王騰，郁大照，朱蒙，肖楚琬，李明，王泗環(huán)

（1. 海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264001；2. 中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100000）

電連接器是用于實現(xiàn)器件、組件和系統(tǒng)之間電信號和相關(guān)控制信號傳輸?shù)幕A(chǔ)性元件，具有應(yīng)用的廣泛性與功能的不可替代性[1]，這些特性使電連接器的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性成為影響整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵一環(huán)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在各種電氣系統(tǒng)的失效和故障現(xiàn)象中，70%是由元器件的失效產(chǎn)生的，這其中有40%由電連接器的失效直接或間接導(dǎo)致[2-3]。以美國、日本為首的發(fā)達(dá)國家也一直致力于電連接器的可靠性分析與研究。美國相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-22飛機(jī)電連接器失效的主要原因大多是由振動、溫濕度變化、鹽霧等環(huán)境因素影響下的磨損和腐蝕導(dǎo)致的，此類問題在F-16、B-1、F-15、B-2、F/A-18等機(jī)型上同樣存在。Stefan M. Glista從電連接器的設(shè)計、分析測試、子系統(tǒng)測試、飛機(jī)總體的地面和飛行測試、壽命管理和質(zhì)量控制五個方面來研究電連接器的磨損和振動導(dǎo)致的失效問題，并提出了降低由環(huán)境因素導(dǎo)致的故障率的方法[4]。余俊以Y11P-1419型電連接器（航空插頭）為研究對象，通過加速退化試驗研究插拔對電連接器接觸性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)插拔行為會加速電連接器的退化，造成電連接器接觸電阻退化曲線的跳變，插拔次數(shù)越多，跳變幅度越大[5]。申敏敏[6]以相同型號電連接器為研究對象，針對電連接器在溫度應(yīng)力下性能退化的特點，建立了基于布朗運(yùn)動的電連接器接觸性能退化模型。通過基于White法和Breusch-Pagan法的接觸性能退化模型進(jìn)行檢驗，驗證了所建模型的正確性。

對于飛機(jī)上長期使用的電連接器故障樣品直接進(jìn)行檢查分析的研究較少，尤其是對長期處于海洋環(huán)境下的海軍飛機(jī)上裝備的電連接器的直接研究。在海軍飛機(jī)的整體系統(tǒng)中，電連接器是各類涉電部附件的必需組件。海軍飛機(jī)電連接器受海洋環(huán)境和振動等因素影響較大[7-8]，工作環(huán)境惡劣，對可靠性和維護(hù)性要求高。因此，對海軍飛機(jī)電連接器失效的原因和過程進(jìn)行相關(guān)分析具有重要意義。

1 電連接器失效樣品研究方案

1.1 研究對象

研究對象是海軍某型飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)三種型號的故障電連接器插孔端。電連接器樣品安裝于飛機(jī)起落架艙，屬于GJB 599A系列，殼體為鋁合金鍍軍綠鎘，尾部有螺紋，可安裝后附件。接觸件為銅合金鍍金（過渡層為鎳），鍍金層厚度為1.27 μm。三種接觸件型號分別為：JY27467T09B35SN，6根插針，額定電流為5 A；JY27467T13B98SN，10根插針，額定電流為7.5 A；JY27467T11B4S，4根插針，額定電流為7.5 A。

這三型電連接器安裝位置暴露于自然大氣環(huán)境中，所屬飛機(jī)長期使用于渤海沿岸機(jī)場和海上平臺，在停放和使用的全周期中，受海洋大氣環(huán)境持續(xù)影響。日常維護(hù)保養(yǎng)以機(jī)務(wù)人員對接觸件的清潔為主，清洗劑的主要成分為酒精。故障樣品的使用基本情況見表1。

1.2 失效現(xiàn)象

JY27467T09B35SN樣品a所屬飛機(jī)在周期性檢查工作中出現(xiàn)一次起落架未能正常收放故障，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，起落架收放控制電路出現(xiàn)電流瞬斷。在經(jīng)過機(jī)務(wù)人員對電連接器接觸件進(jìn)行清洗和再裝配后，電流瞬斷現(xiàn)象重現(xiàn)。通過擴(kuò)大面檢查發(fā)現(xiàn)，總共在3種型號共5件電連接器上都出現(xiàn)了電流瞬斷現(xiàn)象。

