航空连接器的选材、设计与失效分析

2020年11月26日 评论 314 4121字

电连接器是现代各类电子系统中器件与器件、组件与组件、系统与系统之间进行电气连接、信号和能量传递所必须的基础元件。在一个电子通信系统中,存在大量的连接部位,任何连接处出现故障,都会影响系统的可靠运行和功能。据统计,目前各系统的失效或故障现象的70%是由元器件的失效引起的,其中又有70%是由电连接器的失效而产生的。电连接器在航空、航天等行业中应用范围广,数量大,其可靠性决定了整机系统的可靠性。

卫星及航天器工作的空间环境非常复杂,主要包括热循环、高真空、空间辐照、原子氧、微流星和空间碎片等,宇航用电连接器除需要保证连接可靠外,还需要耐受相应的宇航环境,满足航天应用的相关要求。研究和提高电连接器耐受宇航环境的能力,对于提高航天飞行器的性能及寿命有重要意义。

航空连接器的选材、设计与失效分析

1辐射宇航环境中的电连接器应用

为了保障电连接器在宇航环境的寿命和可靠性,宇航级电连接器除了通用的电气性能、机械性能和耐环境性能外,在耐受宇航环境时,还需具有耐辐射、热真空释气等性能。根据在航天器中应用部位的不同,可以将宇航级电连接器大致分为舱内连接器、穿舱连接器和舱外连接器。三类连接器所受到的宇宙环境影响存在一定差异,虽然性能要求和选材总体方向基本一致,但具体细节还是有所不同。

舱内宇航级电连接器:受到的宇宙辐射剂量最小,主要连接舱内各种设备,如38999宇航级电连接器、微矩型宇航级电连接器等,这些连接器符合相应的系列型谱,通用性强;

穿舱连接器: 用于实现空间站等密封设备内外数据及气液交换,通常需具备密封功能,这些连接器一般接点定义复杂,高低频混装,信号电流接触件集成,有时还兼有机械防护功能;

舱外电连接器:主要是现代新型宇宙空间站外部预留的一些通用端口,可以通过机械臂或宇航员根据需要自由加装或更换的各种功能设备,这些连接器长期暴露在宇航空间中,受到的宇宙辐射最为剧烈,抗辐射能力要求高,同时还兼具连接力小,可自行浮动对准等功能。

2电连接器的结构、材料和功能

电连接器有多种形式及材料选择,但其结构主要由壳体、绝缘体、接触件三大基本单元组成。下面以宇航级38999圆形电连接器为例,分析连接器在宇航环境下可能出现的失效。

宇航级38999电连接器的各个部分主要材料及功能如下。

①壳体:材料为铝合金或不锈钢,主要起插头插座的相互连接、连接电缆、防护和屏蔽内部零件的作用。

②绝缘体:包括硬质绝缘体和弹性密封体,材料分别为聚苯硫醚( PPS)和氟硅橡胶。其中,硬质绝缘体主要起到接触体的支撑、电气隔离作用;弹性密封体主要起到隔离外界潮气、粉尘,提高产品绝缘能力作用。

③接触件:材料一般为铜合金,是电连接器传输信号和能量的主体。

除构成上述的基本单元外,连接器中还采用了硅橡胶和环氧粘接剂用于各个零件间的相互固定和粘接。

3电连接器在宇航环境下的失效机理

宇航环境对航天器有多种影响因素,主要包括热循环、高真空、空间辐照、原子氧、微流星和空间碎片等。

根据有关资料显示,空间辐射是航天器电子设备工作异常和器件失效的主要原因;

真空热循环环境下的材料放气,是造成光学系统性能下降、电路失灵和放气污染的重要因素。

原子氧、微流星和空间碎片对航天器都有很大危害。宇航级电连接器相对于航天器,其构成材料及结构相对简单,并且主要安装在航天器内部,受原子氧、微流星和空间碎片等影响较小。下面主要结合电连接器的结构材料组成,分析电连接器在空间辐射和热真空环境下的失效机理。

3.1空间辐射

根据空间辐射对材料影响的基本原理,在空间辐射环境中,连接器的金属外壳和接触件受到辐射影响较小,不会导致电连接器故障。对电连接器整体结构而言,好像穿了一件“防护衣”,保护着连接器内部的功能零部件。电连接器中采用的环氧胶、硅橡胶等材料,由于分子式中含大量的C-H键,受太空辐射中紫外光子的照射即可发生有机化学键的断裂。其破坏结果是环氧胶变色、材料变脆以及硅橡胶硬化,从而产生表面裂纹、颗粒、褶皱等;电连接器的硬质绝缘材料,若选材不当,也会在辐射作用下降解,导致绝缘电阻下降,致使电连接器产生漏电、耐压击穿等故障。

在空间辐射环境中,电连接器会同时受到高能质子、电子、宇宙重粒子等不同种类射线或粒子的共同作用,导致寿命缩短,因此电连接器在宇航环境下发生失效,是受综合辐射效应的影响,是大量随机出现的高能粒子对电连接器累积损伤的结果。

3.2高真空热循环

真空环境是一种很稀薄的气体环境,高真空度会导致有机材料的放气,其产物包括水、吸附性气体、溶剂、低分子量添加剂以及分解产物等。在距地面150 km以上的高度,大气压<1/10000Pa,且随着高度的增加,真空度逐渐增加。

构成连接器的非金属材料在低压下受热时,当内部存在未反应的添加剂、易挥发填充或封装材料、杂质、吸收的气体或潮气时,会出现释气现象。释气使聚合材料收缩,改变其性能;释放出的气体重新凝聚在组件内部,污染临近区域的敏感元件或光学器件的表面后,可能会导致系统故障;同时对于有人存在的生存环境,释出的有害气体还可能影响人的生命安全。

