宇航環境電連接器的失效機理及應用研究分析論文

實用文時間：2021-08-31 手機版

　　電連接器是現代各類電子系統中器件與器件、組件與組件、系統與系統之間進行電氣連接、信號和能量傳遞所必須的基礎元件。在一個電子通信系統中，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生的。電連接器在航空、航天等行業中應用范圍廣，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境非常復雜，主要包括熱循環、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境，滿足航天應用的相關要求。研究和提高電連接器耐受宇航環境的能力，對于提高航天飛行器的性能及壽命有重要意義。

　　1輻射宇航環境中的電連接器應用

　　為了保障電連接器在宇航環境的壽命和可靠性，宇航級電連接器除了通用的電氣性能、機械性能和耐環境性能外，在耐受宇航環境時，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。三類連接器所受到的宇宙環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定義復雜，高低頻混裝，信號電流接觸件集成，有時還兼有機械防護功能;各類艙外電連接器，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，同時還兼具連接力小，可自行浮動對準等功能。

　　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境下可能出現的失效。

　　宇航級38999電連接器的各個部分主要材料及功能如下。

　　①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、防護和屏蔽內部零件的作用。

　　②絕緣體:包括硬質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，提高產品絕緣能力作用。

　　③接觸件: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氧粘接劑用于各個零件間的相互固定和粘接。

　　3電連接器在宇航環境下的失效機理

　　宇航環境對航天器有多種影響因素，主要包括熱循環、高真空、空間輻照、原子氧、微流星和空間碎片等。根據有關資料顯示，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;真空熱循環環境下的材料放氣，是造成光學系統性能下降、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，在空間輻射環境中，連接器的金屬外殼和接觸件受到輻射影響較小，不會導致電連接器故障。對電連接器整體結構而言，好像穿了一件“防護衣”，保護著連接器內部的功能零部件。電連接器中采用的環氧膠、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生有機化學鍵的斷裂。其破壞結果是環氧膠變色、材料變脆以及硅橡膠硬化，從而產生表面裂紋、顆粒、褶皺等;電連接器的硬質絕緣材料，若選材不當，也會在輻射作用下降解，導致絕緣電阻下降，致使電連接器產生漏電、耐壓擊穿等故障。

　　在空間輻射環境中，電連接器會同時受到高能質子、電子、宇宙重粒子等不同種類射線或粒子的共同作用，導致壽命縮短，因此電連接器在宇航環境下發生失效，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

　　真空環境是一種很稀薄的氣體環境，高真空度會導致有機材料的放氣，其產物包括水、吸附性氣體、溶劑、低分子量添加劑以及分解產物等。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。構成連接器的非金屬材料在低壓下受熱時，當內部存在未反應的添加劑、易揮發填充或封裝材料、雜質、吸收的氣體或潮氣時，會出現釋氣現象。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器件的表面后，可能會導致系統故障;同時對于有人存在的生存環境，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量損失(TML)規定了不大于1%的要求，而對收集的可凝揮發物(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，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間，明確連接器在整個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，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，空間輻射環境在不同的地區有很大區別，在設計時還需要根據抗輻射總劑量的固有能力與實際承受輻射總劑量，充分考慮輻射設計裕度，進行健壯設計。

　　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、氟硅橡膠類材料，這類材料直接暴露在大劑量宇宙輻射下，會硬化、開裂，進而發生功能失效;應直接采用玻璃、陶瓷等無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秀，當吸收大能量粒子發生斷鏈時，由于材料高度結晶，低分子產物難以從結晶體內部逃逸，空洞很難產生，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境釋氣問題，通過在適當參數的真空、高溫環境下對電連接器進行熱真空烘焙工藝處理，連接器材料內部不穩定物質如吸附性氣體、水氣、雜質等提前揮發，可將電連接器在裝機使用時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境的試驗

　　為了研究電連接器在宇航環境的可靠性，選取了E殼體號8芯的宇航級38999電連接器進行耐輻照和材料的熱真空釋氣試驗，具體試驗過程如下。

　　(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要求，確定為5x105Gy(1Gy=100rad )，選擇航天器內部輻射總量為2 x 103價。輻射源采用鉆60，射線源的均勻場。試驗步驟如下:

　　①按照輻射劑量率0. 7rad/s，對電連接器進行輻照，直至輻照劑量達到2 x 103仰，然后對電連接器進行絕緣電阻、耐電壓測試。根據電連接器的接點排列密度，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，繼續進行后續試驗。

　　②按照輻射劑量率50rad/s，對進行完第①步試驗的電連接器進行輻照，直至輻照劑量達到5x1Gy，然后對電連接器進行絕緣電阻、耐電壓測試。

　　③按照輻射劑量率100rad/s，對進行完第①步試驗的電連接器進行輻照，直至輻照劑量達到5 x 105Gy，然后對電連接器進行絕緣電阻、耐電壓測試。

　　電連接器經受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良的彈性，進行接觸件取卸操作，封線體完好;在經受50rad/s，總劑量5x105Gy輻照后，封線體明顯變硬，進行接觸件取卸操作時，出現輕微掉塊現象;在經受100rad/s，總劑量5x105份輻照后，封線體明顯變硬，進行接觸件取卸操作時，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，滿足初始設計要求。但通過取卸接觸件發現電連接器的尾部氟硅橡膠發生老化破損。

　　封線體的硬度隨總輻射劑量的增加而增大，同時單位時間輻射劑量增加，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的規定進行試驗。經過真空烘焙處理的連接器及構成材料的釋氣試驗。

　　6結束語

　　本文分析了宇航環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境下的失效機理進行了分析，明確了宇航級電連接器結構設計和選材要求。并通過38999宇航級電連接器在不同輻照環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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