航天產品內部微環境污染來源分析及污染物控制、清除工藝技術研究

陳白帆

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

航天產品內部微環境污染來源分析及污染物控制、清除工藝技術研究

陳白帆

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

系統探討了航天高精度、高可靠性等級產品在封裝后，產品內部微環境中污染形成的機理和可能來源。初步收集了國外早期電磁繼電器、慣性儀表制造行業內文獻并研究和分析出可能涉及的污染類型，結合目前國內該類產品制造工藝技術現狀，補充了新研究的污染來源，分析了進入產品內部的途徑，可能殘留污染的機理，以及清除的方法。首次提出了高精度、高可靠性航天產品密封空間 “微環境”體系和 “微動態環境”概念，以此開展產品內部微環境條件下污染產生的深層次機理、生長過程及對產品性能與可靠性的影響規律與影響程度的研究。

內部微環境污染；污染成分來源；污染影響特征；微動態環境體系

0　引言

大量航天高精度、高敏感性、高可靠性產品都屬密封式產品，其設計原理和功能特性要求產品在長期工作狀態下的內部微環境是一個穩定的氣氛空間。但一直以來，航天高精度和高等級產品（機電類較為突出）存在的制造合格率的不穩定和產品參數穩定性、一致性較差的問題，以及工程應用發生的失效事件說明了盡管這類產品在看似嚴格控制的制造環境和制造工藝控制技術要求下進行生產，但是依然發生了大量由于密封產品內部微環境污染氣氛逐漸積累導致的失效事件。如高可靠電磁繼電器就屬于密封式繼電器的一種，但是，密封后的繼電器在使用過程中發生了大量類似于污染造成的失效事件，特別是觸點污染的問題變得異常尖銳。再如，慣性儀表也屬密封性產品，不但動壓馬達要密封在浮子組件中，在充滿氦氣的氣氛環境中工作，浮子組件還要被密封在儀表殼內的浮油中，要求在無氣泡的環境中工作。慣性技術原理決定了隨著慣性儀表精度的不斷提高，內部微環境污染變化對儀表精度的影響越來越大，從現有的失效分析的檢測數據中，已可確認慣性儀表浮子組中動壓馬達零件表面存在大量有機、無機污染物，存在類似電磁繼電器微環境污染造成的失效模式。此類問題如果得不到徹底解決，不但解決不了產品制造合格率和產品穩定性問題，更解決不了工程用產品可靠性問題。這就意味著我們要認真研究以繼電器、慣性儀表為代表的航天高精度、高可靠性產品密封后內部微環境和微動態環境污染特征，深入探討微環境污染形成機理和對不同原理產品的作用機理，以此建立各種航天高精度、高可靠性產品微動態環境影響特征與產品可靠性關系模型，從制造技術上徹底解決工程用航天產品的可靠性問題。

我們認為航天產品在使用過程中發生的失效事件，有相當大數量的失效事件的根源性誘因是因零件工作環境污染（隱性危害因素）造成的，這種密封空間的微環境和在內外條件變化下的微動態環境的污染特征和形成機理是一個被長期忽略的造成產品失效的根源性科學問題。

1　國外早期研究情況

從大量的國內繼電器行業研究報告中，我們可以看出國內生產制造行業對密封產品內污染源的研究多停留在線圈骨架和漆包線及薄膜材料上，在技術認知上依然沒有跳出常識性認知范圍。許多污染因素未被識別，造成產品未處理干凈和未識別出的污染物在用戶處的裝配、調試和各種試驗條件下，產品內部微環境氣氛發生動態變化，對產品的性能和可靠性造成危害。

借用三篇國外繼電器文獻資料的研究內容，引導本分析報告。

胡茂根老師譯自蘇聯1975年出版的 《電觸點》中 《弱電線路換向觸點故障原因》一文，對觸點的污染及其根源有詳細的描述：

“為了保護觸點免受灰塵、濕氣和其它腐蝕性氣體的污染，具有觸點的設備裝上了罩子和進行了密封。正如大家已經知道的那樣，這減少了觸點外部污染的可能性，但是也導致了迄今尚不太清楚的內部污染源，這種內部污染是由于在密封或加罩的結構體中形成了由其組成部分所析出的成蒸氣狀的有害成份。因此，觸點污染成了很尖銳的問題。這幾年很多研究，正如已公布的那樣，得到了重要的結果。

