某半剛性電纜組件腐蝕分析與防護

仝曉剛

（西南電子技術研究所，四川成都 610036）

電連接器作為連接高速傳輸系統各部分的基本元件，其阻抗匹配對整個高速傳輸系統的信號完整性有重大的影響［1］。在高鐵領域，電連接器長期暴露在外界環境中，故對其絕緣性能要求較高［2］。特別是近年來由于毫米波技術的發展，對半剛性電纜連接器組件的需求日益擴大。半剛性電纜組件具有損耗小、輻射小、電磁兼容性好的特點，在整機設備中易布線，可在較高的頻率范圍內工作［3］，因而其在毫米波產品中應用廣泛，其性能直接影響整機裝備的性能。

筆者單位某型號產品的半剛性電纜組件在安徽蕪湖地區、江蘇無錫地區出現了銅金屬外殼腐蝕的現象。在工業大氣環境下，空氣中SO2含量相對較高，其被公認是影響金屬腐蝕的主要污染因素［4］。污染的空氣、鹽顆?？梢晕交虺练e在印制電路組件的銅物質表面，造成線路或者器件的腐蝕［5］。目前還沒有相關文獻報道有關半剛性電纜金屬外殼大氣腐蝕的問題。為了解決某型產品的半剛性電纜金屬外殼腐蝕問題，采用掃描電鏡、能譜儀對其腐蝕情況進行了分析，在此基礎上提出了該問題的解決方案并采用中性鹽霧實驗進行了結果驗證。

1 試樣制作

采用剪鉗把問題半剛性電纜腐蝕部分制成長度約為1 cm的測試試樣。試樣數量3個，其中2個進行形貌觀察和腐蝕成分分析，1個進行鍍層厚度測試及鍍層成分分析。

采用無水乙醇對樣品表面進行輕微擦拭，確保不能破壞腐蝕產物。采用金相鑲嵌機把測試試樣封起來，便于測試線纜金屬鍍層厚度。

無水乙醇為分析純，生產單位為廣東光華科技有限公司；金相鑲嵌機為蘇州西恩士工業科技有限公司的SinPRESS 860全自動精密鑲嵌機。

2 實驗

半剛性電纜組件由陜西華大科技股份有限公司生產，其型號為JSMA-JWB2-T/JSMA-JWB2-T-112型。半剛性電纜結構復雜，外殼為無縫銅管，絕緣層為聚四氟乙烯，內導體為無氧銅線。本次出現腐蝕的部位是其無縫銅管外殼，該外殼表面有鍍層防護。由于其組成的復雜性，無法采用制作金相試樣的方式測試其厚度，因而借助能譜儀采用線掃描的方式測試其無縫銅管表面金屬元素的分布情況，從而間接獲知鍍層組成及其厚度。

采用掃描電子顯微鏡（SEM，日本JEOL JSM-5600LV）觀察半剛性電纜組件無縫銅管表面的腐蝕形貌。研究了腐蝕、無腐蝕的試樣兩組，其中腐蝕后的試樣兩個，沒有腐蝕的試樣一個。腐蝕后的試樣選取一個研究了去除腐蝕產物后的形貌。

采用能譜儀（EDS，英國Oxford IE300X）對腐蝕部分的腐蝕產物進行了成分分析。

采用中性鹽霧實驗驗證了改進工藝后的半剛性電纜組件的耐蝕性，鹽霧實驗箱采用蘇試JX1220型。實驗條件為常溫25℃，相對濕度40%~60%。

電纜改進工藝為先電鍍酸性硫酸銅5 μm，然后化學鍍高耐蝕鎳10 μm。

3 實驗結果及分析

為了掌握半剛性電纜無縫銅管的腐蝕機理以及產物，同時為了針對性解決半剛性電纜組件的腐蝕隱患，對實驗結果進行了分析，在此基礎上驗證了該線纜銅外殼的改進防護工藝。

3.1 去除腐蝕產物前腐蝕形貌及能譜分析

從圖1和圖2兩個試樣的腐蝕形貌圖可以看出其腐蝕形貌比較類似。兩個試樣的表面都存在明顯的呈島狀分布的腐蝕產物。腐蝕產物表面比較疏松，隨意堆積，其表面存在裂紋和腐蝕孔。

圖1 試樣1的腐蝕形貌Fig.1 Corrosion morphology of sample 1

圖2 試樣2的腐蝕形貌Fig.2 Corrosion morphology of sample 2

兩個試樣腐蝕部位能譜分析結果如表1所示。從表1可以看出，試樣1和試樣2腐蝕產物的元素種類大致相似，但試樣2多了C元素。試樣1的腐蝕產物主要成分為O、Ni和Cu，其次含有Na、K、S和Cl；試樣2的腐蝕產物主要成分為O、Ni、C和Cu，其次含有Na、K、S和Cl。

