海洋环境下航空电连接器腐蚀防护与控制技术

王琳，郁大照，孙涛，王希彬

（海军航空大学航空基础学院,烟台 264001）

引言

航空电连接器用于实现飞机部附件和系统之间电信号和相关控制信号的传输的基本元件，其工作可靠性对飞机操作以及飞行安全产生巨大影响。而腐蚀是导致航空电气系统及设备失效的主要因素之一，海洋环境下由于受湿度、盐雾、温度、酸性气体和霉菌的影响，导致引起的大量腐蚀故障，其中电子元器件失效总数的约（40~50）%失效是由电连接器失效引发的[1-5]。电连接器中的任何接点失效，可能导致电传输中断或信号失真，进一步造成整个系统的瘫痪、失效，严重影响飞行安全。因此，开展飞机电连接器腐蚀防护与控制技术研究，可以有效防止飞机电连接器的腐蚀现象，为飞机相关电子部附件在海洋环境下进行腐蚀防护控制工作提供了依据。同时对于减轻海洋环境下腐蚀对飞机电连接器的危害，增加可靠性，减少故障率，保障海洋环境下飞机飞行安全具有十分重要的意义。

1 海洋环境下航空电连接器腐蚀分析

1.1 海洋环境下腐蚀特点分析

航空电连接器在海洋环境下的长期处于高温、高湿、高盐雾和强辐照作用下，其属材料在海洋大气中的腐蚀速率明显高于内陆、高原等其他大气环境，腐蚀速率是内陆大气腐蚀的 2~5 倍之多。在温度、湿度、盐雾、辐照、霉菌等自然环境应力以及振动、电磁、磨损、冲击等多应力耦合综合作用下，导致飞机电连接器会经常出现金属疲劳腐蚀、间隙腐蚀、晶间腐蚀、小孔侵蚀、点蚀等环境腐蚀行为。除了飞机起落架舱、发动机舱等敞开部位的电连接器易发生腐蚀外，海洋环境也会加速湿气向飞机内部，特别是机舱内螺纹结构的设备内部侵蚀，所处环境达到在航空电连接器形成液膜的条件，进而使电连接壳体发生腐蚀损伤。有数据显示，机载电子设备发生故障52 %与环境因素有关，而多数设备在海洋环境使用故障率远远大于内地，这对海洋环境下航空电连接器腐蚀防护和控制提出更高的要求。电连接器在飞机的基础电子元器件，数量多且大部分安转裸露在外，在日照、雨水、潮气、盐雾等环境因素的长时间作用下，腐蚀行为已成为电连接器主要的失效机理之一。图1 为某型飞机起落架舱电连接器腐蚀图片，由于防护措施不当，看出已经出现镀层脱落现象，插孔已出现严重腐蚀。

图1 起落架舱电连接器腐蚀照片

1.2 海洋环境下航空电连接器腐蚀失效机理分析

根据海洋环境下电连接器各部分结构和材料的腐蚀特点，主要对容易发生腐蚀的电连接器接触件以及附加部件进行失效机理分析。

1）接触件表面氧化：目前接触件受成本和工艺水平等因素的限制，往往镀层比较薄，不可避免的镀层中会存在少许裂纹和微孔，正如毛细管的功用，大气里的湿气会通过此浸入裂纹和微孔构成水膜，形成电解液，构成了原电池，生成不导电的薄膜，导致接触电阻增大。同时高温和高湿度的作用会增强其氧化的影响，甚至在严重时有可能出现接触件镀层产生裂纹和剥离，进而影响航空连接器的电气性能，增加飞行安全风险。

2）接触件裂纹：在温度、湿度、腐蚀性气体等的作用下，由于腐蚀和多应力的耦合作用，在电连接器插针和插孔内部、接触件表面、孔位、收口处等存在较大局部应力的部位有可能产生裂纹。如果裂纹的继续扩展会导致接触对断裂，电连接器接触失效。

3）壳体：在温度、湿度、盐雾、腐蚀性气体等应力的作用下，连接器壳体可能发生金属疲劳腐蚀、间隙腐蚀、晶间腐蚀、小孔侵蚀、点蚀等腐蚀行为。腐蚀后会在壳体上形成缝隙、孔洞或者裂纹，对设备电磁屏蔽性能造成影响，甚至可能导致电磁屏蔽失效；大气环境下的气体、液体和粉尘等可能进入到连接器，使得接触件内部环境恶化，加速接触电阻、绝缘电阻和密封性能的退化；腐蚀严重时有可能导致壳体开裂解体进而失效。