表1 故障樣品使用基本情況

1.3 研究方法

對故障件中電流瞬斷現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)頻率高的樣品a、樣品c和樣品d進(jìn)行研究分析，通過拆除尾端連接導(dǎo)線的方式，將失效電連接器從飛機(jī)上拆下。拆解過程中并不破壞其原有狀態(tài)，拆解后的樣品在貯存、運(yùn)輸過程中保持干燥密封，未曾破壞、污染原有表面物質(zhì)。實驗室對電連接器插孔端進(jìn)行外觀檢查、接觸面檢查和相關(guān)判定，使用Quanta400掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，使用Link2SISI能譜儀分析表面物質(zhì)的組成成分，對失效過程進(jìn)行研究[9-11]。

2 電連接器的損傷狀態(tài)檢查結(jié)果

2.1 電連接器的宏觀形貌

電連接器JY27467T09B35SN插孔端外觀形貌如圖1、圖2a所示，電連接器JY27467T13B98SN插孔端外觀形貌如圖2b所示，電連接器JY27467T11B4S插孔端外觀如圖2c所示，電連接器損傷狀態(tài)檢查結(jié)果見表2。

2.2 電連接器的微觀形貌與組分鑒定

對三種型號的電連接器分別進(jìn)行微觀形貌觀察與組分鑒定，發(fā)現(xiàn)三種型號的電連接器損傷類型相似，組分鑒定結(jié)果基本一致。其中JY27467T11B4S型號的電連接器微觀形貌辨識度最高（如圖3所示），因此以JY27467T11B4S型號電連接器為例，進(jìn)行損傷分析。

圖2 三種型號電連接器插孔端外觀形貌（拆解后）

2.2.1 殼體的微觀形貌與組分鑒定

JY27467T11B4S型電連接器殼體為鋁合金軍綠色鍍鎘，電鍍后表面采用鉻酸鹽鈍化。連接器殼體易受機(jī)械損傷的防滑鎖緊套表面的SEM微觀形貌如圖4所示。表面能夠清晰看到金屬構(gòu)件的機(jī)械加工痕跡，在結(jié)構(gòu)凸起部分，表面相對潔凈，在凹陷區(qū)域沉積有大量顆粒狀多余物，粒徑從幾個微米至幾十個微米不等。

對連接器殼體表面附著的白色粉末狀多余物進(jìn)行EDS分析，取樣點為圖5中譜圖1、譜圖2，分析結(jié)果見表3、表4。對軍綠色鍍鎘層表面進(jìn)行EDS分析，取樣點為圖5中譜圖3和圖6中的譜圖4、譜圖5，分析結(jié)果見表5、表6、表7。

表2 電連接器損傷狀態(tài)檢查結(jié)果

圖5 連接器殼體局部表面

表3 譜圖1 EDS分析結(jié)果

2.2.2 內(nèi)部插孔的微觀形貌與組分鑒定

對插孔進(jìn)行拆解，通過SEM觀察接觸面微觀形貌，如圖7所示。該插孔為開槽式，插孔口部收縮以提供接觸壓力。由于插針與插孔的同心度發(fā)生變化，由插拔導(dǎo)致的插孔內(nèi)部和插針表面磨損嚴(yán)重。插孔口部（如圖7a、c、f所示）存在大量明顯磨痕，磨痕的終點和磨痕的中部分布有片狀和顆粒狀物質(zhì)，初步判定多數(shù)為滑動磨損過程中形成的片狀金屬磨粒，個別物質(zhì)為外部多余物。在磨損嚴(yán)重的區(qū)域（如圖7f所示）出現(xiàn)了類似腐蝕坑的結(jié)構(gòu)。

