防水透氣閥在航空電子設備上的應用與驗證

張敬鋒

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門448035）

航空電子設備在其生產制造、貯存、使用的全壽命期都會經受各種環境因素的作用，各種惡劣環境對其性能有嚴重影響，而其性能直接關系到飛機的使用性能、安全性和可靠性。特別是在海岸和海島起降的飛機，濕熱、鹽霧、霉菌等影響腐蝕的因素更為嚴酷，飛機從地面到高空飛行，頻繁的氣壓和溫度變化對于一些采用密封設計的航電設備是極大的考驗。

1 航空電子設備的環境防護需求

1.1 航空電子設備的使用環境分析

航空電子設備在使用過程中承受著溫度和氣壓的大范圍變化。設備普遍的使用環境溫度在-40℃～55℃，加上工作時元器件的發熱，內部器件和板卡最高溫度可以達到80℃或更高。溫度的巨大變化除了會造成內外差壓的變化，還會加速密封材料的老化。

氣壓也是航電設備在使用過程中不可忽視的因素，萬米高空的外部大氣壓只有地面氣壓的1/4左右。如此大的氣壓變化，對設備的結構外殼、密封條、電連接器都是不小的考驗。溫度和氣壓的循環沖擊，足以造成設備的密封失效，外部的水汽攜帶腐蝕介質侵入設備殼體，腐蝕設備內部的電子元器件，引起設備故障，因此呼吸效應的防護必不可少[1]。

1.2 航空電子設備防護措施對比分析

航空電子設備由于呼吸效應導致水汽和腐蝕介質侵入的問題，有以下3種解決思路：①提高設備的防護等級，加強結構密封措施可使設備的防護等級提高到IP68[2]，但是這樣會使設備的制造成本急劇增加，使用維護變得困難。很多電子設備表面普遍安裝有指示燈、開關、電連接器等附件，這些附件使得設備完全氣密幾乎不可能。在強大的壓差作用下，水汽和腐蝕介質依然會通過附件的結構縫隙進入設備內部，而且由于毛細作用和迷宮效應的存在，結構縫隙內部的水汽更不易干燥，除了引起附件腐蝕之外，還會使設備內部長期處于飽和濕熱的狀態，引發電氣故障。②設備內部整體灌封，由于沒有了設備腔體內的空氣，所以呼吸效應也不存在，而且灌封材料隔離了設備內部器件與外部腐蝕介質的接觸，使得設備內部幾乎不會發生腐蝕。但是灌封除了引起設備增重，還會喪失維護性。對于發熱量大、有散熱要求的器件，或是保留擴展位的設備，整體灌封也是盡可能避免的方案。③參考飛機機體結構排水的方法在航空電子設備的外殼上設置排水孔。這種設計的優點是電子設備的內外壓差可以達到實時平衡，設備內部的積水可以迅速排出。缺點是由于水的表面張力，過小的排水孔沒有排水效果，排水孔的直徑必須大于9mm[3]，這么大的排水孔，會帶來電子設備電磁兼容的問題，而且排水孔的存在使得設備內外環境基本一致，外部環境中的潮氣、霉菌和鹽霧直接進入設備內部，給設備使用造成較大的風險，不適合在較惡劣的環境中工作。

針對常規密封設計呼吸效應不可避免的問題，選用防水透氣閥是一種合理的解決方案[4]。防水透氣閥工作原理是把防水透氣膜通過注塑、超聲焊接等形式和塑膠、金屬、硅膠等其他材料結合，形成可以密閉的安裝部件。

防水透氣膜選用膨體聚四氟乙烯（E-PTFE）微孔膜制造，該E-PTFE膜的微孔直徑在0.1～10μm之間，而氣體的分子只有0.0004μm左右，膜的孔徑比氣體直徑大250～25000倍；水分子的直徑有400μm，比薄膜的微孔直徑大40～4000倍，因此可以在阻擋水滴的同時讓氣體順利通過。