为了限制航天器材料的有害气体排放,NASA及CAST都对宇航级元器件高真空下材料的总质量损失(TML)规定了不大于1%的要求,而对收集的可凝挥发物(CVCM)则规定了不大于0. 1%的要求。

4电连接器的材料选择及结构设计

4.1电连接器的材料选择

宇航级电连接器在设计选材时,需要根据电连接器在航天器上的安装位置以及在轨运行时间,明确连接器在整个生命周期内所承受的辐射总剂量,然后选择适合的材料。

处于航天器外部的电连接器受到的辐射剂量是航天器内部的100倍以上,以空间站为例,空间站表面材料在10年甚至更长的全生命周期内,需要承受的辐射总剂量至少为9 x 10^6rad,而空间站内部,在1 mm等效铝厚度屏蔽下的辐射总剂量为1. 2 x 10^4rad。在空间站外部,连接器还容易受到高能粒子和宇宙尘埃的直接冲击。因此在设计电连接器时,对于处于航天器外部的连接器和内部的连接器必须采取不同的设计思路。同时,空间辐射环境在不同的地区有很大区别,在设计时还需要根据抗辐射总剂量的固有能力与实际承受辐射总剂量,充分考虑辐射设计裕度,进行健壮设计。

在选材方面,处于航天器外部的电连接器,裸露面应不采用硅橡胶、氟硅橡胶类材料,这类材料直接暴露在大剂量宇宙辐射下,会硬化、开裂,进而发生功能失效;应直接采用玻璃、陶瓷等无机材料或者耐辐射能力好的有机材料,如聚苯硫醚作为绝缘材料。聚苯硫醚由于分子键熊极高,耐受太空辐射能力极为优秀,当吸收大能量粒子发生断链时,由于材料高度结晶,低分子产物难以从结晶体内部逃逸,空洞很难产生,从而材料强度下降较缓慢,因此材料本身应具有相当的耐辐射性。而处于航天器内部的电连接器,根据所处位置的辐射剂量,可以采用硅橡胶、氟硅橡胶类材料,提高电连接器的耐潮湿以及防尘能力。

4.2电连接器的结构设计

在连接器结构设计方面,处于航天器外部的电连接器,外部壳体结构应采取加固性设计,接触件的排列间距应尽可能加大,这样可以减小绝缘材料受宇宙辐射后表面电阻降低的影响。

航天器内部的电连接器,应尽量采用标准接口连接器,如38999系列宇航级电连接器、宇航级微矩型连接器等。这些连接器系列规格齐全、标准化程度高、密度和重量适宜,在合理选材后,能够满足目前航天器内部的连接需要。

此外,针对连接器高分子材料的在热真空环境释气问题,通过在适当参数的真空、高温环境下对电连接器进行热真空烘焙工艺处理,连接器材料内部不稳定物质如吸附性气体、水气、杂质等提前挥发,可将电连接器在装机使用时的真空释气控制在允许的范围内。

5电连接器抗辐射宇航环境的试验

为了研究电连接器在宇航环境的可靠性,选取了E壳体号8芯的宇航级38999电连接器进行耐辐照和材料的热真空释气试验,具体试验过程如下。

5.1耐辐照试验。

辐照的最大总剂量按照国军标对宇航级电连接器的有关要求,确定为5x10^5Gy(1Gy=100rad ),选择航天器内部辐射总量为2 x 10^3价。辐射源采用钻60,射线源的均匀场。试验步骤如下:

①按照辐射剂量率0. 7rad/s,对电连接器进行辐照,直至辐照剂量达到2 x 10^3仰,然后对电连接器进行绝缘电阻、耐电压测试。根据电连接器的接点排列密度,电连接器的绝缘电阻值应大于5000MSZ,耐电压应大于1800V。将试验后的电连接器分为2组,继续进行后续试验。

②按照辐射剂量率50rad/s,对进行完第①步试验的电连接器进行辐照,直至辐照剂量达到5x1Gy,然后对电连接器进行绝缘电阻、耐电压测试。

③按照辐射剂量率100rad/s,对进行完第①步试验的电连接器进行辐照,直至辐照剂量达到5 x 10^5Gy,然后对电连接器进行绝缘电阻、耐电压测试。

电连接器经受2 x 103份辐照剂量后,尾部氟硅橡胶材料封线体仍然保持了优良的弹性,进行接触件取卸操作,封线体完好;在经受50rad/s,总剂量5x105Gy辐照后,封线体明显变硬,进行接触件取卸操作时,出现轻微掉块现象;在经受100rad/s,总剂量5x10^5份辐照后,封线体明显变硬,进行接触件取卸操作时,出现大量掉块、裂纹现象。辐照试验后,电连接器的绝缘电阻值均大于5000MSZ,耐电压均大于1800V,满足初始设计要求。但通过取卸接触件发现电连接器的尾部氟硅橡胶发生老化破损。

封线体的硬度随总辐射剂量的增加而增大,同时单位时间辐射剂量增加,也加速封线体硬度变化。

5.2热真空释气。

热真空释气按照GJB1217-2009方法4001的规定进行试验。经过真空烘焙处理的连接器及构成材料的释气试验。

6总结

本文分析了宇航环境中辐射和热真空对电连接器的影响,以38999宇航级电连接器为代表对电连接器在宇宙辐射和热真空环境下的失效机理进行了分析,明确了宇航级电连接器结构设计和选材要求。并通过38999宇航级电连接器在不同辐照环境下试验和释气试验,得出了与分析一致的试验结论。

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