對插孔內(nèi)表面典型磨粒進(jìn)行成分分析，取樣點如圖8、圖9所示，分析結(jié)果見表8、表9、表10。由圖8可見，磨粒為典型片狀金屬磨粒。EDS分析結(jié)果 表明，其主要成分為Au。表9為該磨粒造成的磨痕處的EDS分析結(jié)果，故障件插孔內(nèi)表面典型腐蝕位置EDS分析結(jié)果如圖10所示。

圖6 連接器殼體局部鍍層表面

圖7 插孔內(nèi)部局部區(qū)域表面微觀形貌

表4 譜圖2 EDS分析結(jié)果

表5 譜圖3 EDS分析結(jié)果

表6 譜圖4 EDS分析結(jié)果

表7 譜圖5 EDS分析結(jié)果

表8 圖9中譜圖6 EDS分析結(jié)果

表9 圖9中譜圖7 EDS分析結(jié)果

3 電連接器的損傷原理分析

3.1 電連接器的殼體損傷分析

將圖4的SEM觀察結(jié)果與新出廠樣品仔細(xì)對比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過較長時間外場使用的電連接器表面會出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，致使鍍層現(xiàn)有表面狀態(tài)與原始表面狀態(tài)差異較大。圖4觀察到的表面形貌為鍍層輕微腐蝕后致密的腐蝕產(chǎn)物膜龜裂的形貌。電鍍鎘層作為一種犧牲陽極性防護(hù)層，其腐蝕產(chǎn)物膜對腐蝕介質(zhì)的阻礙作用對腐蝕防護(hù)效果具有顯著影響。從外觀來看，軍綠色 鈍化膜顏色暗淡，也與鍍層表面覆蓋的腐蝕產(chǎn)物膜有直接關(guān)系。在容易受到機(jī)械損傷的局部表面，微觀上同樣可以觀察到鍍層腐蝕產(chǎn)物的堆積，但相對其他位置，堆積程度不夠明顯。

圖10 插孔內(nèi)部典型局部腐蝕位置微觀形貌及EDS分析

由殼體螺紋凹陷處的表面粉末EDS分析結(jié)果可知，表面粉末的主要成分有Na、Mg、Si、K、Cl等元素。Na、Mg、K、Cl等元素是海鹽中的主要元素，灰塵中富含Si元素，因此初步判定表面粉末主要是海鹽和灰塵在表面的沉積。海鹽、灰塵以及連接器表面鈍化膜或腐蝕產(chǎn)物膜都含有O元素。Cr元素來源于鉻酸鹽鈍化膜，Cd元素來源于電鍍鎘層或電鍍層的腐蝕產(chǎn)物膜（EDS測試所接收的特征X射線溢出深度較大）。S元素可能來源于海鹽或灰塵中的硫酸根離子，但更有可能來源于大氣污染物（殼體表面S元素含量相對較高）。該產(chǎn)品在海上平臺使用，起飛降落過程受到空間的限制，容易受到艦船或飛機(jī)排放廢氣的影響，SO2等污染物吸附在表面或直接溶入表面的微液膜中。在不能及時清洗掉的情況下，SO2溶入表面液膜形成的硫酸鹽干燥結(jié)晶，與表面沉積的灰塵和海鹽顆?；旌显谝黄穑远嘤辔锏男问礁采w在表面。

由軍綠色鍍鎘層表面的EDS分析結(jié)果可知，產(chǎn)生龜裂的腐蝕產(chǎn)物膜的主要元素為O、Cd和Cr元素。Cr元素的比重較大，認(rèn)定鍍層表面含Cr鈍化膜破損但尚未完全喪失保護(hù)作用。分析結(jié)果表明，鍍層目前狀態(tài)處于其腐蝕歷程的初期，殼體鋁合金基體并未出現(xiàn)腐蝕，表面電鍍鎘層仍具有良好的防護(hù)能力。在結(jié)構(gòu)的凹陷處，仍可檢測到少量的S元素，應(yīng)為污染物在表面溶解累積的結(jié)果。在譜圖4所示的局部腐蝕產(chǎn)物堆積處，元素以O(shè)和Cd為主。說明該位置由于機(jī)械損傷等原因，鍍層表面的含Cr鈍化膜已失去屏蔽作用，造成鍍層局部腐蝕加速，產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物堆積，但未傷及鋁合金基體。

