范小平，張勇強，孫革偉

(1.空軍裝備部駐綿陽地區(qū)第二軍事代表室；2.四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000)

1 前言

高真空分離機構如真空分離連接器，是星箭分離、巡視器與著陸器成功分離的關鍵性器件。高真空分離電連接器選用彈簧釋放彈力克服針孔間的插拔阻力，實現(xiàn)頭座分離脫落。長周期高真空飛行任務中，分離電連接器接觸體部件將面臨真空冷焊的風險，其接觸體表面鍍覆層對防真空冷焊有著至關重要的作用。如果分離電連接器發(fā)生冷焊粘連，就會發(fā)生諸如星箭不分離、空間武器不能發(fā)射、著陸器無法著陸等致命的功能性障礙。因此，研究真空冷焊的發(fā)生機制，從發(fā)生機制上消除真空冷焊的不利影響，是真空分離連接器開發(fā)中的必要工作。

2 真空冷焊的發(fā)生機理

2.1 真空冷焊的概念[1]

真空冷焊是2005年經(jīng)全國科學技術名詞審定委員會審定發(fā)布公布的航天科學技術名詞。真空冷焊指：當器件處于超高真空環(huán)境中，器件運動部件的表面處于原子清潔、無污染狀態(tài)時，清潔、無污染金屬接觸面間原子鍵合造成的粘接現(xiàn)象。運動部件不能分離是真空冷焊嚴重時的表現(xiàn)。金屬活動部件面間過度摩擦造成凸點處局部焊接，導致金屬撕落、轉(zhuǎn)移，并進一步造成接觸件粗糙度增加的現(xiàn)象[2]，也是冷焊的表現(xiàn)。

選擇不當?shù)挠袡C材料壓力接觸界面，在環(huán)境溫度較高的高真空中震動摩擦條件下，也可能發(fā)生焊接，這是類似塑料的超聲波焊接；一些橡膠和塑料之間，因為壓力接觸界面兩側(cè)如含有增塑劑會相互擴散，也表現(xiàn)為焊接在一起，這兩種情況在真空環(huán)境和非真空環(huán)境都可以發(fā)生，都不在真空冷焊的范疇。

2.2 真空冷焊的發(fā)生場景和機理

超高真空(一般認為真空度達到10-6Pa，國標規(guī)定小于1.33×10-7Pa)、相同的金屬材料以及一定的壓力，是發(fā)生冷焊現(xiàn)象的幾個要素。在大氣環(huán)境下，因為各種雜質(zhì)氧化物及氣體的存在，看不到冷焊現(xiàn)象。一般的應用也很難觸及到超高真空。在超高真空條件下，當固體表面吸附物以氣體方式逸出，各種有機污染膜解析消失，固體表面相互接觸時，在接觸壓力、震動摩擦作用下，金屬表面的氧化膜被破壞，為金屬接觸界面形成金屬鍵提供了條件，界面兩邊的金屬原子便會相互擴散發(fā)生粘合現(xiàn)象，加上熱擴散作用，在一定的壓力負荷下就會產(chǎn)生進一步整體粘著，這就是真空冷焊的發(fā)生[3]。

在分離(脫落)連接器中，金屬殼體之間、殼體與屏蔽環(huán)之間、接觸件之間是可能發(fā)生真空冷焊的接觸副。典型的脫落連接器在輸入機械分離力或電流后實現(xiàn)插頭和插座的分離，工作過程如圖1；脫落電連接器插頭外形結構如圖2；脫落電連接器插座外形結構如圖3。

圖1 脫落連接器分離示意圖

圖2 脫落電連接器插頭外形結構圖

圖3 脫落電連接器插座外形結構圖

在高真空環(huán)境中，分離連接器插頭插座在長期插合的情況下，拉桿機構和鎖緊套的金屬接觸面長時間接觸或者因為隨機振動等造成的過度磨損而發(fā)生"粘接"，可能導致在通電后或者施加機械拉力情況下插頭插座無法有效分離"卡住"的現(xiàn)象發(fā)生。另外，金屬殼體之間和電接觸對之間，對偶材料均為金屬，也可能產(chǎn)生冷焊而影響分離。