與本文中提出的其他方案相比，防水透氣閥能通過較好的透氣性來實現設備內外壓力的平衡，防止外部的水和腐蝕介質進入設備內部，有效保護設備密封的完整性。因此，分析可知在密封設備上使用防水透氣閥可以在不影響防護性能的前提下有效防止呼吸效應的影響。

2 防水透氣閥的應用與試驗驗證

2.1 防水透氣閥的選型

防水透氣閥的閥體材料有金屬和非金屬兩類，造型一般為螺栓形。非金屬防水透氣閥采用尼龍或其他材料，使用溫度難以滿足航空電子設備高低溫和溫度沖擊的要求，故要謹慎選取。金屬防水透氣閥的殼體材料通常有鋁合金、不銹鋼等，在選取時，除了要考慮閥體材料自身的耐蝕能力之外，還要考慮與設備外殼材料的電位差，防止兩種材料電位差過大產生電化學腐蝕。

防水透氣閥的技術指標有防護等級和透氣量。防水透氣閥的防護等級從IP65～IP68，其中IP65通過物尺寸為5μm；IP66通過物尺寸為3μm；IP67通過物尺寸為0.45μm。透氣效率隨著防護等級的升高而降低。一般使用環境選取IP65即可，如有浸水的環境，建議考慮IP67或更高的防護等級。

2.2 防水透氣閥效果的試驗驗證

為了驗證防水透氣閥的使用效果，在常規的航空電子設備機箱上進行了對比試驗。本項試驗中，模擬設備機箱4個，表面安裝電連接器。具體情況見表1。

表1 試驗件配置表

在每個試驗機箱內部都放置溫濕度記錄儀，可以實時記錄箱體內部的溫濕度并存儲。

試驗條件采用實驗室加速環境譜，具體試驗條件為：①濕熱7天；②低溫低氣壓2h；③鹽霧試驗7天。這3個步驟為一個試驗周期，每個周期試驗完成后檢查試驗機箱狀態。該環境普遍用于模擬設備在海洋大氣環境下的長期運行。

試驗第一周期后開箱檢測，不進行密封設計的試驗機箱1、2情況完全一致，箱體內部出現明顯積水。分析原因，金屬蓋板與壁板之間沒有密封墊的話，縫隙遠遠大于分子級別。因此，未采用密封設計的機箱是否防水透氣閥都沒有意義，水和鹽霧會從機箱縫隙處侵入，在機箱內形成積水。進行了箱體密封和緊固件濕裝配的機箱3、4，在第一周期試驗完畢后內部情況相似，不存在積水及鹽霧沉積，證明密封措施對機箱內部的防護是有效的。

試驗第四周期后開箱檢測，未安裝防水透氣閥的機箱3濕度曲線出現明顯階躍，然后在同一時間的濕度數值也高于機箱4。而且機箱3內部出現了明顯的水膜附著，這是前3個周期從未出現過的。但安裝有防水透氣閥的機箱4內部情況和前3個周期一樣，未出現積水積鹽情況。

由此可以推斷，未安裝防水透氣閥的機箱3隨著試驗的進行，也產生了氣體交換。檢查箱體外觀，發現未安裝防水透氣閥的機箱3電連接器安裝法蘭、插頭隙處積鹽明顯，連接器安裝處的機箱面板漆層出現了明顯鼓包。對比安裝防水透氣閥的機箱4，電連接器表面只有少許鹽粒沉積，縫隙處未見積鹽，安裝部位結構完好。

試驗結果證明了理論分析，未安裝防水透氣閥的機箱，長期使用后密封薄弱部位容易失效，內外氣體交換是通過密封薄弱處進行的，這樣在密封薄弱處產生了腐蝕；而安裝防水透氣閥的密封機箱，氣體交換是通過防水透氣閥進行的，能夠保證密封設計長期有效。

3 結論

通過原理分析和試驗驗證，結構密封設計的航空電子設備機箱，安裝防水透氣閥確實能夠防止呼吸效應對設備的影響，有效平衡內外壓差，避免水和腐蝕介質進入設備內部，提升航電設備的腐蝕防護能力，保護密封薄弱部位，從而提升設備的可靠性和環境適應能力。