中心議題：
- 宇航用電連接器的選材質(zhì)量要求
- 宇航用電連接器主要零件材料選用
- 宇航用電連接器材料的可靠性篩選試驗
航天電連接器及其組件是航天系統(tǒng)工程重要的配套接口元件，相當(dāng)于航天飛行器的血液循環(huán)和神經(jīng)系統(tǒng)。散布在各個系統(tǒng)和部位，負(fù)責(zé)著信號和能量的傳輸。
由電連接器互連組成各種電路，從高頻到低頻、從圓形到矩形、從通過上百安培的大電流連接器到通過微弱信號的高密度連接器、從普通印制板連接器到快速分離、脫落等特種連接器，幾乎所有類型品種的連接器在航天系統(tǒng)工程中，都得到了大量應(yīng)用。舉世矚目的神舟飛船僅推進(jìn)艙和電源系統(tǒng)就使用了各類連接器500多套。其連接好不好，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全可靠運行。
神七宇航員出艙行走成功是我國航天發(fā)展史上新的里程碑，它標(biāo)志著我國己進(jìn)入“天宮”空間實驗室研制階段。下一步空間實驗室研制所需的宇航級電連接器，不同于一般戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈或地面設(shè)備用航天電連接器。它必須經(jīng)受真空、輻照、臭氧和溫度交變等十分復(fù)雜嚴(yán)苛的空間環(huán)境。
為經(jīng)受真空、輻照、原子氧和溫度交變等十分復(fù)雜的空間環(huán)境，對宇航用電連接器設(shè)計材料選用提出的許多特殊要求。為驗證宇宙飛船、空間站上設(shè)計所選用的電連接器材料能否經(jīng)受得往真空、輻照、臭氧等苛嚴(yán)特殊的環(huán)境條件，宇航級電連接器產(chǎn)品鑒定試驗或周期試驗時，必需進(jìn)行一系列的材料高真空、臭氧暴露、抗輻照、水解穩(wěn)定性、撞擊、可燃性、氣味和毒性等可靠性篩選試驗。
目前我國還沒有制定專門的宇航用電連接器標(biāo)準(zhǔn)，基本上都是按國軍標(biāo)生產(chǎn)驗收。即使少數(shù)國軍標(biāo)(如GJB599)中提到宇航級電連接器類型和要求，也沒有規(guī)定宇航級電連接器應(yīng)具有的全部性能(如輻射、臭氧等)。若按這些標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)驗收電連接器用于空間實驗室關(guān)鍵部位，無疑會降低宇航系統(tǒng)整體可靠性。用戶在實際應(yīng)用中為提高宇航用電連接器可靠性，只得用補充協(xié)議方式對宇航用電連接器增加真空釋氣、輻射、臭氧等試驗。但因各單位考核方法不一，使得我國宇航用電連接器水平不一，限制了研制、生產(chǎn)和使用。因此急需對宇航級電連接器，特別是材料選用進(jìn)行分析研究。
1 宇航用電連接器的選材質(zhì)量要求
1) 滿足零件功能要求
接觸件選材應(yīng)以性能為依據(jù)。必須保證插合后接觸可靠。殼體材料首先要保證設(shè)計強度和剛度要求,同時還應(yīng)滿足成型工藝要求。絕緣體材料必須具有優(yōu)良的電氣性 能和作為結(jié)構(gòu)件所需的機械性能。對于起定位、鎖緊和屏蔽等功能的卡爪、彈簧爪 和卡環(huán)等關(guān)鍵彈性零件,則應(yīng)選用具有可靠彈性性能的材料。
2）質(zhì)量輕
質(zhì)量是宇航系統(tǒng)工程對電連接器各種基本要求之一，選用高比強度、高比剛度材 料，可節(jié)省燃料、增加有效載荷，減少發(fā) 射宇航飛行器的成本。采用復(fù)合材料金屬化殼體的電連接器比鋁合金殼體的電連接器質(zhì)量可大大減輕。SAC復(fù)合材料圓形電連接器比同類鋁合金殼體電連接器質(zhì)量輕45%
3）耐環(huán)境
