島礁環境下航空電連接器的腐蝕及其對信號傳輸的影響

許振曉，郁大照，劉琦

（海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

電連接器是飛機上電氣系統的重要連接器件，據統計，一架現代殲擊機使用的電纜長達5～10 km，其配套的電連接器約800～1 000 多件，一架大型運輸機電纜總長度達250 km，其配套的電連接器約4 500 多件[1]。對服役在某島礁環境下的飛機，其環境極其惡劣，鹽霧質量濃度達到0.369 4 mg/(100 cm2·d)[2]，是內陸環境的100 倍，全年平均濕度更是達到87%，引發航空電連接器較高的故障率。張友蘭等[3]通過3 年時間的實地跟蹤調研發現，在沿海機場環境服役飛機的電子設備故障率是內陸環境的2～3 倍。如同種機型的同一批導航設備，在島礁環境使用時，其故障率是滄州使用時的3 倍，其中又有40%是由電連接器的失效而產生的。

國內外學者圍繞電連接器腐蝕失效問題展開了大量研究。王玲等[4]根據不銹鋼殼體和鋁合金殼體電連接器在熱帶海洋大氣環境下的暴露試驗結果，從環境影響、材料工藝等方面分析了這2 類電連接器殼體腐蝕和絕緣電阻變化原因。余俊[5]通過加速退化試驗研究了插拔行為對Y11P-1419 型電連接器接觸性能的影響，發現插拔會造成電連接器接觸電阻劇烈變化，插拔次數越多，變化幅度越大。申敏敏[6]研究了該型電連接器在溫度應力下性能退化的特點，并建立了基于布朗運動的接觸性能退化模型。Kong 等[7]通過研究硝酸蒸汽對不同電連接器材料的影響，發現與其他材料相比，鍍金材料具有更好的耐腐蝕性能，而且鍍金層越厚，腐蝕程度越低，腐蝕時間越久，鍍金層孔隙率越高。譚曉明等[8]在酸性鹽霧環境下研究了P20K9Q 型電連接器在加載電流和不加載電流2 種情況下的腐蝕行為，分析發現，加載電流明顯加重了腐蝕程度，導致接觸電阻快速增大。以上研究主要圍繞電連接器在各種環境中的失效機制展開，重點關注腐蝕形貌和接觸電阻的變化，而較少見關于電連接器腐蝕對信號傳輸影響的研究。

航空電連接器是飛機電信號傳輸的橋梁，其性能參數的變化會影響信號的完整性[9]。在某島礁環境下，除了電接觸表面銹蝕，接觸電阻增大致使信號衰減外，高溫、高濕和鹽霧引起的殼體腐蝕，產生漏電通道，從而導致其絕緣或介電性能下降，信號的能量損失增加[10]，會直接影響電連接器的導電和電磁屏蔽等參量的改變，從而引起信號傳輸異常。本文基于某島礁環境數據，設計了交變濕熱加鹽霧加電應力加速腐蝕試驗環境譜，開展典型電連接器加速試驗，得到不同腐蝕等級的樣本，然后分別研究這些樣本在電路中對信號傳輸產生的影響。

1 腐蝕加速試驗

1.1 試驗設計

試驗對象選用某廠生產的同一批次的J599/26KF96PNH 插頭和J599/20KE30PNH 插座各4個，正常連接組成4 組電連接器樣品，電連接器內部針孔分布如圖1 所示。取出1 組不參與加速腐蝕試驗，僅作為對比參照，并標記為樣本1。

