宇航環(huán)境電連接器的失效機(jī)理及應(yīng)用研究分析

1、宇航環(huán)境電連接器的失效機(jī)理及應(yīng)用研究分析宇航環(huán)境電連接器的失效機(jī)理及應(yīng)用研究分析宇航環(huán)境電連接器的失效機(jī)理及應(yīng)用研究分析全如下電連接器是現(xiàn)代各類(lèi)電子系統(tǒng)中器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間進(jìn)行電氣連接、信號(hào)和能量所必須的基礎(chǔ)元件。在一個(gè)電子通信系統(tǒng)中，存在大量的連接部位，任何連接處出現(xiàn)故障，都會(huì)影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和功能 .據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前各系統(tǒng)的失效或故障現(xiàn)象的% 0%是由元器件的失效引起的，具中又有7 0 %是由電連接器的失效而產(chǎn)生的。電連接器在航 空、航天等行業(yè)中應(yīng)用圍廣，數(shù)量大，其可靠性決定了整機(jī)系 統(tǒng)的可靠性。衛(wèi)星及航天器工作的空間環(huán)境非常復(fù)雜,主要包括熱循環(huán)、高真空、空間輻照、原子氧

2、、微流星和空間碎片等，宇航用電連接器除需要保證連接可靠外，還需要耐受相應(yīng)的宇航環(huán)境，滿(mǎn)足航天應(yīng)用的相關(guān)要求。研究和提高電連接器耐受宇航環(huán)境的能力，對(duì)于提高航天飛行器的性能及壽命有重要意義。輻射宇航環(huán)境中的電連接器應(yīng)用為了保障電連接器在宇航環(huán)境的壽命和可靠性,宇航級(jí)電連接器除了通用的電氣性能、機(jī)械性能和耐環(huán)境性能外 ,在耐受宇航環(huán)境時(shí)，還需具有耐輻射、熱真空釋氣等性能 .根據(jù)在航天器中應(yīng)用部位的不同，可以將宇航級(jí)電連接器大致分為艙內(nèi)連接器、穿艙連接器和艙外連接器。三類(lèi)連接器所受到的宇宙環(huán)境影響存在一定差異，雖然性能要求和選材總體方向基本一致，但具體細(xì)節(jié)還是有所不同。艙內(nèi)宇航級(jí)電連接器，受到的宇宙

3、輻射劑量最小，主要連接艙內(nèi)各種設(shè)備，如 38999 宇航級(jí)電連接器、微矩型宇航級(jí)電連接器等，這些連接器符合相應(yīng)的系列型譜，通用性強(qiáng)；穿艙連接器 ,用于實(shí)現(xiàn)空間站等密封設(shè)備內(nèi)外數(shù)據(jù)及氣液交換，通常需具備密封功能，這些連接器一般接點(diǎn)定義復(fù)雜，高低頻混裝，信號(hào)電流接觸件集成 ,有時(shí)還兼有機(jī)械防護(hù)功能 ;各類(lèi)艙外電連接器，主要是現(xiàn)代新型宇宙空間站外部預(yù)留的一些通用端口可以通過(guò)機(jī)械臂或宇航員根據(jù)需要自由加裝或更換的各種功能設(shè)備，這些連接器長(zhǎng)期暴露在宇航空間中，受到的宇宙輻射最為劇烈 ,抗輻射能力要求高，同時(shí)還兼具連接力小 ,可自行浮動(dòng)對(duì) 準(zhǔn)等功能。電連接器的結(jié)構(gòu)、材料和功能電連接器有多種形式及材料選擇

4、,但其結(jié)構(gòu)主要由殼體、絕緣體、接觸件三大基本單元組成.下面以宇航級(jí)38 9 99圓形電連接器為例，分析連接器在宇航環(huán)境下可能出現(xiàn)的失效。宇航級(jí)3 8 99 9電連接器的各個(gè)部分主要材料及功能如下.殼體:材料為鋁合金或不銹鋼，主要起插頭插座的相互連接、連接電纜、防護(hù)和屏蔽內(nèi)部零件的作用。絕緣體：包括硬質(zhì)絕緣體和彈性密封體，材料分別為聚 苯硫醴（PPS）和氟硅橡膠。其中，硬質(zhì)絕緣體主要起到接觸體 的支撐、電氣隔離作用 ;彈性密封體主要起到隔離外界潮氣、粉 塵 ,提高產(chǎn)品絕緣能力作用。接觸件：材料一般為銅合金，是電連接器傳輸信號(hào)和能 量的主體。除構(gòu)成上述的基本單元外,連接器中還采用了硅橡膠和環(huán)氧粘接