由于受真空、輻照、原子氧和溫度沖擊的影響, 宇航用電連接器禁止使用鋰、鎂、汞、純錫等材料及有放射性的材料；金屬材料應(yīng)是耐腐蝕的，或者應(yīng)采用電鍍 或進(jìn)行耐腐蝕處理。不相容金屬在接觸中使用，特別是黃銅、銅或鋼與鋁或鋁合金接觸，往往會引起活性電化學(xué)腐蝕，故是不允許的。但允許不相容基體金屬進(jìn)行涂覆以提供相容的或合適的鄰接表面。不相 容金屬之間合適的絕緣材料隔開使用也是允許的。
禁止使用真空下有害氣體釋放的非金屬材料，一般均不選用PVC塑料；考慮輻射對非金屬材料的損害, 連接器的各個非金屬零件應(yīng)選用經(jīng)試驗考核通過的輻射絕緣材料；真空環(huán)境中質(zhì)量損失小，有足夠的強度，環(huán)境適應(yīng)性，耐熱性、耐腐蝕性和耐 霉菌應(yīng)符合要求。考慮到航天飛行器的安全, 連接器應(yīng)選用無毒和阻燃的,或燃燒時能迅速自熄,且很少產(chǎn)生煙霧材料。
4) 滿足特殊要求
宇航用電連接器除要求重量輕、體積小、長壽命、高可靠外，必須保證連接器長期貯存后在 沖擊、振動、溫度交變、真空排氣、輻射、氧化、 等離子氣體等復(fù)雜特殊的航天環(huán)境中仍能可靠使用。
對航天器非金屬材料空間出氣污染性能判斷和相應(yīng)的材料篩選。一般要求被測材料在空間真空環(huán)境下的總質(zhì)量損失(TML)平均值不大于1%,收集到的可凝揮發(fā)物平均值不大于0.1%。超出上述規(guī)定的材料不得用于航天器。用于飛船生命保障系統(tǒng)的連接器應(yīng)阻燃無毒，無異味。
5) 高壽命
航天電連接器的長壽命是指在規(guī)定工作環(huán)境下，在額定值范圍內(nèi)，其使用壽命達(dá)到較長的年限。如按航天電子元器件貯存和超期復(fù)驗規(guī)定；在中等環(huán)境溫濕度控制的庫房內(nèi)，連接器可貯存8年。在使用中，經(jīng)安裝、調(diào)試、試驗后隨衛(wèi)星上天完成運行壽命的過程約需10年以上，故必須考慮長期貯存后的電連接器在運載火箭飛行段的動力學(xué)環(huán)境與空間輻射環(huán)境中工作的可靠性。
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6) 良好的工藝成型性能
在滿足設(shè)計預(yù)定的零件功能要求之同時,必須考慮材料的工藝性能,應(yīng)盡可能選用適合于成熟生產(chǎn)工藝、效率高和相對成本低的材料。
例如宇航用電連接器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；壓接接觸件的絕緣安裝板中的接觸件固定卡爪應(yīng)能保持在硬質(zhì)絕緣安裝板中，應(yīng)能固定接觸件并符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接觸件固定性要求。目前一種與絕緣安裝板材料一體化的卡爪精密注塑新工藝，正在逐步替代原卡爪采用鈹青銅帶沖壓成型再嵌入硬質(zhì)絕緣安裝板中的老工藝。
2 宇航用電連接器主要零件材料選用
G類：宇航級
墻式和螺母安裝固定電連接器和自由端電連接器，外殼為鋁合金導(dǎo)電鍍層。
H類：宇航級
氣密封固定電連接器，鈍化不銹鋼外殼。
M類：耐環(huán)境耐蝕的復(fù)合材料化學(xué)鍍鎳導(dǎo)電外殼。
上述三類電連接器工作溫度均為-65℃～200℃。
J類：耐環(huán)境耐蝕的復(fù)合材料鍍鎘成軍綠色導(dǎo)電外殼。電連接器工作溫度為-65℃～175℃。
1）接觸件
G類、J類和M類宇航用電連接器一般均選用鈹青銅制作接觸件，因鈹青銅具有比一般青銅和黃銅更高的強度水平。鈹青銅接觸件承受高應(yīng)力時能無屈服變形或斷裂,維持長期的高應(yīng)力狀態(tài)而不松弛,在有限的空間內(nèi)能提供最大的力。并且具有高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率、優(yōu)良的抗腐蝕性、良好的工藝性能。退火或冷軋狀態(tài)帶材任何方向都能沖壓成形。鈹青銅材料隨冷作硬化程度的不同,規(guī)格直徑越細(xì),強度越高,而塑性下降。冷作硬化狀態(tài)比退火狀態(tài)強度高,經(jīng)時效硬化熱處理后可進(jìn)一步提高強度。
