧压力的作用下向内收缩，直至陶瓷珠进入压筒内，从而实现解锁功能。

图4 锁紧机构结构图

插合状态下拉杆机构相接触的金属零件是锁紧圈、滚珠、轴套、芯轴，还有压筒和弹簧与轴套接触。锁紧圈、轴套、压筒和轴套均采用高强度合金钢，进行类金刚石膜层DLC镀覆。

就常规的方法而言，在长期高真空环境中使用的话，锁紧套表面可以镀覆MoS2和WS2膜层防止冷焊,但因为硫化钨膜和硫化钨膜剪切强度都低，更大的作用是在润滑性能方面，对小面积的接触面镀覆MoS2膜、WS2膜层会存在摩擦掉粉的现象。含二硫化钼的PTFE或PI涂层，抗冷焊性能和润滑性也很好，但是属于有机涂层为基础，比较厚，精密零件上使用可能影响装配。而类金刚石膜层DLC更耐磨，同样具备更大高低温范围的润滑、防冷焊性能。DLC膜层是金刚石和石墨的混合结构，具有极高的机械性能外，还具有最高的化学稳定性。所以在精密小产品的耐磨、润滑、防冷焊场合选择DLC膜层而不用二硫化钨和二硫化钼镀层。

3.2 壳体之间防真空冷焊的措施

对于真空环境中壳体间接触面，因壳体本身不是运动部件，虽然接触面冷焊风险低，但还是作必要的防范。壳体一般是铝合金基材，采用真空镀覆MoS2和WS2膜层虽然具备导电的作用，但膜层的耐腐蚀性并不好。事实上，因为头座插合后重叠距离长且间隙很小，脱落连接器一般的电磁屏蔽还是容易满足的，那么壳体喷砂阳极氧化后涂覆PTFE+ MoS2薄膜或PI+ MoS2薄膜是综合地保证耐蚀性、耐磨性、润滑性的最好方式，考虑聚酰亚胺(PI)的高温稳定性高于PTFE，最终采用铝合金壳体喷砂后阳极氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜。

3.3 接触件之间防真空冷焊的措施

采用双曲线簧插孔接触件，因为接触正压力较小(一般5丝线簧接触对的保持力在0.5 N左右，按0.2的摩擦系数，每根丝接触点正压力就是0.5 N)，即使线簧丝和插针都只镀镍打底的耐磨金，发生真空冷焊的程度也较低。

但是为了保证更加可靠，可以参考的解决方案是线簧孔镀镍镀金，而插针表面镀镍2/金1.27/钌0.2，利用钌的高硬度、高熔点及表面几十个原子层厚度的氧化膜，发挥抗真空冷焊的效果。最简单的办法是，插针表面涂超低蒸汽压的电接触保护剂如氟代聚醚脂(PFPE)，在2 3 MPa的视在接触压力下，接触电阻并不会增加。

分子量5000左右的全氟聚醚润滑脂在高温轴承上广泛使用，本身绝缘性好，而在金属表面的薄膜基本上不影响接触电阻，并耐高温，在-55 ℃ +200 ℃左右基本上没有分解挥发，可避免运动部件之外接触面的冷焊。根据文献介绍，全氟聚醚在航天及其他领域广泛应用：主要由于其不燃性，全氟聚醚用于宇航员压力服装的固定件及运动部件，也曾成功地用于航天飞机上天线系统的轴承；此种油也被证实满意地用于在其他空间飞船上支撑太阳能电池的转臂、允许其延伸的轴承的润滑；全氟聚醚也用于空间飞船上装设的电位计的滑线。此油使磨损减至最小，并且不会移动到系统的其他部件上；在核电站中，全氟聚醚用作在暴露于辐射的区域内操作的泵的轴承润滑油，在这种情况下，辐射使常用石油润滑油迅速分解，而全氟，聚醚油能长周期无明显分解地操作。有记录表明, 全氟聚醚在暴露于辐射的区域内操作的泵的轴承润滑900 h运行后，粘度仅变化2%，未形成油泥或胶质。因其优越的氧化安定性及不生成胶质，全氟聚醚油用作不同种类仪表轴承、宝石轴承及枢轴的润滑油。全氟聚醚油的寿命接近无限期。

3.4 壳体和屏蔽环之间防真空冷焊的措施

头座壳体插合界面，有屏蔽环过渡。除了常规意义的电磁屏蔽作用，屏蔽环在机械上起着平衡四周间隙宽度、柔顺插拔的使用效果。

如果外壳镀高磷化学镍，一方面镀层硬度高，在450 HV以上，另一方面高磷镍镀层中含磷量按原子百分比可达22%，高磷镍内部化学键偏离金属键就较多，经过钝化后，其最表面大量的化学成分是磷化镍和磷酸镍膜，与电镀镍的屏蔽环产生冷焊的程度极低，叠加涂覆高真空润滑硅脂或者氟代聚醚脂(PFPE)将能完全避免冷焊发生。当然，采用含PTFE微粒的复合化学镀镍层肯定可以防止真空冷焊。

头座壳体之间的电连续性对本产品并非必须，内部射频接插件本身有电磁屏蔽设计，连接器金属外壳插合也有足够深度，即使金属壳体的表面不导电也不影响分离连接器的电磁屏蔽性能。头座壳体采用PI-MoS2膜防冷焊，屏蔽环作常规的低应力镍镀覆处理。

4 分离连接器真空冷焊试验验证

本文设计了一款真空分离连接器，其中锁紧机构的防真空冷焊措施是采用DLC膜，铝合金头座壳体之间防真空冷焊措施是采用喷砂后阳极氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜，低接触压力的双曲线簧插孔接触对的防真空冷焊措施是在硬金镀层插针表面涂超低蒸汽压的氟代聚醚脂(PFPE)，并进行验证。

4.1 低温真空冷焊试验验证

将插合好的连接器悬挂在真空罐内，先在低温(-55±3)℃、真空度为1.3×10-7Pa的环境条件下保持24小时，在罐内不加负载，从罐中取出试验样品，并恢复到室温后进行规定的分离试验。试验2套产品，分离力在设计的35 100 N之间，未发生冷焊现象。

4.2 高温真空冷焊试验验证

将插合好的连接器悬挂在真空罐内、抽真空至1.3×10-7Pa，温度升至(80±2)℃(真空度按设备上限执行)，并通过1 A负载电流(可将接触件串联)保持96小时后，从罐中取出试验样品，并恢复到室温后进行规定的分离试验。试验2套产品，分离力在设计的35 100 N之间，未发生冷焊现象。

5 结语

真空分离连接器防真空冷焊通过材料和镀覆层来保证。其中，锁紧机构的防真空冷焊措施是采用DLC膜，铝合金头座壳体之间防真空冷焊措施是采用喷砂后阳极氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜，低接触压力的双曲线簧插孔接触对的防真空冷焊措施是在硬金镀层插针表面涂超低蒸汽压的氟代聚醚脂(PFPE)。经过低温真空冷焊试验和高温真空冷焊试验，验证上述措施是充分有效的。