方惠龍 胡 平 劉 凱

（1.92555部隊 上海 200439）（2.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

失效機理研究是確定影響武器壽命的關(guān)鍵故障模式和關(guān)鍵激發(fā)環(huán)境因素，及開展延壽技術(shù)研究的基礎(chǔ)和前提。通過分析武器及各組部件的技術(shù)狀態(tài)，對各系統(tǒng)和關(guān)鍵部件按照結(jié)構(gòu)特征分類，根據(jù)各系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)材料等情況，針對其所受典型環(huán)境應(yīng)力，結(jié)合武器測試、故障等，分析典型材料、元器件和部件貯存失效機理，進(jìn)一步研究典型環(huán)境因素對武器性能影響，找出影響武器壽命的主要因素，可為后續(xù)維修和改進(jìn)提供依據(jù)［1～4］。

2 武器失效模式

某型武器的主要失效模式主要為元器件參數(shù)漂移、松脫斷裂、磨損磨蝕、電路故障、密封失效、絕緣失效、腐蝕銹蝕、過熱燒蝕、機械變形等。本文針對這些失效模式的機理進(jìn)行具體分析。

3 武器失效機理分析

3.1 參數(shù)漂移機理分析

武器電子元器件的參數(shù)在長期貯存中出現(xiàn)的參數(shù)漂移。元器件的特性決定了其參數(shù)隨著時間的推移一定會發(fā)生漂移，造成這種參數(shù)漂移的機理主要包括電應(yīng)力、溫度影響等［5～7］。

1）電應(yīng)力影響。載流子注入是導(dǎo)致N型MOS器件參數(shù)漂移的主要機理，溝道中的載流子在電場的作用下，在漏端有一定機率發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴，產(chǎn)生的電子在柵極電場的作用下會注入到柵氧化層中，空穴會流入襯底。

2）溫度影響。負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性是導(dǎo)致P型MOS器件參數(shù)漂移的主要機理，在高溫負(fù)向偏置條件下，界面處硅氫鍵斷裂產(chǎn)生界面態(tài)，隨著氫離子的擴散會形成氧化層中的體電荷缺陷，部分氫離子會擴散到柵極。形成的這些界面態(tài)和體電荷會導(dǎo)致器件閾值電壓、飽和電流和跨導(dǎo)等參數(shù)漂移。

3.2 松脫斷裂機理分析

1）殼體裂紋。武器在長期貯存中殼體材料受熱應(yīng)力影響會出現(xiàn)裂紋等。

2）疲勞失效。疲勞失效總是由裂紋開始，裂紋可能是在制造階段產(chǎn)生的，也可能是隨時間變化由應(yīng)力集中源周圍的循環(huán)應(yīng)變所導(dǎo)致的。

3）腐蝕斷裂。腐蝕也是引起裂紋擴展斷裂的另一個機理。有裂紋的零件放在腐蝕環(huán)境中，在靜態(tài)應(yīng)力下會導(dǎo)致裂紋擴展。

4）合金蒙皮漆層脫落或開裂。武器的合金蒙皮進(jìn)行高溫試驗、低溫試驗及溫度沖擊試驗時會出現(xiàn)漆層脫落。

3.3 磨損磨蝕機理分析

武器使用后的磨損磨蝕主要包括以下失效機理。

1）腐蝕磨損。殼體材料受到氮、硫酸以及細(xì)菌等污染時，容易造成非金屬和金屬材料腐蝕，加劇武器運動機構(gòu)的的磨損。

2）銹蝕磨損。武器在潮濕環(huán)境中金屬材料容易銹蝕，銹斑等會加劇武器機構(gòu)的磨損。

3）冷啟動干摩擦。當(dāng)潤滑油失效或潤滑油未被油泵打到各潤滑部位時，武器運動機構(gòu)會出現(xiàn)磨擦，造成武器運動機構(gòu)的異常強磨損。