4）镀层：在盐雾、温度、湿度等环境应力的作用下，镍层与基体的结合力有可能下降，会造成镀层失去光泽、剥落，造成电连接器电磁屏蔽性能下降。加速壳体的腐蚀。

2 腐蚀防护与控制设计要求研究

海洋环境下航空电连接器长期处于高温、高湿度及高盐份的环境下，使得金属腐蚀速率大大加快，更容易发生腐蚀、老化问题，直接影响了电连接器的接触电阻、耐电压和绝缘电阻等电参量的改变，从而引起腐蚀故障，电子设备使用寿命将缩短，装备可靠性受到严重影响。因此必须从电连接器的材料选择、镀层选用、以及设计和结构要求等方面做好相应的腐蚀防护设计要求，使电连接器具有优异的防腐蚀和安全可靠性，从而将腐蚀所导致的损伤减少至最低限度。

2.1 材料选择

选择合适的耐蚀性材料是海洋环境下航空电连接器腐蚀防护与控制的一项重要的工作。海洋环境下电连接器，长期处于高温、高湿度及高盐份、高辐照，使用环境非常的严酷，对电连接器选材的耐蚀性提出了更高的要求。除了满足必要的静强度和刚度、结构功能性和制造工艺的前提下，应优先的考虑材料耐腐蚀性能。根据飞机电连接器使用环境及特点，查阅国内外材料标准、手册和相关资料，归纳、总结材料限用要求和选材建议[6-9]。

2.1.1 非金属材料选择应满足如下要求：

1）连接器绝缘安装板材料采用能满足海洋环境要求的增强环氧树脂或其它合适硬质绝缘材料，且绝缘安装板应有合适的电气性能和机械性能且应有一定的冲击强度。

2）模制塑料本体材料应符合优先采用环保材料。

3）绝缘材料的阻燃等级应达到或优于UL94V-0等级。

4）回收、再生和环保材料宜采用能满足或优于工作和维修要求的可回收、再生和环保材料，以提高经济效益、降低寿命周期内的费用。

2.1.2 金属材料选择应满足如下要求：

1）插孔接触件及接触件接线端应采用铜镍锡合金、铍铜合金或磷青铜等，接触件接线端可采用黄铜合金，或符合产品要求的其他材料。插针接触件及其接线端应采用铜镍锡合金、黄铜、磷青铜或铍铜合金等。

2）连接器壳体应采用钛合金、铝合金、铜合金、复合材料或不锈钢。不锈钢应优先选用022Cr17Ni14Mo2 等耐腐蚀较好的材料。

2.1.3 限用材料选择应满足如下要求：

1）电连接器所用的限用材料应选用不易燃、不易爆且无毒材料。

2）电连接器所用的限用材料应选用具有耐腐蚀的材料。

3）不宜将不相容金属相互紧密接触。电连接器内部不相容金属如果相互直接接触时，必须使用相应的保护措施。不相容金属可能会导致活性电解腐蚀，禁止直接接触使用（特别是黄铜、钢或铜与铝或铝合金直接接触）。在不相容金属基体表面进行涂覆从而形成合适的或相容的邻接表面。同样选用合适的绝缘材料将不相容金属之间隔开使用也是可以的。

2.2 镀层选用

对电连接器镀层结构表面采取相应的保护措施，可以避免电连接器电位差较大的材料直接接触，减小不同结构材料之间的电位差，还可以使电解液无法直接接触金属材料，避免发生活性电解腐蚀，从而达到电连接器腐蚀防护与控制的目的[10-13]。镀层选择应满足如下要求：

1）接触件镀层：接触件应在合适的镍底镀层上镀金。接触部位的金镀层厚度应至少为1.27 µm。镍底镀层的厚度应为（0.8 ～4）µm。

2）壳体镀层：不锈钢应采用钝化表面处理，且表面层导电；铜合金选用镀镍等能满足耐海洋环境的镀层；复合材料应选用镀镉军绿色和镀镍等能满足耐海洋环境的镀层；铝合金应选用镀镉军绿色、镀镉彩虹色钝化、硬质阳极化和镀锌镍等能满足耐海洋环境的镀层。