3.2 電連接器的插孔損傷分析

從圖7中的插孔磨損痕跡判斷，插針插入的深度約為2.5 mm。在插合狀態(tài)下，插針和插孔的接觸面主要存在兩個區(qū)域：一個是插孔口部；另一個是插針頭部邊緣與插孔內(nèi)部接觸的區(qū)域（插孔內(nèi)部約2.5 mm處）。

在多次的插拔過程中，接觸件表面鍍金層損傷后，外部腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入微孔，引起局部腐蝕，產(chǎn)生腐蝕坑。由于插拔過程對表面腐蝕產(chǎn)物和腐蝕坑結(jié)構(gòu)的破壞，使得腐蝕產(chǎn)物特征并不明顯。在插孔中部（如圖7d、g所示），表面分布有明顯的貫穿性磨痕。在靠近插合狀態(tài)插針頭部所處區(qū)域，磨痕現(xiàn)象中斷。磨痕終點處，片狀磨粒分布明顯。在插合狀態(tài)，插針頭部與插孔結(jié)合部位（如圖7e和h所示）磨痕密度較大，磨痕終止現(xiàn)象增多，多余物有堆積現(xiàn)象，應(yīng)與磨粒的累積有關(guān)。同時，該部位出現(xiàn)了多個尺寸在10～30 μm的局部磨損嚴(yán)重區(qū)域，鍍層損傷嚴(yán)重，磨痕尺寸細(xì)密，周圍多余物堆積明顯。根據(jù)現(xiàn)象判斷屬于微動磨損，初步推測為飛機(jī)飛行過程中，振動應(yīng)力或溫度變化造成插針插孔間微小的相對磨損導(dǎo)致。由于鍍層損傷嚴(yán)重，該部位出現(xiàn)了局部腐蝕的跡象。

連接器的插入力往往大于拔出力，這是由于插針張開插孔時所需的力以及插針與插孔同心度較差時所產(chǎn)生的附加力等造成。無論是插入還是拔出時，針孔接觸界面都可能會有磨損顆粒及粘結(jié)的磨粒。這些顆粒因為冷作硬化而硬度升高，容易鑲嵌或粘結(jié)在界面上，使接觸表面產(chǎn)生擦傷。

該連接器接觸件的表層為鍍金層，插拔可視為同種材料組成的針與平面之間的滑動過程，因此可認(rèn)為是金-金之間發(fā)生滑動磨損。金-金滑動磨損可分為四個進(jìn)程：

1）磨粒的形成。當(dāng)針孔接觸時，在一定壓力的作用下產(chǎn)生粘結(jié)，滑動后，粘結(jié)部分被切斷，并繼續(xù)粘結(jié)產(chǎn)生了磨粒。