圖1 連接器內部插針和插孔Fig.1 Physical drawing of internal pins and sockets of connector

熱帶海洋環境下，電連接器主要受溫度變化、潮濕空氣、鹽霧因素的影響[11]，所以本文所做的腐蝕加速試驗主要考慮濕熱、鹽霧和干濕交替，再加上電應力共4 個影響因子。試驗方案采用GJB 1217A—2009《電連接器試驗方法》中的1001：鹽霧試驗和1002：交變濕熱試驗[12]。鹽霧試驗用于模擬海洋環境下大氣中的鹽霧在電連接器表面的沉積。據統計，某島礁2017年1 月至2018 年12 月期間的最高溫度為33.6 ℃[13]，考慮到飛機電子設備艙的半封閉結構內溫度可能偏高，設定鹽霧試驗溫度為35 ℃，目的是試驗電連接器在極端惡劣環境下的腐蝕情況。交變濕熱試驗用于模擬航空電連接器腐蝕過程中溫度變化帶來的呼吸作用，使得潮氣能夠吸附在電連接器表面和滲入電連接器內部。本試驗所用到的設備見表1。

表1 試驗及檢測設備Tab.1 Test and detection equipment

按照先鹽霧試驗、后交變濕熱加電應力試驗的步驟進行。鹽霧加交變濕熱與電應力1 個循環如圖2 所示。1 個循環周期由鹽霧試驗24 h 和交變濕熱加電應力試驗96 h 組成，其中交變濕熱的施加按圖3 進行。電應力作用在交變濕熱試驗階段，電壓設定為24 V，作用時間為96 h。第5 個循環周期后取出1 組作為樣品2，第10 個循環周期后取出1 組作為樣品3，試驗完全結束后取出最后1 組作為樣品4，最終得到4 個不同腐蝕等級的樣品用于后續試驗研究。

圖2 腐蝕加速試驗方法Fig.2 Accelerated corrosion test method

圖3 交變濕熱試驗條件Fig.3 Schematic diagram of alternating damp heat test conditions

1.2 電連接器內部腐蝕形貌觀察

考慮到主要是電連接器內部插針、插孔的腐蝕對信號傳輸的影響較大[14]，腐蝕加速試驗結束后，只對電連接器插頭采用金相顯微鏡進行微觀形貌觀察。選取4 個樣品插頭的同一位置的插針，對比分析插針表面鍍金層的變化，“J”針位放大200 倍的形貌如圖4所示。

圖4 試驗樣品腐蝕形貌Fig.4 Corrosion morphology of test sample: a) sample 1;b) sample 2;c) sample 3;d) sample 4

從圖4a 可以看出，樣品1 雖然沒有參與腐蝕加速試驗，但其鍍金層表面也是凹凸不平的。理想情況下，插針和插孔的兩金屬表面為完全接觸，電流線垂直流過接觸面[15]，如圖5 所示。然而實際情況卻是2個粗糙面相接觸，鍍金層表面凸起接觸形成導電斑點。當電流流過時，電流線將產生彎曲，導致測量電阻比完整導線電阻偏大，這就是收縮電阻產生的原理[16]，如圖6 所示。

圖5 理想接觸表面Fig.5 Ideal contact surface

圖6 收縮電阻示意圖Fig.6 Schematic diagram of shrinkage resistance

經過5 個循環周期的腐蝕試驗后，鍍金層表面開始出現少量微孔，如圖4b 所示。其分布并不均勻，呈現一定的隨機性。微孔的出現為孔隙腐蝕提供了先決條件，潮濕的腐蝕環境使接觸表面形成電解液，這種濃縮的表面溶液通過表面缺陷在金和鎳之間提供了一條低電導率的電解路徑[17]。

腐蝕10 個循環周期后，樣品3 的表面形貌如圖4c 所示。可以看出，微孔數量明顯增多，且部分坑蝕較大。鍍金表面的陰極部分比孔底的微小鎳點面積大得多。陽極鎳被迫提供電子，腐蝕速率加快。隨著坑越來越深，腐蝕越來越嚴重，底部可用的氧氣越來越少，使得腐蝕速率增加，導致鎳層下的銅基體腐蝕。鎳層下銅基體的大量下切會導致鍍層系統與基板的附著力變差，從而可能導致鍍層脫落。

樣品4 的部分鍍層開始脫落，基體腐蝕的形貌特點如圖4d 所示。經歷過15 個循環周期后，插針表面部分鍍層脫落，基體表面被氧化形成絕緣或半絕緣的腐蝕產物，阻止電流流過金屬接觸表面，這就是膜層電阻產生的原理[18]，如圖7 所示。