3 連接器防真空冷焊的措施

要防止真空冷焊的發(fā)生，當然要熟知以下諸多利于冷焊的條件：金屬惰性或者能得到新鮮清潔表面；能使對偶表面在較長時間內(nèi)維持新鮮清潔狀態(tài)；金屬越軟，塑性越大，越易于冷焊 ；溫度升高，金屬塑性增加，利于冷焊；對偶面正壓力增大，利于金屬原子的塑性流動，利于冷焊；摩擦可持續(xù)產(chǎn)生新鮮清潔表面，利于冷焊。

一般而言，防范冷焊發(fā)生可采取包括不限于以下的措施：

(1)提高對偶金屬硬度，增加表面耐磨性，對偶件表面原子接觸數(shù)量少，形成的金屬鍵合僅限于表面凸點上層的幾十個原子層，與金屬材料抗拉、抗折強度相比，完全忽略不計，如鍍硬鉻、鍍化學鎳；

(2)鍍覆既耐低溫、又抗高溫的潤滑膜，如鍍覆MoS2膜或WS2膜、PTFE薄膜、PTFE+ MoS2薄膜、PI+ MoS2薄膜、涂覆分子量5000左右的全氟聚醚潤滑脂或高真空硅酯；

(3)鍍覆含MoS2或PTFE納米顆粒的自潤滑復合鍍鎳層；

(4)對偶件使用耐磨的非金屬材料如剛玉陶瓷、氧化鋯陶瓷等；

(5)對碳鋼和不銹鋼進行QPQ處理，在工件表面生成雙層的氮化層，對于黑色金屬表面化合層可達到10 25微米深度，擴散層深達0.3 0.8 mm，具有表面烏黑發(fā)亮的色澤，化合層均勻性極佳，表面硬度高，有很高的耐磨性、耐腐蝕性；

(6)物理氣相沉積氮化鈦膜(PVD-TiN)；

(7)物理化學氣相沉積類金剛石膜(PCVD-DLC)，DLC即diamond-like carbon，由碳元素構成，與鋼的結合強度高，在性質(zhì)上和鉆石類似，同時又含石墨結構。DLC是一種非晶態(tài)薄膜，具有高硬度和高彈性模量，低摩擦系數(shù)，耐磨損以及真空摩擦學特性；DLC鍍層是含有金剛石結構(sp3鍵)和石墨結構(sp2鍵)的亞穩(wěn)非晶態(tài)物質(zhì)，碳原子主要以sp3和sp2雜化鍵結合。DLC膜的厚度只有幾微米(理論為0.003mm)，一般達到以下特性：鍍層硬度 8000 HV；摩擦系數(shù)0.05 0.2；涂層厚度：0.5 10 μm；最高耐熱 800 ℃。

常用的幾種抗真空冷焊膜參考特性對比如表1。

表1 常用的幾種抗真空冷焊膜參考特性對比

在本連接器上因接觸面見可能發(fā)生的真空冷焊現(xiàn)象而是連接器不能正常分離的面接觸零件有：鋼珠和鎖套、鋼珠和拉桿、軸套和拉桿、壓筒和鎖緊套、壓筒和軸套、軸套和鎖緊套、插針和插孔、鋼珠和軸套、鋼珠和壓筒、頭殼體與座殼體。如果上述零件之間發(fā)生真空冷焊現(xiàn)象，可能到導致產(chǎn)品無法解鎖，或者解鎖后插頭與插座不能正常分離。

3.1 鎖緊機構的防真空冷焊措施

鎖緊機構由鎖緊圈、壓筒、陶瓷珠、芯軸、軸套、彈簧等零件組成。鎖緊圈安裝在插座上，其它零件安裝在插頭上，芯軸后部帶有彈簧，與軸套和壓筒配合，三個陶瓷珠在軸套圓周均勻分布(如圖4所示)。插合時，壓筒在鎖緊圈的壓力作用下向后移動，當陶瓷珠進入鎖緊圈的凹槽位置時，陶瓷珠被芯軸在彈簧的推動下向外擠入鎖緊圈的凹槽內(nèi)，從而實現(xiàn)鎖緊功能。分離時，在芯軸尾部施加一定的機械拉力，芯軸克服彈簧的壓力向后移動，同時陶瓷珠被壓筒在彈簧壓力的作用下向內(nèi)收縮，直至陶瓷珠進入壓筒內(nèi)，從而實現(xiàn)解鎖功能。