3.4 電路故障機理分析

武器電路故障包括電路的開路、短路、接觸不良等［8］。

1）開路失效機理分析

武器在試驗過程中偶發(fā)個別導(dǎo)線斷裂，插座插針斷裂等開路失效情況。

2）短路失效機理分析

短路由腐蝕失效引起，武器在包裝箱密封失效放置時，由水汽帶入的雜質(zhì)或從樹脂中溶解的雜質(zhì)會與金屬鋁作用，使鋁互聯(lián)線發(fā)生化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。

3）接觸不良失效機理分析

武器貯存過程中會出現(xiàn)開關(guān)接觸不良的情況。其原因包括觸點污染電鍍層脫落、彈簧壓力不夠、界面粘潤不良、觸頭連接松動等。如圖1所示，為觸點表面出現(xiàn)有機污染后造成的接觸不良。

圖1 表面有少量有機物沾污

3.5 密封失效機理分析

武器在貯存和使用過程中，會出現(xiàn)密封圈老化、閥密封線缺口、密封部件壓痕過深等現(xiàn)象。密封失效的原因包括材料老化、化學(xué)腐蝕，熱損壞，機械磨損等［9］。

武器中的O型密封圈或密封墊由于受到熱、氧、紫外線、輻射、水蒸氣以及化學(xué)介質(zhì)等的侵蝕，材料外觀會發(fā)生變化，同時其物理機械性能會降低，強度、斷裂伸長率等大幅度下降，透氣率增大，介電性能減弱等。

3.6 腐蝕失效機理分析

在殼體的套接結(jié)構(gòu)或?qū)咏Y(jié)構(gòu)中，不同殼體的材料可能不同，不同的材料接觸會造成電偶腐蝕。耐蝕性較差的金屬（電位較低）接觸后成為陽極，腐蝕加速；耐蝕性較高的金屬（電位較高）則變成陰極受到保護(hù)，腐蝕減輕或停止腐蝕。電偶腐蝕圖見圖2所示。

圖2 電偶腐蝕

縫隙腐蝕是指由于金屬與金屬，或金屬與非金屬之間形極小的縫隙，其寬度足以使介質(zhì)進(jìn)入縫隙中，而在縫隙內(nèi)或附近產(chǎn)生的局部腐蝕。常見的局部腐蝕形態(tài)如圖3所示。

圖3 常見局部縫隙腐蝕示意圖

3.7 過熱燒蝕失效機理分析

如圖4所示為芯片局部區(qū)域的過熱燒蝕，其原因是芯片粘結(jié)空洞，導(dǎo)致空洞處芯片局部過熱燒毀。主要有以下原因：1）絕緣失效導(dǎo)致觸點電流劇增，產(chǎn)品局部過熱燒蝕；2）短路；3）散熱系統(tǒng)失效導(dǎo)致熱量集中；4）長時間大功率工作導(dǎo)致過熱；5）機械振動、腐蝕等引起的易燃液體泄漏。

圖4 芯片局部區(qū)域燒毀

3.8 機械變形失效機理分析

武器出現(xiàn)的機械變形失效機理包括以下方面。

1）力學(xué)沖擊。武器在長時期振動、劇烈沖擊等力學(xué)效應(yīng)的影響下，會出現(xiàn)機械變形現(xiàn)象。

2）機械熱變形。機械材料存在熱脹冷縮的現(xiàn)象，溫度會使機械結(jié)構(gòu)幾何形體發(fā)生變化，產(chǎn)生熱變形，甚至造成開裂。

3）焊接及鑄造缺陷。芯片外殼焊接時的熱應(yīng)力使芯片沿著固有的機械損傷處裂開［10］，如圖5所示。

圖5 芯片外殼變形開裂

4 結(jié)語

本文通過歷史數(shù)據(jù)分析，深入研究了武器的主要失效模式包括參數(shù)漂移、松脫斷裂、磨損磨蝕、電路故障、密封失效、絕緣失效、腐蝕銹蝕、過熱燒蝕和機械變形，并針對這些失效模式的失效機理進(jìn)行了深入分析，可為武器的維護(hù)保養(yǎng)以及改進(jìn)提供參考依據(jù)。