宇航環境電聯結器的失效機理及應用研究分析論文
宇航環境電聯結器的失效機理及應用研究分析論文
電聯結器是現代各類電子系統中器件與器件、元件與元件、系統與系統之間進行電氣連線、訊號和能量傳遞所必須的基礎元件。在一個電子通訊系統中，存在大量的連線部位，任何連線處出現故障，都會影響系統的可靠執行和功能。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%是由電聯結器的失效而產生的。電聯結器在航空、航天等行業中應用範圍廣，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複雜，主要包括熱迴圈、高真空、空間輻照、原子氧、微流星和空間碎片等，宇航用電聯結器除需要保證連線可靠外，還需要耐受相應的宇航環境，滿足航天應用的相關要求。研究和提高電聯結器耐受宇航環境的能力，對於提高航天飛行器的效能及壽命有重要意義。
1輻射宇航環境中的電聯結器應用
為了保障電聯結器在宇航環境的壽命和可靠性，宇航級電聯結器除了通用的電氣效能、機械效能和耐環境效能外，在耐受宇航環境時，還需具有耐輻射、熱真空釋氣等效能。根據在航天器中應用部位的不同，可以將宇航級電聯結器大致分為艙內聯結器、穿艙聯結器和艙外聯結器。三類聯結器所受到的宇宙環境影響存在一定差異，雖然效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。
艙內宇航級電聯結器，受到的宇宙輻射劑量最小，主要連線艙內各種裝置，如38999宇航級電聯結器、微矩型宇航級電聯結器等，這些聯結器符合相應的系列型譜，通用性強;穿艙聯結器，用於實現空間站等密封裝置內外資料及氣液交換，通常需具備密封功能，這些聯結器一般接點定義複雜，高低頻混裝，訊號電流接觸件整合，有時還兼有機械防護功能;各類艙外電聯結器，主要是現代新型宇宙空間站外部預留的一些通用埠，可以透過機械臂或宇航員根據需要自由加裝或更換的各種功能裝置，這些聯結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，同時還兼具連線力小，可自行浮動對準等功能。
2電聯結器的結構、材料和功能
電聯結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圓形電聯結器為例，分析聯結器在宇航環境下可能出現的失效。
宇航級38999電聯結器的各個部分主要材料及功能如下。
①殼體:材料為鋁合金或不鏽鋼，主要起插頭插座的相互連線、連線電纜、防護和遮蔽內部零件的作用。
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)和氟矽橡膠。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，是電聯結器傳輸訊號和能量的主體。
除構成上述的基本單元外，聯結器中還採用了矽橡膠和環氧粘接劑用於各個零件間的相互固定和粘接。
3電聯結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，主要包括熱迴圈、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裝置工作異常和器件失效的主要原因;真空熱迴圈環境下的材料放氣，是造成光學系統效能下降、電路失靈和放氣汙染的重要因素。原子氧、微流星和空間碎片對航天器都有很大危害。宇航級電聯結器相對於航天器，其構成材料及結構相對簡單，並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。下面主要結合電聯結器的結構材料組成，分析電聯結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，聯結器的金屬外殼和接觸件受到輻射影響較小，不會導致電聯結器故障。對電聯結器整體結構而言，好像穿了一件“防護衣”，保護著聯結器內部的功能零部件。電聯結器中採用的環氧膠、矽橡膠等材料，由於分子式中含大量的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、材料變脆以及矽橡膠硬化，從而產生表面裂紋、顆粒、褶皺等;電聯結器的硬質絕緣材料，若選材不當，也會在輻射作用下降解，導致絕緣電阻下降，致使電聯結器產生漏電、耐壓擊穿等故障。
在空間輻射環境中，電聯結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，因此電聯結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聯結器累積損傷的結果。
3. 2高真空熱迴圈
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、低分子量新增劑以及分解產物等。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。構成聯結器的非金屬材料在低壓下受熱時，當內部存在未反應的新增劑、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，改變其效能;釋放出的氣體重新凝聚在元件內部，汙染臨近區域的敏感元件或光學器件的表面後，可能會導致系統故障;同時對於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)規定了不大於1%的要求，而對收集的可凝揮發物(CVCM)則規定了不大於0. 1%的要求。