表1 能譜分析結果Tab.1 EDS analysis results

常用觸點材料在室內環境自然暴露后，鎳鍍層表面形成了離散的島狀腐蝕產物，其主要成分為C、N、O、S、Cl、Ni和Cu［6］。林雪燕［7］等在研究中也發現鍍鎳層的連接器表面在空氣中腐蝕后，其腐蝕產物中的元素含量按高低依次為O、C、Ni、Cl、Cu和S，與本次分析結果基本一致。于華強［8］等的研究表明銅發生腐蝕時，生成雙層膜，內層為Cu2O，外層為CuO；且受溶解氧和pH的影響，兩種氧化物會不同程度溶解生成Cu2CO3（OH）2。崔志國［9］等的研究表明TP2銅在在10%鹽溶液和10%硫酸溶液中腐蝕后的產物主要為CuCl、CuSO4（H2O）5。劉琦［10］等的研究表明連接器在Cl-作用下的電化學腐蝕生產的鎳鹽主要是NiCl2、Ni（OH）2。

結合腐蝕環境、能譜分析結果以及前人研究情況，試樣1鎳鍍層腐蝕產物可能是Ni2+的堿鹽、氯化物，因為Ni2+最穩定；銅基體的腐蝕產物主要是Cu+、Cu2+的氧化物。試樣2的腐蝕產物中鎳鹽和銅鹽中可能增加了硫酸鹽、碳酸鹽。

3.2 去除腐蝕產物后腐蝕形貌及能譜分析

用橡皮擦除試樣2表面的腐蝕產物后，得到的試樣的腐蝕形貌見圖3。從圖3可以看出，試樣2表面出現了蜂窩狀的腐蝕坑，且部分腐蝕坑連通。因而，該產品的腐蝕過程是試樣表面先形成點蝕，后不斷在縱向和橫向發展，形成腐蝕孔和腐蝕坑。顯然，腐蝕沿橫向的發展比縱向更快，形成腐蝕坑的深度小于腐蝕坑的大小。

圖3 剝離腐蝕產物后試樣2的微觀形貌Fig.3 SEM image of sample 2 after stripping cor‐rosion products

林雪燕［7］認為空氣中腐蝕性氣體以及金屬粒子等顆粒溶解在試樣表面的水膜中形成電解液，電解液由試樣表面微孔進入其底部，在微孔中形成原電池而產生腐蝕產物。由于腐蝕產物的體積較大，就沿著微孔蔓延至表面，形成一個包圍腐蝕核的腐蝕產物圈。島狀或圈狀腐蝕產物的形成過程見圖4。

圖4 銅管的腐蝕過程Fig.4 Corrosion process of copper tuber

另外，對其腐蝕部位進行了能譜分析，結果發現腐蝕坑內的元素組成包括Cu、Ni、O和Ga，Ga可能來自于大氣中的灰塵。值得注意的是Cu的含量遠大于Ni，這也說明試樣表面的Ni鍍層已經腐蝕破壞，或Ni鍍層經過腐蝕后其厚度顯著減少。

表2 試樣2剝離腐蝕產物后的能譜分析結果Tab.2 EDS analysis results of sample 2 after stripping cor‐rosion products

3.3 半剛性電纜無縫銅管表面鍍層及厚度

為了更進一步地分析半剛性電纜無縫銅管腐蝕成因，采用線掃描的方式測試了其鍍層厚度和結構。從圖5可以看出半剛性電纜銅管表面只進行了電鍍鎳，其厚度為15 μm。由于銅的標準電極電位為+0.52 V，鎳的為-0.25 V，因而這種鍍層組合會加速電纜外殼金屬銅基體腐蝕，這應該是半剛性電纜銅管腐蝕的主要原因。

圖5 線掃描結果Fig.5 Line scan result

3.4 改進工藝及驗證

針對半剛性電纜的腐蝕問題，對其無縫銅管的鍍覆工藝進行了改進。采用致密性和耐蝕性更好的酸性硫酸銅打底5 μm，然后化學鍍高耐蝕鎳10 μm?；瘜W鍍鎳層的致密性優于電鍍鎳?；瘜W鎳鍍層和酸性硫酸銅的電位差更小，減少了二者之間的電位差，從而減少電纜金屬外殼的腐蝕傾向。

采用GJB150.11A—2009的方法對半剛性電纜進行了192 h的中性鹽霧實驗。鹽霧實驗結果表明采用改進工藝制成的半剛性電纜表面無縫銅管沒有出現腐蝕，改進工藝得到了驗證。

4 結論

（1）從半剛性電纜的腐蝕形貌和能譜分析結果來看，其無縫銅管表面上吸附腐蝕性氣體和金屬粒子形成電解液。然后電解液通過鍍鎳層的微孔流入到微孔底部產生了腐蝕，腐蝕物堆積蔓延至電纜金屬課題表面，形成了島狀的腐蝕產物。

（2）從線掃描的分析結果來看，半剛性電纜無縫銅管表面腐蝕的根本原因是由于鍍層和基體的電位差過大造成的。

（3）采用電鍍酸性硫酸銅5 μm，化學鍍高耐蝕鎳10 μm的方法縮減了二者之間的電位差，解決了半剛性電纜無縫銅管的腐蝕問題。改進工藝通過了192 h中性鹽霧實驗的考核驗證。