宇航環(huán)境電連接器的失效機理及應用研究分析

1、宇航環(huán)境電連接器的失效機理及應用研究分析宇航環(huán)境電連接器的失效機理及應用研究分析宇航環(huán)境電連接器的失效機理及應用研究分析全如下電連接器是現(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)之間進行電氣連接、信號和能量所必須的基礎元件。在一個電子通信系統(tǒng)中，存在大量的連接部位，任何連接處出現(xiàn)故障，都會影響系統(tǒng)的可靠運行和功能 .據(jù)統(tǒng)計，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)中應用圍廣，數(shù)量大，其可靠性決定了整機系 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，還需要耐受相應的宇航環(huán)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(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。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，還需具有耐輻射、熱真空釋氣等性能 .根據(jù)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(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，但具體細節(jié)還是有所不同。艙內(nèi)宇航級電連接器，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(xiàn)空間站等密封設備內(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(xiàn)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(jù)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。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

4、,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3 8 99 9電連接器的各個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

5、劑用于各個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(jù)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(huán)環(huán)境下的材料放氣,是造成光學系統(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(nèi)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。. 1空間輻射根據(jù)空間輻射對材料影響

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(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)生有機化學鍵的斷裂 .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 ,電連接器會同時受到高能質(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，是受綜合輻射效應的影響 ,是大量隨機出現(xiàn)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1/1000 0 P a,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(nèi)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，會出現(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器件的表面后，可能會導致系統(tǒng)故

8、障；同時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，N A SA及CA S T都對宇航級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構設計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(jù)電連接器在航天器上的安裝位置以及在軌運行時間，確連接器在整個生命周期內(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。因此在設計電連接器時，對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計思路. 同時，空間輻射環(huán)境在不同的地區(qū)有很大區(qū)別，在設計時還需要根據(jù)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，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(fā)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

10、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，由于材料高度結晶 ,低分子產(chǎn)物難以從結晶體內(nèi)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?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(nèi)部的電連接器，應盡量采用標準接口連接器,

11、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(guī)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(nèi)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)境釋氣問題，通過在適當參數(shù)的真空、高溫環(huán)境下對電連接器進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使用時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38 9 9 9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

12、量按照標對宇航級電連接器的有關要求，確定為5 x105Gy (1Gy= 1 00rad),選擇航天器內(nèi)部輻射總量為 2x10 3價.輻射采用鉆60,射線的均勻場。試驗步驟如下：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 2x103 仰，然后對電連接器進行絕緣電阻、耐電壓測試。根據(jù)電連接器的接點排列密度,電連接器的絕緣電阻值應大于5000M S Z，耐電壓應大于1 8 00V。將試驗后的電連接 器分為2 組,繼續(xù)進行后續(xù)試驗。按照輻射劑量率5 0rad/s,對進行完第步試驗的電連 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。按

13、照輻射劑量率1 0 0rad/ s ,對進行完第步試驗的電 連接器進行輻照，直至輻照劑量達到5x 1 05Gy,然后對電連接器進行絕緣電阻、耐電壓測試。電連接器經(jīng)受 2x103 份輻照劑量后,尾部氟硅橡膠材料封線體仍然保持了優(yōu)良的彈性,進行接觸件取卸操作，封線體完好;在經(jīng)受50rad/s,總劑量5x 1 05Gy輻照后，封線體顯變硬，進行接觸件取卸操作時，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，封線體顯變硬，進行接觸件取卸操作時，出現(xiàn)大量掉塊、裂紋現(xiàn)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(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,同時單位時間輻射劑量增加，也加速封線體硬度變化