圖7 膜層電阻示意圖Fig.7 Schematic diagram of film resistance

1.3 接觸電阻

接觸電阻是衡量電連接器信號傳輸性能的重要指標[19]，主要由收縮電阻和膜層電阻構成。隨著腐蝕程度加重，接觸電阻逐漸變大，必將對插頭和插座直接接觸的金屬表面傳輸電流和信號的質量產生影響。采用AT515 精密電阻儀對4 個不同腐蝕程度的樣品進行測試，得到每個樣品每組接觸件的接觸電阻，每組接觸件測3 次取平均值，最后算出每個樣品所有插針的平均值。測量結果見表2。

表2 接觸電阻測量結果Tab.2 Contact resistance measurement results mΩ

樣品1 沒有參與腐蝕加速試驗，接觸電阻值相對穩定，且阻值較小，均小于3 mΩ。樣品2 的接觸電阻分布在3～11 mΩ，分布較為分散。樣品3 的接觸電阻分布在7～19 mΩ，也呈現一定的隨機性。樣品4 的接觸電阻分布在15～36 mΩ，分布更為廣泛。樣品2、3、4 經歷了不同循環次數的腐蝕加速試驗，它們的接觸電阻值總體上呈現遞增的趨勢。與樣品1 接觸電阻均值相比，樣品2 增加了3.4 倍，樣品3 增加了7.2 倍，樣品4 增加了13 倍。譚曉明等[8]做過同類型試驗，測量了酸性鹽霧條件下加載電流的電連接器的接觸電阻，試驗時間為336 h，接觸電阻從0.4 mΩ 增加到4.8 mΩ，增加了11 倍。各樣品接觸電阻的均值基本上能反映出其腐蝕程度，與1.2 節形貌觀測的結果相對應。

2 腐蝕對信號傳輸的影響

如果只考慮接觸電阻，就使得觸點退化對信號傳輸的影響僅僅表現為能量或信號的衰減。但是電連接器退化后，由于接觸面凹凸不平、表面劣化（表面腐蝕、氧化、水膜等）、觸點結構形式等因素，觸點并不是一個理想電阻[20]。另外，接觸電阻是在不大于100 mV 的直流電壓下測得的，與電連接器實際工作電壓相差較大，因此電連接器的接觸電阻并不能完全反映出其退化后對信號傳輸的影響，有必要作進一步的分析研究。

2.1 電接觸模型

腐蝕退化后的接觸表面分為3 種區域[21]，如圖8所示。第1 種是金屬直接接觸區域，如位置（1）所示，該區域可以看成是霍姆接觸模型，電流在接觸點處發生收縮，使得電流線彎曲，傳輸路徑延長，產生了收縮電阻。第2 種是金屬–腐蝕膜–金屬接觸區域，為半導體區，該區域中接觸表面被氧化膜層所覆蓋，其中一部分為氧化膜極薄時通過隧道導電的觸點，產生了位置（2）的膜層電阻；另一部分為完全絕緣膜，將金屬分隔開，從而產生了位置（3）的膜層電容。第3 種是金屬–空隙–金屬接觸區域，該區域中金屬之間無直接接觸，為絕緣區，如位置（4）所示，該區域產生了非接觸電容。

圖8 電接觸模型Fig.8 Electrical contact model

這3 種區域并不是單獨存在的，它們共同位于腐蝕樣品的接觸表面，腐蝕退化后的接觸表面就可以等效成電阻和電容并聯組成的電路模型，如圖 9所示。因此，在信號電路中不能忽視電容的影響，下面通過試驗研究腐蝕的電連接器接觸表面對信號波形的影響。

圖9 等效電路模型Fig.9 Equivalent circuit model

2.2 試驗設計

本節試驗用到的儀器包括信號發生器和示波器，將之前的試驗樣品“J”針位接觸件串聯到兩儀器之間，如圖10 所示。信號發生器產生一組方波信號，幅值為3 V，頻率分別為2、10、100 kHz。信號分成2 路同時等距傳輸給樣品1 和樣品2，2 路信號再等距傳輸到示波器用于顯示測量和比較分析。然后分別用樣品3 和樣品4 代替樣品2 做相同的試驗。以樣品1 的波形為基準，將其余3 個樣品的波形與其進行對比。測量的參數包括相位差、上升時間和過沖。

