海軍航空大學王希彬團隊最新研究論文：航空電子電氣緩蝕劑技術要求分析與對比試驗研究丨環境技術
2024-10-28 11:32:58
作者：王希彬，等 來源：環境技術核心期刊
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近日，海軍航空大學王希彬團隊以《航空電子電氣緩蝕劑技術要求分析與對比試驗研究》為題在《環境技術》2024年第7期上發表最新研究內容，第一作者為王希彬。
針對沿海等環境飛機電子電氣設備腐蝕故障高發頻發問題，總結分析了電子電氣緩蝕劑國內外研究現狀，提出了飛機電子電氣緩蝕劑技術要求及脫水性、對絕緣導線影響、對電學性能影響等關鍵指標的檢驗方法，在此基礎上開展四種常用電子電氣型緩蝕劑理化性能、環境適應性及防腐性能、材料兼容性和相關電性能指標的對比試驗。試驗結果表明四種電子電氣緩蝕劑的性能優劣，為優選出合適的電子電氣型緩蝕劑產品提供了理論和試驗依據。
作者：王希彬1，郁大照1，王琳1，邱實2，姜國杰3
單位：1.海軍航空大學航空基礎學院；2.中國特種飛行器研究所；3.中國航發北京航空材料研究院
簡介：王希彬，講師，主要研究方向為機載設備腐蝕防護與控制。
沿海飛機長期處于高溫、高濕、高鹽霧的服役環境中，加劇了電子電氣設備及部附件的腐蝕，最終在電路上表現為性能不穩定、產生誤動作、跳保險、設備不工作、甚至燒蝕起火，嚴重影響了飛機的使用性能、飛行安全性和可靠性，增加了維修保障工作量和難度,設備故障率顯著提升。有數據表明海南地區機載電子設備的故障率是內陸的2～3倍，同一機型的同一種導航設備，在海南的故障率是滄州的3倍。根據美國空軍后勤中心(ALC)對20多種飛機的調查報告表明:腐蝕導致的飛行事故占總數的20%左右。腐蝕問題不僅嚴重危害飛機的飛行安全，還涉及經濟性問題。2002年美國政府的統計顯示，每年航空裝備因腐蝕損失10億美元。在飛機上使用緩蝕劑是一種成本低、操作方便的減緩或抑制飛機腐蝕的方法。早在上世紀七十年代美國空軍就十分強調緩蝕劑的研究和應用。對于機載電子電氣設備而言，電子電氣緩蝕劑成為其腐蝕防護與控制的重要手段，通過控制水分在機載電子電氣設備內部聚集，從而抑制形成電解質溶液達到腐蝕控制的目的。目前，發達國家普遍使用水置換型緩蝕劑作為海洋環境中服役飛機重點腐蝕控制部位的附加防護材料，通過滲入設備內部或縫隙，將其表面水分置換出來并形成一層保護膜，從而抑制腐蝕的發生。美軍MIL-PRF-81309H標準中涵蓋了四種類型超薄膜水置換緩蝕劑的要求，對軟膜緩蝕劑進行了規范，其中包含了航空電子電氣緩蝕劑，即III型緩蝕劑。國內飛機電子電氣設備緩蝕劑的研究成果較少，孟凡巍等提出了飛機緩蝕劑技術要求體系,包含了緩蝕劑的一些電性能影響指標要求，為緩蝕劑標準的編制提供了理論支撐，但未包含電子電氣設備專用緩蝕劑。邢新俠等按照MIL-PRF-81309F標準試驗方法分析了電子電氣緩蝕劑在不同使用溫度、熱老化時間和插拔次數下對印制電路板電性能的影響。張丹峰等分析了緩蝕劑對飛機電連接器腐蝕行為的影響，驗證DJB 823緩蝕劑對飛機電連接器的防護性能。文獻[10]按照MIL-PRF-81309F中測試規定,通過測量不同試驗溫度下試樣接觸電阻的變化率，評定低溫環境下電子電氣緩蝕劑對試樣電性能的影響。總之，國內機載電子電氣設備緩蝕劑目前還沒有統一的標準規范，其性能要求及檢驗方法通常參考MIL-PRF-81309H標準，但由于國內機載電子電氣設備材料、工藝及緩蝕劑產品性能與美國不同，此外，我國熱帶海洋環境腐蝕條件與美國、俄羅斯、日本等國亦存在顯著差異，使得我國飛機電子電氣設備緩蝕劑的性能技術指標要求也應不同。
