宇航環(huán)境電連接器的失效機理及應用研究分析論文
電連接器是現代各類(lèi)電子系統中器件與器件、組件與組件、系統與系統之間進(jìn)行電氣連接、信號和能量傳遞所必須的基礎元件。在一個(gè)電子通信系統中，存在大量的連接部位，任何連接處出現故障，都會(huì )影響系統的可靠運行和功能。據統計，目前各系統的失效或故障現象的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)中應用范圍廣，數量大，其可靠性決定了整機系統的可靠性。
衛星及航天器工作的空間環(huán)境非常復雜，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，還需要耐受相應的宇航環(huán)境，滿(mǎn)足航天應用的相關(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，宇航級電連接器除了通用的電氣性能、機械性能和耐環(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。根據在航天器中應用部位的不同，可以將宇航級電連接器大致分為艙內連接器、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，但具體細節還是有所不同。
艙內宇航級電連接器，受到的宇宙輻射劑量最小，主要連接艙內各種設備，如38999宇航級電連接器、微矩型宇航級電連接器等，這些連接器符合相應的系列型譜，通用性強;穿艙連接器，用于實(shí)現空間站等密封設備內外數據及氣液交換，通常需具備密封功能，這些連接器一般接點(diǎn)定義復雜，高低頻混裝，信號電流接觸件集成，有時(shí)還兼有機械防護功能;各類(lèi)艙外電連接器，主要是現代新型宇宙空間站外部預留的一些通用端口，可以通過(guò)機械臂或宇航員根據需要自由加裝或更換的各種功能設備，這些連接器長(cháng)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)對準等功能。
2電連接器的結構、材料和功能
電連接器有多種形式及材料選擇，但其結構主要由殼體、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)境下可能出現的失效。
宇航級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、防護和屏蔽內部零件的作用。
�、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和能量的主體。
除構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)境下的失效機理
宇航環(huán)境對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。根據有關(guān)資料顯示，空間輻射是航天器電子設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航天器都有很大危害。宇航級電連接器相對于航天器，其構成材料及結構相對簡(jiǎn)單，并且主要安裝在航天器內部，受原子氧、微流星和空間碎片等影響較小。下面主要結合電連接器的結構材料組成，分析電連接器在空間輻射和熱真空環(huán)境下的失效機理。
3. 1空間輻射
根據空間輻射對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 )導致電連接器故障。對電連接器整體結構而言，好像穿了一件“防護衣”，保護著(zhù)連接器內部的功能零部件。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)生有機化學(xué)鍵的斷裂。其破壞結果是環(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，也會(huì )在輻射作用下降解，導致絕緣電阻下降，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，是受綜合輻射效應的影響，是大量隨機出現的高能粒子對電連接器累積損傷的結果。
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 )導致有機材料的放氣，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(zhù)高度的增加，真空度逐漸增加。構成連接器的非金屬材料在低壓下受熱時(shí)，當內部存在未反應的添加劑、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 )出現釋氣現象。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部，污染臨近區域的敏感元件或光學(xué)器件的表面后，可能會(huì )導致系統故障;同時(shí)對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都對宇航級元器件高真空下材料的總質(zhì)量損失(TML)規定了不大于1%的要求，而對收集的可凝揮發(fā)物(CVCM)則規定了不大于0. 1%的要求。
4電連接器的材料選擇及結構設計
4. 1電連接器的`材料選擇