5、劑用于各個(gè)零件間的相互固定和粘接。電連接器在宇航環(huán)境下的失效機(jī)理宇航環(huán)境對(duì)航天器有多種影響因素，主要包括熱循環(huán)、高真空、空間輻照、原子氧、微流星和空間碎片等。根據(jù)有關(guān)資料顯示，空間輻射是航天器電子設(shè)備工作異常和器件失效的主要原因 ;真空熱循環(huán)環(huán)境下的材料放氣,是造成光學(xué)系統(tǒng)性能下降、電路失靈和放氣污染的重要因素。原子氧、微流星和空間碎片對(duì)航天器都有很大危害。宇航級(jí)電連接器相對(duì)于航天器，其構(gòu)成材料及結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且主要安裝在航天器內(nèi)部，受原子氧、微流星和空間碎片等影響較小 .下面主要結(jié)合電連接器的結(jié)構(gòu)材料組成，分析電連接器在空間輻射和熱真空環(huán)境下的失效機(jī)理。. 1空間輻射根據(jù)空間輻射對(duì)材料影響

6、的基本原理,在空間輻射環(huán)境中,連接器的金屬外殼和接觸件受到輻射影響較小，不會(huì)導(dǎo)致電連接器故障 .對(duì)電連接器整體結(jié)構(gòu)而言 ,好像穿了一件防護(hù)衣，保護(hù)著連接器內(nèi)部的功能零部件.電連接器中采用的環(huán)氧膠、硅橡膠等材料,由于分子式中含大量的CH 鍵,受太空輻射中紫外光子的照射即可發(fā)生有機(jī)化學(xué)鍵的斷裂 .其破壞結(jié)果是環(huán)氧膠變色、材料變脆以及硅橡膠硬化，從而產(chǎn)生表面裂紋、顆粒、褶皺等；電連接器的硬質(zhì)絕緣材料,若選材不當(dāng),也會(huì)在輻射作用下降解,導(dǎo)致絕緣電阻下降，致使電連接器產(chǎn)生漏電、耐壓擊穿等故障。在空間輻射環(huán)境中 ,電連接器會(huì)同時(shí)受到高能質(zhì)子、電子、宇宙重粒子等不同種類(lèi)射線(xiàn)或粒子的共同作用，導(dǎo)致壽命縮短，因

7、此電連接器在宇航環(huán)境下發(fā)生失效，是受綜合輻射效應(yīng)的影響 ,是大量隨機(jī)出現(xiàn)的高能粒子對(duì)電連接器累積損傷的結(jié)果。3。2高真空熱循環(huán)真空環(huán)境是一種很稀薄的氣體環(huán)境,高真空度會(huì)導(dǎo)致有機(jī)材料的放氣，其產(chǎn)物包括水、吸附性氣體、溶劑、低分子量添加劑以及分解產(chǎn)物等。在距地面150 km以上的高度，大氣壓1/1000 0 P a,且隨著高度的增加，真空度逐漸增加.構(gòu)成連接器 的非金屬材料在低壓下受熱時(shí)，當(dāng)內(nèi)部存在未反應(yīng)的添加劑、易揮發(fā)填充或封裝材料、雜質(zhì)、吸收的氣體或潮氣時(shí)，會(huì)出現(xiàn)釋氣現(xiàn)象。釋氣使聚合材料收縮,改變其性能;釋放出的氣體重新凝聚在組件內(nèi)部，污染臨近區(qū)域的敏感元件或光學(xué)器件的表面后，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故

8、障；同時(shí)對(duì)于有人存在的生存環(huán)境,釋出的有害氣體還可能影響人的生命安全。為了限制航天器材料的有害氣體排放，N A SA及CA S T都對(duì)宇航級(jí)元器件高真空下材料的總質(zhì)量損失（ TML ）規(guī)定了不大于 1 的要求,而對(duì)收集的可凝揮發(fā)物（CVCM）則規(guī)定了不大于0 .1%的要求。電連接器的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電連接器的材料選擇宇航級(jí)電連接器在設(shè)計(jì)選材時(shí)，需要根據(jù)電連接器在航天器上的安裝位置以及在軌運(yùn)行時(shí)間，確連接器在整個(gè)生命周期內(nèi)所承受的輻射總劑量,然后選擇適合的材料。處于航天器外部的電連接器受到的輻射劑量是航天器內(nèi)部的10 0倍以上，以空間站為例，空間站表面材料在10年甚至更長(zhǎng)的全生命周期內(nèi)，需要承

9、受的輻射總劑量至少為9x10 6 r ad,而空間站內(nèi)部，在1mm等效鋁厚度屏蔽下的輻射總劑量為1.2x10 4 r a d.在空間站外部，連接器還容易受到高能粒子和宇宙塵埃的直接沖擊。因此在設(shè)計(jì)電連接器時(shí)，對(duì)于處于航天器外部的連接器和內(nèi)部的連接器必須采取不同的設(shè)計(jì)思路. 同時(shí)，空間輻射環(huán)境在不同的地區(qū)有很大區(qū)別，在設(shè)計(jì)時(shí)還需要根據(jù)抗輻射總劑量的固有能力與實(shí)際承受輻射總劑量，充分考慮輻射設(shè)計(jì)裕度,進(jìn)行健壯設(shè)計(jì)。在選材方面，處于航天器外部的電連接器，露面應(yīng)不采用硅橡膠、氟硅橡膠類(lèi)材料,這類(lèi)材料直接暴露在大劑量宇宙輻射下，會(huì)硬化、開(kāi)裂，進(jìn)而發(fā)生功能失效；應(yīng)直接采用玻璃、陶瓷等無(wú)機(jī)材料或者耐輻射能力