美軍標準MIL-PRF-81309H中對電子電氣緩蝕劑進行了規范。在借鑒MIL-PRF-81309H基礎上，結合我國605所TFHS-20電子電氣緩蝕劑規范、621所DZ-1電子設備緩蝕劑規范、GJB1300-1991 DJB-823固體薄膜保護劑等標準規范的內容及我國航空電子電氣設備使用現狀，借鑒文獻[7]中的部分結果，通過分析研究形成航空電氣電子緩蝕劑技術要求，包括理化性能（外觀、閃點）、工藝性能及成膜性能（可噴涂性、油膜厚度、脫水性、磨蝕性等）、防護性能（耐中性鹽霧、耐酸性鹽霧等）及對金屬、非金屬的影響（金屬腐蝕性等）。此外，電氣電子設備緩蝕劑還有其獨特電氣性能要求，如耐電壓、對電氣電子元件電學性能的影響等。表1歸納了航空電氣電子設備緩蝕劑的技術要求。
文獻[7]明確了飛機緩蝕劑的技術要求及檢驗方法，其中就包含了一些電氣電子緩蝕劑性能指標的檢驗方法。但是，考慮飛機電子電氣設備專用緩蝕劑的特點，其通常為水置換型緩蝕劑，脫水性成為重點關注的關鍵指標之一；因為電子電氣設備往往通過電連接器及線纜與其他設備進行信息傳輸，在噴涂電子電氣緩蝕劑時可能接觸到絕緣導線，因此需考慮緩蝕劑對絕緣導線的影響；另外，電子電氣緩蝕劑對電子電氣元件電性能的影響也是應重點考慮的性能指標。這些指標的檢驗方法與文獻[7]不同，有其獨特的特點。文獻[7]和美軍標MIL-DTL-85054D、MIL-PRF-81309H中均通過人造海水置換性試驗來表征緩蝕劑的脫水性，但文獻[7]中采用的GJB 5025附錄B中合成海水溶液配置較為復雜，試驗程序較為繁瑣，因此采用以下簡單的脫水性試驗來檢驗電子電氣緩蝕劑。試驗材料選用45鋼，試樣尺寸50mm×100mm×（1～3）mm，試樣上端中間部位可有安裝孔，準備3片試樣。試樣用砂紙打磨，無水乙醇或丙酮清洗，熱風吹干，置于干燥器中待用。a)取50mL的電子設備緩蝕劑于磨口錐形瓶中，再加入5mL去離子水，蓋上蓋子，上下倒置約十次，使其混合均勻，倒入培養皿中備用；b)將3片鋼試樣充分浸入去離子水中后，垂直提起并用定性濾紙吸取底部余水，將試樣水平浸入培養皿中，從試樣提起到浸入的時間不應超過5s；c)試樣在培養皿中靜置15s后提起，在室溫下懸掛15min；d)在23±3℃下將試樣水平放置于底部盛有去離子水的干燥器中1h，然后取出用汽油或丙酮清洗，熱風吹干后檢查。考慮到電子電氣緩蝕劑用于電連接器等電子元器件時，有可能噴涂到連接器周邊的絕緣導線上，因此應開展電子電氣緩蝕劑對絕緣導線的影響。文獻[7]僅對AF250 氟塑料導線進行相容性試驗，美軍標MIL-PRF-81309H中僅對聚酰亞胺線纜絕緣導線進行相容性試驗，考慮到軍用飛機上常用的絕緣導線材料為聚酰亞胺、聚烯烴和聚四氟乙烯等，因此采用電子電氣緩蝕劑作為試驗溶液，試驗材料采用聚酰亞胺、聚烯烴和聚四氟乙烯的導線，按照GJB 8622-2015中4.5.10的方法測試。對電子電氣元件電性能的影響是電子電氣緩蝕劑產品檢驗的核心，美軍標MIL-PRF-81309H采用了一對電連接器MS3116-16-26S和MS3112-16-26-P進行接觸電阻測量試驗，文獻[7]采用了MIL-PRF-81309H中的檢驗方法，但未給出連接器的型號，這將會導致對電子元器件接觸電阻變化量小于5mΩ的指標不能對所有連接器都滿足（3.3試驗結果）。用于電子元器件的DJB823保護劑接觸電阻技術指標為涂與不涂接觸電阻變化不大于10％，經實際試驗（見3.3試驗結果）其指標可在5%以內。此外，印制電路板也是常用的電子電氣元件，也應考慮電子電氣緩蝕劑對其電學性能的影響。將J599系列連接器20MWB995A和20MWB99PA型號插頭座連接好，測量每對插針和插孔之間的接觸電阻值；將插頭插座拆開，每隔2h涂覆緩蝕劑1次，共噴3次，在室溫下放置24h；再將連接器連好，測量插針和插孔之間的接觸電阻值，得到涂覆前后接觸電阻的變化量，變化量不超過5%即認為無顯著影響。包含1 套模擬印制電路板及 2 個邊緣連接器組成，電路板和連接器均為銅鍍鎳鍍金，模擬電路板大約7.62cm長×3.05cm寬、約1.4mm厚的板材進行雙面電鍍銅，并采用金相摩擦進行精飾以獲取一條（0.17±0.01）μm標準粗糙度的均衡中心線。