觸點污染實際存在的種類依據其產生的根源主要可分成三類：有機的、無機的和機械的，其中每一類又可分成若干小類。”

由曹阿金老師譯自Proceedings 25thRelay Conference 1977的 《薄膜測量：觸點性能穩定和可靠性的關鍵》一文中，對薄膜的來源有宏觀論述：

“對一個設備設計者來說，最不可輕視觸點薄膜是制造過程中產生的殘留物。這些薄膜實際上是產品制造過程中進入繼電器里的，不是因為制造者沒有清潔組裝零件，就是因為他們不了解有害材料會產生薄膜。

帶有生產過程殘留物薄膜的觸點可能產生間斷的電阻特性或觸點帶有小于1A的穩態電流和低于24V直流開路電壓下的早期失誤。精確的失誤機理還未弄清楚。”

航天165廠譯自蘇聯A.P.魯列克所著 《微型繼電器工藝》一書中，對污染源也有具體描述：

“當繼電器從外部受熱時或者在它的線圈上施加電壓以后，有機材料（線圈骨架、漆包線上的漆及其它）可能析出揮發物質。這些揮發物質冷凝在觸點表面上和以后聚合成膜，導致觸點的表面電阻急劇增加，直至破壞接觸效果。密封繼電器內部的氣體介質組份包括：具有規定清潔度和干燥程度的填充氣體；繼電器在使用期間，零件受熱（外部的高溫作用和線圈加熱）過程中析出氣體產物；工藝介質殘留物（在進行各種工藝操作，如釬焊、電鍍、化學涂復和清洗等）。

總的來說，當繼電器受高溫作用時，上面體制所列組份可能形成各種化合物，這些化合物的有害影響很難預料。因此應該仔細清洗零件、組件和整個繼電器的污染。清除繼電器空間污染氣體的最有效方法是零件、組件和整個繼電器的真空干燥。”

在慣性儀表制造行業，俄羅斯對動壓氣浮軸承零件清洗的技術、動壓馬達技術要求及調整細則等資料中對零件的清洗要求是很明確的，包括對零件均規定了長時間脫氣工藝處理要求，一些零件甚至要求進行多次的脫氣處理，同時還規定了從開始脫氣到結束脫氣之間的時間應一直到產品充氣密封為止，以及不應超過的晝夜數。

20世紀80年代美國羅克韋爾公司下屬陀螺儀制造廠為了排除人體的呼吸、汗水、衣著及動作帶來的微觀層面及其微小的污染影響，使用機器人在一個人無法生存的環境（加壓的純氮氣）里完成陀螺零件（轉子和腔體）的清洗和前道裝配。美國海軍響尾蛇導彈機電陀螺裝配規范僅環境因素控制就有5條。蘇聯在繼電器制造中，對最高等級裝配場所的所有人員的出汗程度都進行檢查和控制。

2　產品內部微環境污染來源分析

根據和借鑒早期這些文獻研究分析結論，可以讓我們對產品生產制造過程可能引入的污染的來源有了一個初步的認識，了解基本的控制和處理方法。再結合航天產品特別是電磁繼電器和高精度慣性儀表長期以來的失效模式，從電磁繼電器和慣性儀表產品生產制造的源頭對可能帶來和存在有污染源的每一個階段進行分析，簡要描述可能的形成機理并提出清除污染和防控建議。

1）原材料。金屬原材料都會在制造過程中吸入不同的污染物，如碳、氧、氫、硫等。在零件開始加工前將其去除是有必要的。蘇聯研究人員對簧片原材料存在的污染成分和除污參數均進行了深入研究，如PdAg40材料中的C元素從表面析出的溫度為500℃、S元素是1200℃；PdAg30材料中的C元素從表面析出的溫度為800℃、S元素是600℃。