圖4 鎖緊機構結構圖

插合狀態(tài)下拉桿機構相接觸的金屬零件是鎖緊圈、滾珠、軸套、芯軸，還有壓筒和彈簧與軸套接觸。鎖緊圈、軸套、壓筒和軸套均采用高強度合金鋼，進行類金剛石膜層DLC鍍覆。

就常規(guī)的方法而言，在長期高真空環(huán)境中使用的話，鎖緊套表面可以鍍覆MoS2和WS2膜層防止冷焊,但因為硫化鎢膜和硫化鎢膜剪切強度都低，更大的作用是在潤滑性能方面，對小面積的接觸面鍍覆MoS2膜、WS2膜層會存在摩擦掉粉的現(xiàn)象。含二硫化鉬的PTFE或PI涂層，抗冷焊性能和潤滑性也很好，但是屬于有機涂層為基礎，比較厚，精密零件上使用可能影響裝配。而類金剛石膜層DLC更耐磨，同樣具備更大高低溫范圍的潤滑、防冷焊性能。DLC膜層是金剛石和石墨的混合結構，具有極高的機械性能外，還具有最高的化學穩(wěn)定性。所以在精密小產(chǎn)品的耐磨、潤滑、防冷焊場合選擇DLC膜層而不用二硫化鎢和二硫化鉬鍍層。

3.2 殼體之間防真空冷焊的措施

對于真空環(huán)境中殼體間接觸面，因殼體本身不是運動部件，雖然接觸面冷焊風險低，但還是作必要的防范。殼體一般是鋁合金基材，采用真空鍍覆MoS2和WS2膜層雖然具備導電的作用，但膜層的耐腐蝕性并不好。事實上，因為頭座插合后重疊距離長且間隙很小，脫落連接器一般的電磁屏蔽還是容易滿足的，那么殼體噴砂陽極氧化后涂覆PTFE+ MoS2薄膜或PI+ MoS2薄膜是綜合地保證耐蝕性、耐磨性、潤滑性的最好方式，考慮聚酰亞胺(PI)的高溫穩(wěn)定性高于PTFE，最終采用鋁合金殼體噴砂后陽極氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜。

3.3 接觸件之間防真空冷焊的措施

采用雙曲線簧插孔接觸件，因為接觸正壓力較小(一般5絲線簧接觸對的保持力在0.5 N左右，按0.2的摩擦系數(shù)，每根絲接觸點正壓力就是0.5 N)，即使線簧絲和插針都只鍍鎳打底的耐磨金，發(fā)生真空冷焊的程度也較低。

但是為了保證更加可靠，可以參考的解決方案是線簧孔鍍鎳鍍金，而插針表面鍍鎳2/金1.27/釕0.2，利用釕的高硬度、高熔點及表面幾十個原子層厚度的氧化膜，發(fā)揮抗真空冷焊的效果。最簡單的辦法是，插針表面涂超低蒸汽壓的電接觸保護劑如氟代聚醚脂(PFPE)，在2 3 MPa的視在接觸壓力下，接觸電阻并不會增加。

分子量5000左右的全氟聚醚潤滑脂在高溫軸承上廣泛使用，本身絕緣性好，而在金屬表面的薄膜基本上不影響接觸電阻，并耐高溫，在-55 ℃ +200 ℃左右基本上沒有分解揮發(fā)，可避免運動部件之外接觸面的冷焊。根據(jù)文獻介紹，全氟聚醚在航天及其他領域廣泛應用：主要由于其不燃性，全氟聚醚用于宇航員壓力服裝的固定件及運動部件，也曾成功地用于航天飛機上天線系統(tǒng)的軸承；此種油也被證實滿意地用于在其他空間飛船上支撐太陽能電池的轉(zhuǎn)臂、允許其延伸的軸承的潤滑；全氟聚醚也用于空間飛船上裝設的電位計的滑線。此油使磨損減至最小，并且不會移動到系統(tǒng)的其他部件上；在核電站中，全氟聚醚用作在暴露于輻射的區(qū)域內(nèi)操作的泵的軸承潤滑油，在這種情況下，輻射使常用石油潤滑油迅速分解，而全氟，聚醚油能長周期無明顯分解地操作。有記錄表明, 全氟聚醚在暴露于輻射的區(qū)域內(nèi)操作的泵的軸承潤滑900 h運行后，粘度僅變化2%，未形成油泥或膠質(zhì)。因其優(yōu)越的氧化安定性及不生成膠質(zhì)，全氟聚醚油用作不同種類儀表軸承、寶石軸承及樞軸的潤滑油。全氟聚醚油的壽命接近無限期。