對于宇航用毫微米連接器，也有用金合金制作接觸件。例如Clenain毫微米連接器接觸件間距僅0.635mm，使用ASTM-B-417和ASTM-B-541貴重的金合金制作絞線式彈性插針和插孔。解決了在毫微米插針和插孔上使用金屬鍍層所產(chǎn)生的電阻和侵蝕等問題。特別適用于宇航員生命保障系統(tǒng)等嚴(yán)格的空間環(huán)境。
H類宇航級電連接器接觸件選用52鎳鐵合金或等效材料，以保證和玻璃燒結(jié)絕緣體有良好的熔接浸潤界面，保證熱應(yīng)力作用下良好的尺寸穩(wěn)定性和氣密性。
2）絕緣體
G類、J類和M類宇航用電連接器常選用纖維增強熱塑性聚酯樹脂制作絕緣體。該材料熱撓曲溫度高、剛度大、吸水率低、尺寸穩(wěn)定、自熄性和優(yōu)良的電性能。具有玻璃纖維增強尼龍相同高的熱撓曲溫度,但沒有玻璃纖維增強尼龍的高吸水性和尺寸穩(wěn)定性差等缺點。熱塑性聚酯樹脂的電性能不受長期濕氣暴露的影響。玻璃纖維增強熱塑性聚酯樹脂的優(yōu)點在于能保持介電強度、尺寸穩(wěn)定性和抗蠕變性。聚苯醚樹脂密度低,具有較大范圍的耐溫能力、高度的尺寸穩(wěn)定性,突出的水解穩(wěn)定性和優(yōu)良的機械性能,非常適合作為宇航用電連接器的絕緣體材料。
H類宇航級電連接器常選用針座用燒結(jié)玻璃材料，孔座用燒結(jié)玻璃密封或硬質(zhì)絕緣材料；燒結(jié)玻璃絕緣體材料與低膨脹合金殼體材料具有較低的膨脹系數(shù)，在熱應(yīng)力作用下能保證尺寸穩(wěn)定和良好的氣密性。
3）殼體
G類宇航級電連接器殼體按成型方法不同,可選用硬鋁板(棒)機械加工或用鍛鋁冷擠壓成型。冷擠壓成型方法生產(chǎn)效率較高、 成本較低。殼體常用材料為硬鋁(LY12)和鍛鋁(LD2) (LD10)等牌號。
H類宇航級氣密封固定電連接器殼體可選用1Cr18Ni9Ti不銹鋼棒或4J29低膨脹合金棒車制。以保證與玻璃絕緣體燒結(jié)后，具有較低的膨脹系數(shù)，在熱應(yīng)力作用下能保證尺寸穩(wěn)定和良好的氣密性。
采用復(fù)合材料有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕等優(yōu)點。J類和M類宇航用電連接器選用復(fù)合材料(有或無增強纖維的耐腐蝕高性能樹脂) 制作殼體，有足夠強度和環(huán)境適應(yīng)性。用高強度工程塑料代替金屬制作連接器外殼，表面再金屬化，有效介決了宇航用連接器防腐蝕問題。
4）彈性零件
起鎖緊定位功能彈簧爪、卡環(huán)、卡釘?shù)汝P(guān)鍵彈性零件,如。常選用經(jīng)熱處理的鈹青銅或不銹鋼制作。零件材料性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)非常重要。不少連接器失效是由彈性零件失效引起的。而彈性零件失效原因往往是由于材料質(zhì)量問題。
5）橡膠零件
密封圈、封線體及界面密封墊采用硅橡膠、氟硅橡膠或耐油橡膠等制作，硅橡膠RTV一般具有優(yōu)良的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，且在極寬的溫度范圍 內(nèi)有高而較恒定的柔軟性。
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6）灌封材料
如果尾端的封線體的結(jié)構(gòu)不能與外殼體內(nèi)壁之間完全緊密接觸，則絕緣體與外殼體之間 形成的間隙要采用符合規(guī)定的硅橡膠RTV或等效材料給以填充。