2）有機材料本身固有的有機氣氛釋放。如線圈骨架、包扎的薄膜、漆包線的漆、導線外皮等。

3）沖壓、碾壓過程生產車間環境不潔。大氣環境中的微顆粒、塵埃，如硅酸鹽、氧化硅等，會被沖入零件表面形成新的污染物。所以，沖壓工序也有必要在有一定環境標準要求的廠房中進行。

4）非精密沖壓、非精密加工。零件撕裂切面和彎曲受壓縮與受拉伸形成的金屬微粒和表面的微裂紋，為減少后期產品在各種物理變化條件下形成的失效影響，零件的沖壓必須實現高速精密沖壓方式戓采用液壓方式，關鍵功能性零件精密加工。

5）機械加工過程使用的各種介質的殘留物。經機械加工的零件表面都會存在微損傷層，在微損傷層中會滲入各種加工用潤滑油、冷卻液或清洗劑等。目前的工藝清洗方法是去除不掉的，會在裝入繼電器后，在溫度作用下，形成污染氣體揮發出來，造成觸點污染。

6）采用電鍍工藝的零件鍍層。電鍍層中和表面存在大量缺陷和孔隙，在這些缺陷中含有水、氫、硫酸鹽等成分。

7）大氣環境下腐蝕氣氛對零件組件表面的污染。裝入繼電氣內部的所有零件在完成加工工序后，如保管儲存不嚴格或進入裝配工序至整件密封前周期過長，均有可能造成零件的大氣腐蝕。特別是電鍍金、銀鍍層，對大氣中存在的 SO2、H2S、CO2、NO2等腐蝕性氣體敏感，在觸點表面形成絕緣腐蝕物（膜層）。

8）裝配廠房墻與地面，特別是自流平地面的有機揮發物、非金屬工作臺等含有有機成分的物品，都會使觸點吸收這些污染氣氛。

9）在裝配工序涉及釬焊和熔焊時會形成釬焊料和焊接金屬，以及釬焊工具材料的蒸汽而污染觸點。金屬蒸汽在觸點表面上凝聚，形成細散的沉淀物，這種沉淀物以后會產生腐蝕。

10）各種清洗劑殘留污染。我們在各工序中會使用不同種類的清洗劑去除特定的污染成分，但各種清洗劑也是有機化合物，會殘留在零件表面。這些殘留物在繼電器內部，在溫度作用下，還會形成更多更復雜的化合物，形成次生污染源。

11）裝配車間人員個人污染。人體組織通過皮膚向周圍空間散發蒸發、脂肪、水和有機物。由于人體皮膚表面存留有尿素、尿酸、鹽分、乳酸、氨基酸、游離脂肪酸等酸性物質，所以皮膚表面常顯弱酸性。

12）目前最讓人放心的去離子水的屬性問題，可能也會帶來隱患。我們測試了去離子水設備入口的自來水酸堿度，測試結果PH值為7.0～7.1。在去離子水設備出口處，測試了去離子水酸堿度，測試結果PH值為6。產生PH值變化的機理是反滲透膜對于二氧化碳的去除效果差。

如圖1所示，是筆者在文獻 《弱電線路換向觸點故障原因》觸點污染分類和原圖基礎上補充了新的污染來源，并將文中原作者對觸點污染形成的分析和機理摘要在每一小類中，方便大家閱讀理解。

圖1　觸點污染實際存在產生的根源示意圖Fig.1 The chart of actual existence and source of contact pollution

3　零部組件污染控制、清除工藝研究

要消除產品內部顯性和隱性污染帶來的危害，最根本措施還是在產品制造過程的每一階段有效識別零件、部組件的污染物。但是目前在航天產品生產制造中最大的現實隱患是：

1）沒有清潔工序，實際上不論是零件還是組件都有清洗要求。但往往是一個非嚴格管控的工藝要求和非科學化的工藝過程，反而掩蓋了零件污染因素；

2）對零件、組件和裝配成產品的潔凈與否，一直是相對定性的評判，缺少定量的潔凈度檢測方法、評價標準和要求；

3）污染對產品組件性能和可靠性影響的屬性識別不充分，過多地關注物理（顆粒物）污染影響，而嚴重忽視化學污染危害；

4）沒有不同質量等級要求的零件、組件清潔質量標準和清凈過程潔凈度客觀標志規范，缺少全制造流程的污染防控系統性的工藝規范要求。在零件清潔過程中，質量至今沒有明確的表達。