3.4 殼體和屏蔽環(huán)之間防真空冷焊的措施

頭座殼體插合界面，有屏蔽環(huán)過渡。除了常規(guī)意義的電磁屏蔽作用，屏蔽環(huán)在機械上起著平衡四周間隙寬度、柔順插拔的使用效果。

如果外殼鍍高磷化學鎳，一方面鍍層硬度高，在450 HV以上，另一方面高磷鎳鍍層中含磷量按原子百分比可達22%，高磷鎳內(nèi)部化學鍵偏離金屬鍵就較多，經(jīng)過鈍化后，其最表面大量的化學成分是磷化鎳和磷酸鎳膜，與電鍍鎳的屏蔽環(huán)產(chǎn)生冷焊的程度極低，疊加涂覆高真空潤滑硅脂或者氟代聚醚脂(PFPE)將能完全避免冷焊發(fā)生。當然，采用含PTFE微粒的復合化學鍍鎳層肯定可以防止真空冷焊。

頭座殼體之間的電連續(xù)性對本產(chǎn)品并非必須，內(nèi)部射頻接插件本身有電磁屏蔽設計，連接器金屬外殼插合也有足夠深度，即使金屬殼體的表面不導電也不影響分離連接器的電磁屏蔽性能。頭座殼體采用PI-MoS2膜防冷焊，屏蔽環(huán)作常規(guī)的低應力鎳鍍覆處理。

4 分離連接器真空冷焊試驗驗證

本文設計了一款真空分離連接器，其中鎖緊機構的防真空冷焊措施是采用DLC膜，鋁合金頭座殼體之間防真空冷焊措施是采用噴砂后陽極氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜，低接觸壓力的雙曲線簧插孔接觸對的防真空冷焊措施是在硬金鍍層插針表面涂超低蒸汽壓的氟代聚醚脂(PFPE)，并進行驗證。

4.1 低溫真空冷焊試驗驗證

將插合好的連接器懸掛在真空罐內(nèi)，先在低溫(-55±3)℃、真空度為1.3×10-7Pa的環(huán)境條件下保持24小時，在罐內(nèi)不加負載，從罐中取出試驗樣品，并恢復到室溫后進行規(guī)定的分離試驗。試驗2套產(chǎn)品，分離力在設計的35 100 N之間，未發(fā)生冷焊現(xiàn)象。

4.2 高溫真空冷焊試驗驗證

將插合好的連接器懸掛在真空罐內(nèi)、抽真空至1.3×10-7Pa，溫度升至(80±2)℃(真空度按設備上限執(zhí)行)，并通過1 A負載電流(可將接觸件串聯(lián))保持96小時后，從罐中取出試驗樣品，并恢復到室溫后進行規(guī)定的分離試驗。試驗2套產(chǎn)品，分離力在設計的35 100 N之間，未發(fā)生冷焊現(xiàn)象。

5 結語

真空分離連接器防真空冷焊通過材料和鍍覆層來保證。其中，鎖緊機構的防真空冷焊措施是采用DLC膜，鋁合金頭座殼體之間防真空冷焊措施是采用噴砂后陽極氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜，低接觸壓力的雙曲線簧插孔接觸對的防真空冷焊措施是在硬金鍍層插針表面涂超低蒸汽壓的氟代聚醚脂(PFPE)。經(jīng)過低溫真空冷焊試驗和高溫真空冷焊試驗，驗證上述措施是充分有效的。