2）磨粒的滑動。當(dāng)兩個接觸面進(jìn)行滑動時，磨粒粘結(jié)在接觸面上，因此針孔之間的滑動都是磨粒與平面之間滑動。

3）磨粒被加工硬化。在摩擦過程中，磨粒逐漸被加工硬化，其硬度比接觸面上的金屬大，從而擦傷表面，接觸面不僅因粘結(jié)損失金屬，而且也因磨粒的擦傷而損失金屬。

4）磨粒的嵌入。若滑動方向不變，磨粒增大到一定程度時，便脫落而嵌入孔的表面，使得針、孔重新接觸。光滑表面上經(jīng)過滑動后將變得粗糙不平，如圖11所示。

圖11 滑動磨損界面擦傷原理

另外，在外場使用過程中，由于維護(hù)、檢修等操作，也會造成外部多余物附著在插針或插孔表面作為磨粒，使得插拔過程中表面鍍層磨損加劇。

從圖8的EDS分析結(jié)果可知，磨粒的主要成分是Au，說明該磨粒為插針和插孔滑動磨損時由表面鍍金層累積、強(qiáng)化生成。觀察到的元素還包括O元素，其主要原因在于測試采用的是區(qū)域測試，磨粒周圍腐蝕產(chǎn)物對測試造成了干擾。同時也說明，在磨損嚴(yán)重區(qū)域，隨著腐蝕介質(zhì)的侵入，形成局部Au-Ni甚至Au-Cu原電池結(jié)構(gòu)，加劇腐蝕發(fā)生。圖9中譜圖6所示磨粒中除了含有Au外，還含有Si、Ca和Ni元素，其中Ni元素可能來源于鍍金層下方的Ni層，鍍金層破損或減薄后被檢測到。而Si和Ca元素的存在，說明該磨粒最先來源于外部灰塵，灰塵顆粒硬度高，在插拔過程中損傷鍍金層，并與脫落的鍍金層強(qiáng)化在一起形成磨粒。磨痕處鍍金層尚保持連續(xù)，磨損深度沒有貫穿鍍金層。

在圖9譜圖7所示的測試位置檢測到Cl元素，初步判斷為海面鹽霧侵入所致。腐蝕產(chǎn)物的出現(xiàn)，導(dǎo)致O元素含量高。由于滑動磨損和微動磨損的存在，腐蝕產(chǎn)物膜容易受到破壞，腐蝕產(chǎn)物累積不明顯。EDS測試結(jié)果中，Ni、Cu元素的存在表明鍍金層局部被破壞后，過渡鍍Ni層和插孔的Cu基體均在Au的加速作用下發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物遷移，到達(dá)插孔表面。

插孔內(nèi)表面疑似腐蝕位置均屬于磨損嚴(yán)重區(qū)域，雖然鍍金層的孔隙容易成為腐蝕萌生的位置，但在實際使用狀態(tài)下，由于插拔、外來物、微動磨損等原因造成的鍍層破損處更容易成為腐蝕萌生位置。電連接器絕大多數(shù)時間處于插合狀態(tài)，外部水汽、腐蝕性介質(zhì)滲入緩慢，但在維修和維護(hù)的插拔和暴露過程中，鹽霧、灰塵等容易進(jìn)入內(nèi)部，加速電接觸表面的腐蝕。

4 結(jié)論

根據(jù)上述對電連接器外殼和插孔外觀和微觀形貌、成分的分析，可以初步得到以下結(jié)論。

1）外場使用的電連接器殼體（鋁合金軍綠色鍍鎘）腐蝕現(xiàn)象并不顯著，僅在容易受到機(jī)械損傷的防滑鎖緊套表面出現(xiàn)輕微腐蝕，腐蝕產(chǎn)物膜具有較好的阻礙腐蝕進(jìn)一步擴(kuò)展的作用。殼體表面容易積聚灰塵和海鹽顆粒，在一定的溫濕度條件下，會形成腐蝕性微液膜，為腐蝕提供有利條件。大氣污染物（SO2等）在表面的積聚，可能會對電連接器殼體的腐蝕產(chǎn)生影響。

2）插拔、振動和腐蝕的綜合作用導(dǎo)致了插孔表面損傷，損傷類型有同心度偏移、滑動磨損、微動磨損和局部腐蝕。機(jī)械損傷產(chǎn)生的多余物（滑動磨損產(chǎn)生的磨粒等）加上外部侵入的灰塵和海鹽顆粒共同作用，加劇了表面鍍層的損傷，損傷處為腐蝕萌生提供了良好的起始位置。飛機(jī)停放-飛行-停放的周期性任務(wù)狀態(tài)變化，造成各種損傷疊加、累積在一起，影響到接觸面的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、接觸力和多余物特征，進(jìn)而影響接觸電阻等電氣特性，導(dǎo)致了電連接器的最終失效。

3）建議加強(qiáng)外場使用中電連接器表面的清洗，及時清除表面海鹽、灰塵等多余物，降低酸性介質(zhì)成分在表面的積聚。盡量減少電連接器在外場的插拔操作，特別是在高濕度、高鹽霧的強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中的插拔操作，進(jìn)一步規(guī)范電連接器插拔操作。注意對插針、插孔兩端的臨時性防護(hù)，避免腐蝕性介質(zhì)的進(jìn)入。電連接器重新插合前，需要對插針、插孔端進(jìn)行清洗和干燥處理。