而航天制造中對清潔工藝的最大的技術認識誤區是：

1）對污染源的認識太常識化，對污染物（特別是有機、無機污染成分）的危害認識簡單化，忽視了次生污染形成的危害；

2）對零件、組件清潔這樣一件系統性很強的工序流程，簡單化地變成清洗工序；

3）零件、組件清潔不只是在加工完成后，還要考慮工序間；

4）零件清潔不只是清洗表面，清除基底殘留物是最關鍵；

5）潔凈廠房環境不代表零件不會被污染了，裝配密封前的一道凈化處理往往是最關鍵的工藝環節。

在產品生產制造過程中基本上分成四個不同的階段進行清潔作業：

1）零件加工過程中和加工完成后的清潔；

2）在裝配車間開始裝配前的零件清洗；

3）整件裝配前的組件清洗；

4）裝配完成的產品在密封前的凈化。

在這四階段中，對應的清潔的質量概念是不一樣的，使用的方法、參數也不盡相同。但是，都一定要有一個明確的潔凈度客觀標志的表達。

除了在生產制造過程中的四大階段的零件清潔處理工序外，針對零件后續加工的不同，還有許多特殊的零件工序前清潔要求和具體的工藝規范。

比如，在零件計量檢測環節的表面清潔，在高精度零件測量幾何參數之前，是要用酒精擦試零件，并在干燥后測量；再如，對那些需進行表面鍍膜（電鍍、化學鍍、離子鍍等）的零件，都應進行真空環境下的烘烤，徹底排盡材料基底污染物，并經表面清洗等鍍前工序處理；還有向動壓馬達半球表面涂邊界潤滑劑的，涂前半球表面清潔處理方法、參數、時間控制等細節至關重要，零件基體和表面清潔的好壞程度，將決定邊界潤滑涂層與基底的吸附狀態（物理和化學吸附）的優劣；另外，動壓馬達定子繞組繞制完成后，缺少清潔工序直接進行灌膠封裝，未排除的污染物在定子線圈加電工作升溫作用下會產生氣體，氣體膨脹后必將影響定子組件微結構的穩定性。

因此在產品制造中，工程制造人員除了掌握制造工藝技術外，非常關鍵的一點是要了解產品實現的原理、零件在產品中功能特性，了解和識別工藝方法固有缺陷對產品品質或原理實現的影響程度。實際上這一系列問題必須由多學科交叉綜合性基礎研究才能得到解決，對目前已知因素的認識，擬定了針對污染造成產品質量問題的研究方向。

內部微環境在內外環境變化過程中，尤其溫度變化，可能形成的微環境污染氣氛。原生污染要素、各種不同要素可能形成的次生要素機理及其對零件功能特性危害，工藝驗證工作要測試和分析產品內部氣氛組成，要關注微環境下多要素腐蝕影響，包括電場、磁場因素對電化學蝕腐的加速作用。

特別要對航天高精度、高敏感性和高可靠性的密封產品內部微環境（灰色系統）污染氣氛和溫度、濕度、壓力（密度）（簡稱三要素）動態特性對產品全壽命周期可靠性的影響規律及程度開展系統性研究，以確定最有效、最合理的工藝參數。研究制造過程到封裝前零件表面大氣環境下的初期腐蝕行為，對后期零件表面污染、腐蝕周期的影響，以制定防護控制措施。通過試驗驗證清潔處理方法的有效性，制定出行業產品零件清潔質量標準和清潔過程潔凈度客觀標志規范。