宇航級電連接器在設計選材時(shí)，需要根據電連接器在航天器上的安裝位置以及在軌運行時(shí)間，明確連接器在整個(gè)生命周期內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(cháng)的全生命周期內，需要承受的輻射總劑量至少為9 x 106rad，而空間站內部，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。因此在設計電連接器時(shí)，對于處于航天器外部的連接器和內部的連接器必須采取不同的設計思路。同時(shí)，空間輻射環(huán)境在不同的地區有很大區別，在設計時(shí)還需要根據抗輻射總劑量的固有能力與實(shí)際承受輻射總劑量，充分考慮輻射設計裕度，進(jìn)行健壯設計。
在選材方面，處于航天器外部的電連接器，裸露面應不采用硅橡膠、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;應直接采用玻璃、陶瓷等無(wú)機材料或者耐輻射能力好的有機材料，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，當吸收大能量粒子發(fā)生斷鏈時(shí)，由于材料高度結晶，低分子產(chǎn)物難以從結晶體內部逃逸，空洞很難產(chǎn)生，從而材料強度下降較緩慢，因此材料本身應具有相當的耐輻射性。而處于航天器內部的電連接器，根據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電連接器的結構設計
在連接器結構設計方面，處于航天器外部的電連接器，外部殼體結構應采取加固性設計，接觸件的排列間距應盡可能加大，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。航天器內部的電連接器，應盡量采用標準接口連接器，如38999系列宇航級電連接器、宇航級微矩型連接器等。這些連接器系列規格齊全、標準化程度高、密度和重量適宜，在合理選材后，能夠滿(mǎn)足目前航天器內部的連接需要。
此外，針對連接器高分子材料的在熱真空環(huán)境釋氣問(wèn)題，通過(guò)在適當參數的真空、高溫環(huán)境下對電連接器進(jìn)行熱真空烘焙工藝處理，連接器材料內部不穩定物質(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使用時(shí)的真空釋氣控制在允許的范圍內。
5電連接器抗輻射宇航環(huán)境的試驗
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8芯的宇航級38999電連接器進(jìn)行耐輻照和材料的熱真空釋氣試驗，具體試驗過(guò)程如下。
(1)耐輻照試驗。
輻照的最大總劑量按照國軍標對宇航級電連接器的有關(guān)要求，確定為5x105Gy(1Gy=100rad )，選擇航天器內部輻射總量為2 x 103價(jià)。輻射源采用鉆60，射線(xiàn)源的均勻場(chǎng)。試驗步驟如下:
�、侔凑蛰椛鋭┝柯�0. 7rad/s，對電連接器進(jìn)行輻照，直至輻照劑量達到2 x 103仰，然后對電連接器進(jìn)行絕緣電阻、耐電壓測試。根據電連接器的接點(diǎn)排列密度，電連接器的絕緣電阻值應大于5000MSZ，耐電壓應大于1800V。將試驗后的電連接器分為2組，繼續進(jìn)行后續試驗。
�、诎凑蛰椛鋭┝柯�50rad/s，對進(jìn)行完第①步試驗的電連接器進(jìn)行輻照，直至輻照劑量達到5x1Gy，然后對電連接器進(jìn)行絕緣電阻、耐電壓測試。
�、郯凑蛰椛鋭┝柯�100rad/s，對進(jìn)行完第①步試驗的電連接器進(jìn)行輻照，直至輻照劑量達到5 x 105Gy，然后對電連接器進(jìn)行絕緣電阻、耐電壓測試。
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(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5x105Gy輻照后，封線(xiàn)體明顯變硬，進(jìn)行接觸件取卸操作時(shí)，出現輕微掉塊現象;在經(jīng)受100rad/s，總劑量5x105份輻照后，封線(xiàn)體明顯變硬，進(jìn)行接觸件取卸操作時(shí)，出現大量掉塊、裂紋現象。輻照試驗后，電連接器的絕緣電阻值均大于5000MSZ，耐電壓均大于1800V，滿(mǎn)足初始設計要求。但通過(guò)取卸接觸件發(fā)現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。
(2)熱真空釋氣。
熱真空釋氣按照GJB1217-2009方法4001的規定進(jìn)行試驗。經(jīng)過(guò)真空烘焙處理的連接器及構成材料的釋氣試驗。
6結束語(yǔ)
本文分析了宇航環(huán)境中輻射和熱真空對電連接器的影響，以38999宇航級電連接器為代表對電連接器在宇宙輻射和熱真空環(huán)境下的失效機理進(jìn)行了分析，明確了宇航級電連接器結構設計和選材要求。并通過(guò)38999宇航級電連接器在不同輻照環(huán)境下試驗和釋氣試驗，得出了與分析一致的試驗結論。
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