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(tái) 264001；2. 中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100000）

電連接器是用于實(shí)現(xiàn)器件、組件和系統(tǒng)之間電信號(hào)和相關(guān)控制信號(hào)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(jì)，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(guó)、日本為首的發(fā)達(dá)國(guó)家也一直致力于電連接器的可靠性分析與研究。美國(guó)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(dòng)、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(jì)、分析測(cè)試、子系統(tǒng)測(cè)試、飛機(jī)總體的地面和飛行測(cè)試、壽命管理和質(zhì)量控制五個(gè)方面來(lái)研究電連接器的磨損和振動(dòng)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(duì)象，通過(guò)加速退化試驗(yàn)研究插拔對(duì)電連接器接觸性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)插拔行為會(huì)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(hào)電連接器為研究對(duì)象，針對(duì)電連接器在溫度應(yīng)力下性能退化的特點(diǎn)，建立了基于布朗運(yùn)動(dòng)的電連接器接觸性能退化模型。通過(guò)基于White法和Breusch-Pagan法的接觸性能退化模型進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證了所建模型的正確性。

對(duì)于飛機(jī)上長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)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(dòng)等因素影響較大[7-8]，工作環(huán)境惡劣，對(duì)可靠性和維護(hù)性要求高。因此，對(duì)海軍飛機(jī)電連接器失效的原因和過(guò)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(duì)象

研究對(duì)象是海軍某型飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)三種型號(hào)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(guò)渡層為鎳），鍍金層厚度為1.27 μm。三種接觸件型號(hào)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(zhǎng)期使用于渤海沿岸機(jī)場(chǎng)和海上平臺(tái)，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(duì)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(guò)機(jī)務(wù)人員對(duì)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(guò)擴(kuò)大面檢查發(fā)現(xiàn)，總共在3種型號(hào)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)程中保持干燥密封，未曾破壞、污染原有表面物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(duì)失效過(guò)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(duì)三種型號(hào)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(hào)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(hào)的電連接器微觀形貌辨識(shí)度最高（如圖3所示），因此以JY27467T11B4S型號(hào)電連接器為例，進(jìn)行損傷分析。

圖2 三種型號(hào)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(duì)潔凈，在凹陷區(qū)域沉積有大量顆粒狀多余物，粒徑從幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米不等。

對(duì)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(diǎn)為圖5中譜圖1、譜圖2，分析結(jié)果見表3、表4。對(duì)軍綠色鍍鎘層表面進(jìn)行EDS分析，取樣點(diǎn)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(duì)插孔進(jìn)行拆解，通過(guò)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(diǎn)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(dòng)磨損過(guò)程中形成的片狀金屬磨粒，個(gè)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(duì)插孔內(nèi)表面典型磨粒進(jìn)行成分分析，取樣點(diǎn)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(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間外場(chǎng)使用的電連接器表面會(huì)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(yáng)極性防護(hù)層，其腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)腐蝕介質(zhì)的阻礙作用對(duì)腐蝕防護(hù)效果具有顯著影響。從外觀來(lái)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(duì)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(lái)源于鉻酸鹽鈍化膜，Cd元素來(lái)源于電鍍鎘層或電鍍層的腐蝕產(chǎn)物膜（EDS測(cè)試所接收的特征X射線溢出深度較大）。S元素可能來(lái)源于海鹽或灰塵中的硫酸根離子，但更有可能來(lái)源于大氣污染物（殼體表面S元素含量相對(duì)較高）。該產(chǎn)品在海上平臺(tái)使用，起飛降落過(guò)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(shí)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(cè)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(shuō)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(gè)區(qū)域：一個(gè)是插孔口部；另一個(gè)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(guò)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(guò)程對(duì)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(diǎn)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(shí)，該部位出現(xiàn)了多個(gè)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(dòng)磨損，初步推測(cè)為飛機(jī)飛行過(guò)程中，振動(dòng)應(yīng)力或溫度變化造成插針插孔間微小的相對(duì)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(shí)所需的力以及插針與插孔同心度較差時(shí)所產(chǎn)生的附加力等造成。無(wú)論是插入還是拔出時(shí)，針孔接觸界面都可能會(huì)有磨損顆粒及粘結(jié)的磨粒。這些顆粒因?yàn)槔渥饔不捕壬?，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(dòng)過(guò)程，因此可認(rèn)為是金-金之間發(fā)生滑動(dòng)磨損。金-金滑動(dòng)磨損可分為四個(gè)進(jìn)程：

1）磨粒的形成。當(dāng)針孔接觸時(shí)，在一定壓力的作用下產(chǎn)生粘結(jié)，滑動(dòng)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(dòng)。當(dāng)兩個(gè)接觸面進(jìn)行滑動(dòng)時(shí)，磨粒粘結(jié)在接觸面上，因此針孔之間的滑動(dòng)都是磨粒與平面之間滑動(dòng)。

3）磨粒被加工硬化。在摩擦過(guò)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(dòng)方向不變，磨粒增大到一定程度時(shí)，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(guò)滑動(dòng)后將變得粗糙不平，如圖11所示。

圖11 滑動(dòng)磨損界面擦傷原理

另外，在外場(chǎng)使用過(guò)程中，由于維護(hù)、檢修等操作，也會(huì)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(guò)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(shuō)明該磨粒為插針和插孔滑動(dòng)磨損時(shí)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(cè)試采用的是區(qū)域測(cè)試，磨粒周圍腐蝕產(chǎn)物對(duì)測(cè)試造成了干擾。同時(shí)也說(shuō)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(lái)源于鍍金層下方的Ni層，鍍金層破損或減薄后被檢測(cè)到。而Si和Ca元素的存在，說(shuō)明該磨粒最先來(lái)源于外部灰塵，灰塵顆粒硬度高，在插拔過(guò)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(cè)試位置檢測(cè)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(dòng)磨損和微動(dòng)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(cè)試結(jié)果中，Ni、Cu元素的存在表明鍍金層局部被破壞后，過(guò)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(shí)際使用狀態(tài)下，由于插拔、外來(lái)物、微動(dòng)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(shí)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(guò)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(duì)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(chǎng)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(huì)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(huì)對(duì)電連接器殼體的腐蝕產(chǎn)生影響。

2）插拔、振動(dòng)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(dòng)磨損、微動(dòng)磨損和局部腐蝕。機(jī)械損傷產(chǎn)生的多余物（滑動(dòng)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(chǎng)使用中電連接器表面的清洗，及時(shí)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(chǎng)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(duì)插針、插孔兩端的臨時(shí)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(duì)插針、插孔端進(jìn)行清洗和干燥處理。