邊緣連接器上有 50 個觸點，連接后接觸應力在 100～250 g 之間。一個或更多的邊緣連接器應焊接至電路板上以便于測量（圖1為一示例板）。每個連接器裝配件使用之前應測試初始接觸電阻，緩蝕劑選取不少于10個觸點進行接觸電阻測試。圖1 具有雙面連接器和一個模擬PC板插槽的雙邊PC板緩蝕劑僅在模擬印刷電路板表面涂覆，緩蝕劑采用自噴罐進行噴涂，模擬印刷電路板雙邊應采用板長度為15cm~20cm單程噴涂，并且3s~4s內應涂覆7.5cm長度板。在插入至邊緣連接器之前涂覆板應反轉（接觸邊朝上）并沿著非接觸邊緣保持垂直狀態10min。測試時應采用安裝的邊緣連接器將印刷電路板雙面連接至一套數據掃描系統，測試在ASTM B539規定條件即開路電位為50mV、直流電10mA下的每個接觸點接觸電阻。
航空電子電氣緩蝕劑的對比試驗
通過開展DJB 823、WD-1、TFHS-20、DZ-1四種航空電子電氣型緩蝕劑理化性能、環境適應性及防腐性能、材料兼容性和相關電性能指標的對比測試，提出能夠滿足飛機在特定環境下使用性能的要求，優選出合適的電子電氣型緩蝕劑產品。從國內外選取了四種電子電氣類的緩蝕劑作為本次試驗的測試品，見表2和圖2所示。產品均為自噴罐型，樣品在試驗前應充分地搖勻，從噴霧罐中得到緩蝕劑在燒杯里在室溫下靜置30min以上，以使推進劑完全消散。通過性能測試，四種電子電氣緩蝕劑的技術要求符合性結果見表3所示。
1）對于絕緣擊穿電壓、功能滲透性、氫脆試驗、耐中性鹽霧、與絕緣導線的兼容性、對丙烯酸樹脂或聚碳酸酯的影響、對聚氨酯涂料的影響七項試驗，四種電子電氣緩蝕劑都能夠有效的滿足技術指標的要求；2）對于耐酸性鹽霧測試，四種電子電氣緩蝕劑都不能滿足技術要求，試驗樣件都出現嚴重的腐蝕程度，表明電子電氣緩蝕劑耐酸性鹽霧能力均很差，同時也說明本文提出的酸性鹽霧的指標太過苛刻，應適當降低指標；3）對于電連接器影響測試，WD-40緩蝕劑有50%的數據滿足要求，TFHS-20緩蝕劑有90%的數據滿足要求，DJB-823緩蝕劑100%全部滿足要求，DZ-1緩蝕劑有80%的數據滿足要求。結果說明只有DJB-823緩蝕劑完全滿足要求，TFHS-20緩蝕劑對電連接器的影響較小，WD-40緩蝕劑和DZ-1緩蝕劑對電連接器的影響較大；對于電路板影響測試，WD-40緩蝕劑只有20%的數據滿足要求，TFHS-20緩蝕劑有80%的數據滿足要求，DJB-823緩蝕劑有80%的數據滿足要求，DZ-1緩蝕劑有60%的數據滿足要求。結果說明DJB-823緩蝕劑和TFHS-20緩蝕劑對電路板觸點的影響較小，WD-40緩蝕劑和DZ-1緩蝕劑對電路板觸點的影響較大。說明接觸電阻變化不超過5mΩ的要求過高，可適當調整為變化量不超過5%，將電子電氣緩蝕劑對電子電氣元件電學性能影響的指標設定為5%以內。本文針對我國航空電子電氣設備在沿海等環境下腐蝕故障高發頻發現狀，闡明電子電氣緩蝕劑是一種經濟有效的腐蝕防控手段，進而總結了電子電氣緩蝕劑國內外研究現狀，提出了航空電子電氣緩蝕劑技術要求及關鍵性能的檢驗方法，對常用的四種電子電氣緩蝕劑進行了對比試驗，并分析其性能優劣。本文的研究為航空電子電氣緩蝕劑在腐蝕防護與修理中的應用提供了理論和試驗基礎，對提升飛機電子電氣設備腐蝕防控效能具有較大的工程應用價值。注：文獻[7]：孟繁巍,金曉橋,王凱. 軍用飛機緩蝕劑技術要求及檢驗方法研究[J].航空標準化與質量, 2021,(8):8-13.
王希彬,郁大照,王琳,邱實,姜國杰.航空電子電氣緩蝕劑技術要求分析與對比試驗研究[J].環境技術,2024,42(07):200-206.
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