4電聯結器的材料選擇及結構設計
4. 1電聯結器的`材料選擇
宇航級電聯結器在設計選材時，需要根據電聯結器在航天器上的安裝位置以及在軌執行時間，明確聯結器在整個生命週期內所承受的輻射總劑量，然後選擇適合的材料。
處於航天器外部的電聯結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週期內，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等效鋁厚度遮蔽下的輻射總劑量為1. 2 x 104rad。在空間站外部，聯結器還容易受到高能粒子和宇宙塵埃的直接衝擊。因此在設計電聯結器時，對於處於航天器外部的聯結器和內部的聯結器必須採取不同的設計思路。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，處於航天器外部的電聯結器，裸露面應不採用矽橡膠、氟矽橡膠類材料，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;應直接採用玻璃、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。聚苯硫醚由於分子鍵熊極高，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，由於材料高度結晶，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。而處於航天器內部的電聯結器，根據所處位置的輻射劑量，可以採用矽橡膠、氟矽橡膠類材料，提高電聯結器的耐潮溼以及防塵能力。
4. 2電聯結器的結構設計
在聯結器結構設計方面，處於航天器外部的電聯結器，外部殼體結構應採取加固性設計，接觸件的排列間距應儘可能加大，這樣可以減小絕緣材料受宇宙輻射後表面電阻降低的影響。航天器內部的電聯結器，應儘量採用標準介面聯結器，如38999系列宇航級電聯結器、宇航級微矩型聯結器等。這些聯結器系列規格齊全、標準化程度高、密度和重量適宜，在合理選材後，能夠滿足目前航天器內部的連線需要。
此外，針對聯結器高分子材料的在熱真空環境釋氣問題，透過在適當引數的真空、高溫環境下對電聯結器進行熱真空烘焙工藝處理，聯結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，可將電聯結器在裝機使用時的真空釋氣控制在允許的範圍內。
5電聯結器抗輻射宇航環境的試驗
為了研究電聯結器在宇航環境的可靠性，選取了E殼體號8芯的宇航級38999電聯結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聯結器的有關要求，確定為5x105Gy(1Gy=100rad )，選擇航天器內部輻射總量為2 x 103價。輻射源採用鑽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，對電聯結器進行輻照，直至輻照劑量達到2 x 103仰，然後對電聯結器進行絕緣電阻、耐電壓測試。根據電聯結器的接點排列密度，電聯結器的絕緣電阻值應大於5000MSZ，耐電壓應大於1800V。將試驗後的電聯結器分為2組，繼續進行後續試驗。
②按照輻射劑量率50rad/s，對進行完第①步試驗的電聯結器進行輻照，直至輻照劑量達到5x1Gy，然後對電聯結器進行絕緣電阻、耐電壓測試。
③按照輻射劑量率100rad/s，對進行完第①步試驗的電聯結器進行輻照，直至輻照劑量達到5 x 105Gy，然後對電聯結器進行絕緣電阻、耐電壓測試。
電聯結器經受2 x 103份輻照劑量後，尾部氟矽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輻照後，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份輻照後，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。輻照試驗後，電聯結器的絕緣電阻值均大於5000MSZ，耐電壓均大於1800V，滿足初始設計要求。但透過取卸接觸件發現電聯結器的尾部氟矽橡膠發生老化破損。
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聯結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聯結器的影響，以38999宇航級電聯結器為代表對電聯結器在宇宙輻射和熱真空環境下的失效機理進行了分析，明確了宇航級電聯結器結構設計和選材要求。並透過38999宇航級電聯結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。