圖10 試驗方法Fig.10 Schematic diagram of test method

相位差就是相位失真。相位差的產生是由于電容和電感對交流信號（電壓或電流）具有延遲作用。當一個交流信號經過電容、電感和電阻的時候，總會有一個充放電的過程，這會導致這個交流信號的幅度變化時間“向后”推遲一段時間[22]，如圖11 所示。本試驗所研究的相位差指的是樣品2、3、4 分別與樣品1比較得到的相位差。

圖11 相位差Fig.11 Schematic diagram of phase difference

信號的上升時間是指脈沖瞬時值最初到達規定下限和規定上限的兩瞬時之間的間隔。一般下限和上限分別定為脈沖峰值幅度的10%和90%[23]。對于飛機電控制信號，通常是方波信號，其上升沿非常陡峭。過沖就是第一個峰值或谷值超過設定電壓，對于上升沿是指最高電壓，而對于下降沿是指最低電壓，如圖12 所示。過高的過沖能夠引起假的時鐘或數據錯誤，甚至能夠導致電路元器件過早地失效[24]。過沖的計算公式為

圖12 上升時間和過沖Fig.12 Schematic diagram of rise time and overshoot

2.3 測量結果分析

3 組測量結果見表3—5。所測方波信號的幅值幾乎一樣，因此未在結果中展現。這也說明本試驗所用樣品的接觸電阻較小，造成的能量損失也較少。

表3 f=2 kHz 時的測量結果Tab.3 Measurement results at f=2 kHz

表4 f=10 kHz 時的測量結果Tab.4 Measurement results at f=10 kHz

表5 f=100 kHz 時的測量結果Tab.5 Measurement results at f=100 kHz

從表3—5 中可以看出，相位差、上升時間和過沖的變化趨勢基本一致，所有頻率下，3 個測量參數都隨腐蝕程度的增加而增加。當信號頻率升高時，所有樣品的3 個測量參數也會相應增加。

電連接器的接觸表面可以看成電阻與電容并聯的結構。當電連接器的腐蝕程度增加時，電阻和電容都有不同程度的增加，主要是電容的影響造成信號相位差、上升時間和過沖變大。電連接器的信號傳輸性能不僅與腐蝕程度有關，而且與頻率相關[25]。當頻率較小時，電容處于斷路狀態，信號主要通過電阻傳輸，則信號的相位差較小，上升時間和過沖增加也較少。隨著頻率的增大，容抗值減小，信號通過電容的分量增大，電容對信號的影響作用凸顯，造成信號的相位差增大，信號的上升時間和過沖增加的幅度也變大。

3 結論

1）鹽霧和交變濕熱加電應力環境對航空電連接器接觸表面腐蝕作用明顯，隨著腐蝕周期的增加，插孔表面蝕坑越來越多，面積越來越大，直至部分鍍層脫落。基體金屬暴露在鹽霧和交變濕熱環境下極容易形成腐蝕膜層。

2）潮濕鹽霧侵入電連接器內部是導致接觸電阻升高的直接原因。接觸電阻在加速試驗的5 個循環之后，已經有較大變化，后期增加更為明顯。變化的主要原因在于潮濕鹽霧在毛細作用和呼吸作用下，滲入電連接器殼體螺紋口、定位槽等部位，從而進入電連接器內部，造成部分環境下的水分和氯離子等腐蝕介質含量持續增加。

3）接觸電阻雖然是衡量電連接器接觸性能的重要指標，但并不能完全反映出腐蝕對信號傳輸的影響。當接觸電阻較小時，電連接器的信號傳輸性能主要與接觸面間的電容有關，并且與信號頻率相關。電連接器腐蝕越嚴重，信號波形失真就越明顯。信號頻率越高，信號波形失真越顯著。