某型武器貯存失效機理研究*

方惠龍 胡 平 劉 凱

（1.92555部隊 上海 200439）（2.海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033）

1 引言

失效機理研究是確定影響武器壽命的關鍵故障模式和關鍵激發環境因素，及開展延壽技術研究的基礎和前提。通過分析武器及各組部件的技術狀態，對各系統和關鍵部件按照結構特征分類，根據各系統工作原理和結構材料等情況，針對其所受典型環境應力，結合武器測試、故障等，分析典型材料、元器件和部件貯存失效機理，進一步研究典型環境因素對武器性能影響，找出影響武器壽命的主要因素，可為后續維修和改進提供依據［1～4］。

2 武器失效模式

某型武器的主要失效模式主要為元器件參數漂移、松脫斷裂、磨損磨蝕、電路故障、密封失效、絕緣失效、腐蝕銹蝕、過熱燒蝕、機械變形等。本文針對這些失效模式的機理進行具體分析。

3 武器失效機理分析

3.1 參數漂移機理分析

武器電子元器件的參數在長期貯存中出現的參數漂移。元器件的特性決定了其參數隨著時間的推移一定會發生漂移，造成這種參數漂移的機理主要包括電應力、溫度影響等［5～7］。

1）電應力影響。載流子注入是導致N型MOS器件參數漂移的主要機理，溝道中的載流子在電場的作用下，在漏端有一定機率發生碰撞電離，產生電子空穴，產生的電子在柵極電場的作用下會注入到柵氧化層中，空穴會流入襯底。

2）溫度影響。負偏置溫度不穩定性是導致P型MOS器件參數漂移的主要機理，在高溫負向偏置條件下，界面處硅氫鍵斷裂產生界面態，隨著氫離子的擴散會形成氧化層中的體電荷缺陷，部分氫離子會擴散到柵極。形成的這些界面態和體電荷會導致器件閾值電壓、飽和電流和跨導等參數漂移。

3.2 松脫斷裂機理分析

1）殼體裂紋。武器在長期貯存中殼體材料受熱應力影響會出現裂紋等。

2）疲勞失效。疲勞失效總是由裂紋開始，裂紋可能是在制造階段產生的，也可能是隨時間變化由應力集中源周圍的循環應變所導致的。

3）腐蝕斷裂。腐蝕也是引起裂紋擴展斷裂的另一個機理。有裂紋的零件放在腐蝕環境中，在靜態應力下會導致裂紋擴展。

4）合金蒙皮漆層脫落或開裂。武器的合金蒙皮進行高溫試驗、低溫試驗及溫度沖擊試驗時會出現漆層脫落。

3.3 磨損磨蝕機理分析

武器使用后的磨損磨蝕主要包括以下失效機理。

1）腐蝕磨損。殼體材料受到氮、硫酸以及細菌等污染時，容易造成非金屬和金屬材料腐蝕，加劇武器運動機構的的磨損。

2）銹蝕磨損。武器在潮濕環境中金屬材料容易銹蝕，銹斑等會加劇武器機構的磨損。

3）冷啟動干摩擦。當潤滑油失效或潤滑油未被油泵打到各潤滑部位時，武器運動機構會出現磨擦，造成武器運動機構的異常強磨損。

3.4 電路故障機理分析

武器電路故障包括電路的開路、短路、接觸不良等［8］。

1）開路失效機理分析

武器在試驗過程中偶發個別導線斷裂，插座插針斷裂等開路失效情況。

2）短路失效機理分析

短路由腐蝕失效引起，武器在包裝箱密封失效放置時，由水汽帶入的雜質或從樹脂中溶解的雜質會與金屬鋁作用，使鋁互聯線發生化學腐蝕或電化學腐蝕。

3）接觸不良失效機理分析

武器貯存過程中會出現開關接觸不良的情況。其原因包括觸點污染電鍍層脫落、彈簧壓力不夠、界面粘潤不良、觸頭連接松動等。如圖1所示，為觸點表面出現有機污染后造成的接觸不良。

圖1 表面有少量有機物沾污

3.5 密封失效機理分析

武器在貯存和使用過程中，會出現密封圈老化、閥密封線缺口、密封部件壓痕過深等現象。密封失效的原因包括材料老化、化學腐蝕，熱損壞，機械磨損等［9］。

武器中的O型密封圈或密封墊由于受到熱、氧、紫外線、輻射、水蒸氣以及化學介質等的侵蝕，材料外觀會發生變化，同時其物理機械性能會降低，強度、斷裂伸長率等大幅度下降，透氣率增大，介電性能減弱等。

3.6 腐蝕失效機理分析

在殼體的套接結構或對接結構中，不同殼體的材料可能不同，不同的材料接觸會造成電偶腐蝕。耐蝕性較差的金屬（電位較低）接觸后成為陽極，腐蝕加速；耐蝕性較高的金屬（電位較高）則變成陰極受到保護，腐蝕減輕或停止腐蝕。電偶腐蝕圖見圖2所示。

圖2 電偶腐蝕

縫隙腐蝕是指由于金屬與金屬，或金屬與非金屬之間形極小的縫隙，其寬度足以使介質進入縫隙中，而在縫隙內或附近產生的局部腐蝕。常見的局部腐蝕形態如圖3所示。

圖3 常見局部縫隙腐蝕示意圖

3.7 過熱燒蝕失效機理分析

如圖4所示為芯片局部區域的過熱燒蝕，其原因是芯片粘結空洞，導致空洞處芯片局部過熱燒毀。主要有以下原因：1）絕緣失效導致觸點電流劇增，產品局部過熱燒蝕；2）短路；3）散熱系統失效導致熱量集中；4）長時間大功率工作導致過熱；5）機械振動、腐蝕等引起的易燃液體泄漏。

圖4 芯片局部區域燒毀

3.8 機械變形失效機理分析

武器出現的機械變形失效機理包括以下方面。

1）力學沖擊。武器在長時期振動、劇烈沖擊等力學效應的影響下，會出現機械變形現象。

2）機械熱變形。機械材料存在熱脹冷縮的現象，溫度會使機械結構幾何形體發生變化，產生熱變形，甚至造成開裂。

3）焊接及鑄造缺陷。芯片外殼焊接時的熱應力使芯片沿著固有的機械損傷處裂開［10］，如圖5所示。

圖5 芯片外殼變形開裂

4 結語

本文通過歷史數據分析，深入研究了武器的主要失效模式包括參數漂移、松脫斷裂、磨損磨蝕、電路故障、密封失效、絕緣失效、腐蝕銹蝕、過熱燒蝕和機械變形，并針對這些失效模式的失效機理進行了深入分析，可為武器的維護保養以及改進提供參考依據。