對密封的電磁繼電器、動壓馬達空間微環境體系，研究在微環境中、在內外環境應力變化過程中，尤其溫度變化，可能形成的微環境污染氣氛。研究動態三要素：溫度變化、氣壓（氣體密度）變化、濕度變化范圍，及相互關系模型；研究三個要素對內部氣氛變化的影響和隨時間周期的變化趨勢，建立相互關系模型。研究在此微環境下電磁繼電器觸點表面性能特征行為和動壓馬達半球表面啟停接觸、摩擦行為，測試和分析隨工作時間的增加內部氣氛組成變化。

4　結論

產品內部微環境污染問題是直接影響產品性能、精度、穩定性和可靠性的重要因素。因此，我們要：

1）充分認知產品生產制造過程各種工藝因素，都會給零件形成（留下）特有的微觀工藝特征，即污染特征（還有形貌、物理、化學、力學等特征）；

2）掌握這些特征對零件功能和產品效能的影響規律和影響程度，有助于進行工藝可靠性設計，以提高制造的可靠性；

3）根據各自產品和制造工藝流程，可充分識別污染源頭和其進入產品內部的途徑，采取針對性措施，可分階段消除。

生產制造過程零件的清潔工作對提高零件制造品質和從源頭上解決產品性能的穩定可靠和防止航天高精度、高等級產品后期失效具有重大意義。所以，我們應該將零件的清潔問題作為提高產品品質的一個關鍵工藝技術因素加以研究和控制，盡快將各項清潔技術措施和工藝要求落實到位。

只有充分識別污染源的可能出處和其進入密封產品內部的途徑，研究掌握可能帶來的危害，研究了解各種干擾因素促使污染因素的變化趨勢，了解污染源頭和次生污染源頭，抓住主要變因或主要形成污染因素的條件，才能在產品制造過程中逐一排除戓最大程度的排除，真正提高產品的固有可靠性，使制造可靠性大幅提升，才能形成自主的航天高端產品制造工藝技術基礎理論和工程經驗體系。

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［4］ 許文鼎（譯）.觸點污染：電觸點上碳沉淀物的形成［Z］.電觸點譯文集，1971：179-187. XU Wen-ding（translated）.Contact contamination：the formation of carbon precipitate on the electrical contacts［Z］. Electrical Contacts，1971：179-187.

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［6］ 臧春艷.航天繼電器穩態電弧等離子體電離過程與電弧特性研究［D］.華中科技大學，2006. ZANG Chun-yan.The research of ionization process and arc characteristics of aerospace relay steady-state arc plasma［D］.Huazhong University of Science and Technology，2006.

［7］ 劉云.大氣對常用觸點金屬材料的腐蝕影響［D］.北京郵電大學，2008. LIU Yun.Effect of atmospheric corrosion on the common contact of metal materials［D］.Beijing University of Posts and Telecommunications，2008.

Research on the Pollution Source Analysis of Micro-environment Inside Aerospace Products and Its Controlling& Removing Technology

CHEN Bai-fan
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

This paper systematically analyzed the pollution's mechanism of formation and possible source in the microenvironment inside products after the aerospace products which had high precision and high reliability are packaged.It preliminary collected the earlier foreign literature of electromagnetic relay and inertial devices manufacturing industry，researched and analyzed the possible involving source type.Attaching to the current domestic situation of this product manufacturing process technology，this paper added the pollution source of current research and analyzed the waygotten in the product inside，the possible mechanism of residual pollutants and its removing method.It firstly proposed the concept of“micro-environment system”and“micro-dynamic environment”in the aerospace products'confined space which had high precision and high reliability.It researched the underlying mechanism of pollution-creating source under the micro-environment condition inside the product，the growth process，the influence rule and influence degree of product performance and reliability.

inside micro-environment pollution；sources and components of the pollution；impact characteristics of the pollution；micro-dynamic environment system

U666.1

A

1674-5558（2016）07-01283

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.017

2016-06-02

陳白帆，男，研究員，研究方向為高精度慣性儀表、高可靠電磁繼電器制造可靠性、工藝可靠性設計、零件表面微觀工藝特征性、零件制造與產品設計原理匹配性。