10、好的有機(jī)材料,如聚苯硫醚作為絕緣材料。聚苯硫醚由于分子鍵熊極高，耐受太空輻射能力極為優(yōu)秀，當(dāng)吸收大能量粒子發(fā)生斷鏈時(shí)，由于材料高度結(jié)晶 ,低分子產(chǎn)物難以從結(jié)晶體內(nèi)部逃逸，空洞很難產(chǎn)生,從而材料強(qiáng)度下降較緩慢，因此材料本身應(yīng)具有相當(dāng)?shù)哪洼椛湫?.而處于航天器內(nèi)部的電連接器，根據(jù)所處位置的輻射劑量,可以采用硅橡膠、氟硅橡膠類(lèi)材料,提高電連接器的耐潮濕以及防塵能力。4。 2 電連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，處于航天器外部的電連接器，外部殼體結(jié)構(gòu)應(yīng)采取加固性設(shè)計(jì),接觸件的排列間距應(yīng)盡可能加大，這樣可以減小絕緣材料受宇宙輻射后表面電阻降低的影響。航天器內(nèi)部的電連接器，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)接口連接器,

11、如38999 系列宇航級(jí)電連接器、宇航級(jí)微矩型連接器等.這些連接器系列規(guī)格齊全、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、密度和重量適宜，在合理選材后 ,能夠滿(mǎn)足目前航天器內(nèi)部的連接需要。此外,針對(duì)連接器高分子材料的在熱真空環(huán)境釋氣問(wèn)題，通過(guò)在適當(dāng)參數(shù)的真空、高溫環(huán)境下對(duì)電連接器進(jìn)行熱真空烘焙工藝處理，連接器材料內(nèi)部不穩(wěn)定物質(zhì)如吸附性氣體、水氣、雜質(zhì)等提前揮發(fā) ,可將電連接器在裝機(jī)使用時(shí)的真空釋氣控制在允許的圍內(nèi)。5 電連接器抗輻射宇航環(huán)境的試驗(yàn)為了研究電連接器在宇航環(huán)境的可靠性，選取了 E 殼體號(hào)8芯的宇航級(jí)38 9 9 9電連接器進(jìn)行耐輻照和材料的熱真空釋氣 試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過(guò)程如下。( 1)耐輻照試驗(yàn)。輻照的最大總劑

12、量按照標(biāo)對(duì)宇航級(jí)電連接器的有關(guān)要求，確定為5 x105Gy (1Gy= 1 00rad),選擇航天器內(nèi)部輻射總量為 2x10 3價(jià).輻射采用鉆60,射線(xiàn)的均勻場(chǎng)。試驗(yàn)步驟如下：按照輻射劑量率0. 7rad/s,對(duì)電連接器進(jìn)行輻照，直至輻照劑量達(dá)到 2x103 仰，然后對(duì)電連接器進(jìn)行絕緣電阻、耐電壓測(cè)試。根據(jù)電連接器的接點(diǎn)排列密度,電連接器的絕緣電阻值應(yīng)大于5000M S Z，耐電壓應(yīng)大于1 8 00V。將試驗(yàn)后的電連接 器分為2 組,繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。按照輻射劑量率5 0rad/s,對(duì)進(jìn)行完第步試驗(yàn)的電連 接器進(jìn)行輻照，直至輻照劑量達(dá)到 5x1Gy,然后對(duì)電連接器進(jìn) 行絕緣電阻、耐電壓測(cè)試。按

13、照輻射劑量率1 0 0rad/ s ,對(duì)進(jìn)行完第步試驗(yàn)的電 連接器進(jìn)行輻照，直至輻照劑量達(dá)到5x 1 05Gy,然后對(duì)電連接器進(jìn)行絕緣電阻、耐電壓測(cè)試。電連接器經(jīng)受 2x103 份輻照劑量后,尾部氟硅橡膠材料封線(xiàn)體仍然保持了優(yōu)良的彈性,進(jìn)行接觸件取卸操作，封線(xiàn)體完好;在經(jīng)受50rad/s,總劑量5x 1 05Gy輻照后，封線(xiàn)體顯變硬，進(jìn)行接觸件取卸操作時(shí)，出現(xiàn)輕微掉塊現(xiàn)象；在經(jīng)受 1 0 0rad/s,總 劑量5x10 5份輻照后，封線(xiàn)體顯變硬，進(jìn)行接觸件取卸操作時(shí)，出現(xiàn)大量掉塊、裂紋現(xiàn)象。輻照試驗(yàn)后，電連接器的絕緣電阻值均大于5000MSZ,耐電壓均大于1800V,滿(mǎn)足初始設(shè)計(jì) 要求。但通過(guò)取卸接觸件發(fā)現(xiàn)電連接器的尾部氟硅橡膠發(fā)生老化破損。封線(xiàn)體的硬度隨總輻射劑量的增加而增大,同時(shí)單位時(shí)間輻射劑量增加，也加速封線(xiàn)體硬度變化