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宇航環(huán)境電連接器的失效機(jī)理及應(yīng)用研究分析論文

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宇航環(huán)境電連接器的失效機(jī)理及應(yīng)用研究分析論文

  在武器裝備的各類電子系統(tǒng)中,電連接器在器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間進(jìn)行電氣連接和信號(hào)傳遞 ,是構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)所必須的基礎(chǔ)元件。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的:宇航環(huán)境電連接器的失效機(jī)理及應(yīng)用研究分析相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考,歡迎閱讀!

  宇航環(huán)境電連接器的失效機(jī)理及應(yīng)用研究分析全文如下:

  電連接器是現(xiàn)代各類電子系統(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)和能量傳遞所必須的基礎(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70%是由元器件的失效引起的,其中又有70%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)用范圍廣,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、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。

  1 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。

  2 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,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)38999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)38999電連接器的各個(gè)部分主要材料及功能如下。

 ?、贇んw: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。

 ?、诮^緣體:包括硬質(zhì)絕緣體和彈性密封體,材料分別為聚苯硫醚( 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。

 ?、劢佑|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)氧粘接劑用于各個(gè)零件間的相互固定和粘接。

  3 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。

  3. 1空間輻射

  根據(jù)空間輻射對(duì)材料影響的基本原理,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C-H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射線或粒子的共同作用,導(dǎo)致壽命縮短,因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<1/10000Pa,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,NASA及CAST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。

  4 電連接器的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  4. 1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,明確連接器在整個(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100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),需要承受的輻射總劑量至少為9 x 106rad,而空間站內(nèi)部,在1 mm等效鋁厚度屏蔽下的輻射總劑量為1. 2 x 104rad。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,裸露面應(yīng)不采用硅橡膠、氟硅橡膠類材料,這類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)哪洼椛湫浴6幱诤教炱鲀?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,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范圍內(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)38999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)。

  輻照的最大總劑量按照國(guó)軍標(biāo)對(duì)宇航級(jí)電連接器的有關(guān)要求,確定為5x105Gy(1Gy=100rad ),選擇航天器內(nèi)部輻射總量為2 x 103價(jià)。輻射源采用鉆60,射線源的均勻場(chǎng)。試驗(yàn)步驟如下:

 ?、侔凑蛰椛鋭┝柯?. 7rad/s,對(duì)電連接器進(jìn)行輻照,直至輻照劑量達(dá)到2 x 103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5000MSZ,耐電壓應(yīng)大于1800V。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)。

 ?、诎凑蛰椛鋭┝柯?0rad/s,對(duì)進(jìn)行完第①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。

 ?、郯凑蛰椛鋭┝柯?00rad/s,對(duì)進(jìn)行完第①步試驗(yàn)的電連接器進(jìn)行輻照,直至輻照劑量達(dá)到5 x 105Gy,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2 x 103份輻照劑量后,尾部氟硅橡膠材料封線體仍然保持了優(yōu)良的彈性,進(jìn)行接觸件取卸操作,封線體完好;在經(jīng)受50rad/s,總劑量5x105Gy輻照后,封線體明顯變硬,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100rad/s,總劑量5x105份輻照后,封線體明顯變硬,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,也加速封線體硬度變化。

  (2)熱真空釋氣。

  熱真空釋氣按照GJB1217-2009方法4001的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)真空烘焙處理的連接器及構(gòu)成材料的釋氣試驗(yàn)。

  6 結(jié)束語(yǔ)

  本文分析了宇航環(huán)境中輻射和熱真空對(duì)電連接器的影響,以38999宇航級(jí)電連接器為代表對(duì)電連接器在宇宙輻射和熱真空環(huán)境下的失效機(jī)理進(jìn)行了分析,明確了宇航級(jí)電連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材要求。并通過(guò)38999宇航級(jí)電連接器在不同輻照環(huán)境下試驗(yàn)和釋氣試驗(yàn),得出了與分析一致的試驗(yàn)結(jié)論。

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