2.3 设计和结构要求

在结构设计中应尽量防止或减小腐蚀现象的发生，良好的结构设计可以防止水及其他介质进入机体内部，延缓腐蚀的发生。设计和结构应满足如下要求：

1）接触件端接形式应按规定为焊接式、压接可拆卸式或印制板式。对于敞开外露环境建议选用压接可拆卸式，印制板式建议用在内部封闭类环境。

2）对于敞开外露类环境，连接器插合界面应设计密封结构，保证连接器的插合界面是密封的。

3）对于敞开外露类环境，连接器应设计导线密封结构，同时应保证能保证密封和耐环境要求。

4）对于有导线密封结构的连接器，当没有满装时，空余孔位需要将未压接接触件装入连接器，并用密封塞密封。

5）对于飞机上的连接器，当由于检修或者修理等原因，插头与插座长时间分离时，需使用插头或插座密封盖密封，防止插合界面接触件腐蚀。

3 外场腐蚀维护对策研究

海洋环境下航空电连接器长期处于非常严酷的使用环境下，由于电子设备不规则部位较多，存在凹槽、缝隙等易积水部位，尤其是当湿气进入密封内部，极易形成长久的电解质溶液，导致金属发生腐蚀。目前对飞机电连接器的外场腐蚀防护仍结构材料防护为主，采用的涉电部附件缓蚀剂也只是针对电连接器外部壳体材料的防护，对于内部接触件的防护没有考虑。电连接外场维护方法除了采用缠绕保护带等方式外，并没有其他科学合理的防护方法。密集的缠绕保长期的湿气集聚会造成后期产品故障频出。因此飞机电连接器必须在日常外场工作中对其进行腐蚀维护保养。

3.1 维护检查程序

选择合适的耐蚀性材料是海洋环境下飞机电连接器腐蚀防护控制的一项重要工作。检查前应将飞机电源先断开，飞机可靠得接地；检查重点区域是飞机的敞开暴露区和半封闭区。首先应使用清洁抹布蘸清洁剂将拟检查的电连接器外表面的灰尘、油迹或污染物擦拭去除。然后使用相关的工具目视检查电连接器外表面。如果电连接器外部有少许锈蚀、发黑的现象，且无法判定电连接器是否可继续使用时，应该对电连接器进行拆解，用放大镜检查内部腐蚀情况。若电连接器外表面已发生严重腐蚀或出现裂纹、掉块（粉）的情况，直接更换新电连接器。如果连接器内部有腐蚀，维护人员判断腐蚀的类型和损伤程度。如果腐蚀严重，可能会影响电连接器的电气性能，应更换插针、插孔或电连接器，轻微的腐蚀按照相关要求进行腐蚀处理与防护。

3.2 维护检查标准

飞机电连机器维护应检查以下项目：检查连接器的外壳体是否存在污垢、锈蚀或镀层脱落现象；内部检查是否存在腐蚀、化学侵蚀、磨损、裂缝、内部结晶；插针、插孔的外观是否存在露铜、锈蚀、发黑、镀层脱落等缺陷。接触件插孔口处有无金属粉末；同时检查电缆的防护套无老化、破损，绝缘层良好；电连接器的连接螺纹及定位键/槽应无明显腐蚀、磨损；绝缘体应无龟裂、明显剥落、气泡等缺陷。

3.3 清洗和处理

外场腐蚀维护应对飞机电连机器进行清洗和处理，应检遵循以下原则：

1）维护人员采用粘性纱布和专用毛刷蘸清洗剂对电连接器外表面污染处进行清洗，直至清洗干净；目视检查清洗处没有油渍和污垢后，再利用干净的白洁布擦拭，如果没有黑色，则清洗合格，进行下一道工序。

2）采用细砂纸或者打磨笔对外表面的腐蚀产物进行清除。维护人员利用10 倍放大镜目视检查，确认腐蚀产物是否彻底清除。确认清除后用干抹布擦拭干净清除产生的粉尘，再用抹布蘸取清洗剂对其擦拭，进行自然风干。如果表面采取了涂清漆防护，注意要避免清漆沿着搭铁线的搭接间隙流入，从而影响电搭接的效果。

3）如果电连接器内部的有金属粉末，应用小刷子和无水乙醇对进行清洗。插针、插孔得孔口部位如果有发黑现象，用毛刷或棉签蘸清洗剂对发黑处进行打磨处理，打磨后使用无水乙醇清洗露出光洁面；如有露铜、锈蚀、积炭等现象，则更换插孔、插针。

3.4 清理后防护处理

再检查受污染区域是否有残留物或水。如果有残留物或水，应再一次进行清理操作。电连接器清理干净后使用专用的缓蚀剂按照规定对维护的部位进行喷涂防护。然后自然风干，按规定进行密封包扎。

4 结束语

针对海洋环境下飞机电连接器日益严峻的腐蚀现状，应高度重视腐蚀防护与控制方法研究。在飞机电连接器防腐设计和控制设计过程中，为减少腐蚀故障和降低腐蚀维修成本，工作环境应遵循“环境分类，结构分区”原则，选用综合性能优良的耐蚀材料及合适的材料镀层，采用良好的设计和结构要求，确定合理的海环境适应性，进而达到分析并改进腐蚀防护设计的目的，为飞机电连接器在海洋环境下进行腐蚀防护控制工作提供了依据，同时为海洋环境下航空电连接器的腐蚀防护研究提供了借鉴与参考。