7）鍍層材料
殼體、接觸件等零件，為保證常閉合狀態(tài)下低電平電路接觸件能可靠工作,對表面均需進(jìn)行電鍍。宇航用電連接器禁止采用底層鍍銀的電鍍工藝，禁止采用表面鍍鋅工藝。
G類宇航級電連接器殼體和尾部附件按相應(yīng)涂覆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定化學(xué)鍍鎳，導(dǎo)電的，應(yīng)能耐受48h鹽霧試驗。允許使用適當(dāng)?shù)牡族儗印?br />
H類宇航級電連接器不銹鋼殼體和尾部附件鈍化處理，且表面層導(dǎo)電。
J類適當(dāng)?shù)族儗由襄冩k，可經(jīng)受2000h 鹽霧試驗，表面導(dǎo)電。
M類適當(dāng)?shù)族儗由匣瘜W(xué)鍍鎳，也可經(jīng)受2000h鹽霧試驗，表面導(dǎo)電。
由于鍍金接觸件具有優(yōu)良的耐蝕、耐磨性能和低的接觸電阻,鍍金層對氧幾乎不吸附。電連接器接觸件表面鍍金是防止腐蝕 導(dǎo)致接觸電阻升高的重要保證。高質(zhì)量的 鍍金層不僅取決于厚度，還取決于鍍層是 否具有牢固的與基體材料的結(jié)合力、耐磨 損和低的孔隙率。故鍍金接觸件廣泛應(yīng)用 于可靠性要求高的宇航級電連接器。宇航 級電連接器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中通常都規(guī)定；鍍金 層厚度應(yīng)大于1.27μm。
3 宇航用電連接器材料的可靠性篩選試驗
宇航電連接器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中通常都規(guī)定；宇航用電連接器的全部材料，在產(chǎn)品鑒定 試驗時需進(jìn)行高真空(真空釋氣、真空烘烤、真空溫升) 、臭氧暴露和抗輻照等環(huán)境試驗。用于外殼、連接帽、鎖緊螺母和絕緣體等零件的復(fù)合材料或高性能樹脂還需進(jìn)行水 解穩(wěn)定性和撞擊等試驗。宇航級柔軟和半硬電纜用高可靠射頻同軸連接器產(chǎn)品鑒定試驗時需進(jìn)行可燃性、氣味和毒性（廢氣）等試驗。
3.1高真空環(huán)境試驗
3.1.1 釋氣試驗
在低壓下，當(dāng)未反應(yīng)的添加劑、填充或封裝材料、硅橡膠密封墊、雜質(zhì)、吸收的氣體或 潮氣蒸發(fā)時，會出現(xiàn)釋氣，它冷凝到器件表面 引起性能下降。釋氣材料也可能變得更硬或更 脆。對于可居住的環(huán)境，釋出的有害氣體還可 能影響人的生命安全。為防止釋氣，宇航用的電連接器或可能會釋氣的部件必須進(jìn)行釋氣(烘干)處理。電連接器中使用的所有材料失重應(yīng)不大于1.0%，可收集的揮發(fā)冷凝物質(zhì)應(yīng)不大于0.1%。
3.1.2 真空烘烤試驗
壓接式樣品為不帶接觸件的連接器或固定式電連接器放在真空箱里。真空箱壓力 低于1.33×10-3pa，溫度125℃，烘烤24h。
試驗結(jié)束后應(yīng)檢查外觀符合規(guī)定要求：
1）按產(chǎn)品相應(yīng)規(guī)范規(guī)定檢查連接器標(biāo)志， 應(yīng)完整、正確、牢固、清晰，位置正確；
2）電連接器的零部件、附件應(yīng)齊套、正確，應(yīng)符合產(chǎn)品相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定；
3) 外殼內(nèi)、外表面應(yīng)無劃傷、壓痕、毛刺、裂紋、銹蝕和其它影響機械或電性能的損 傷，涂層應(yīng)光潔、色澤均勻，無氣泡、起皮、 漏鍍、污跡；應(yīng)無可見多余物；
4) 鍍金接觸件色澤為金黃色，鍍層應(yīng)均勻光亮、整齊不變形，無起皮、漏鍍和銹斑；
5) 絕緣體表面應(yīng)平整、色澤均勻、無氣泡、無裂紋、無缺損；密封電連接器的玻璃燒結(jié) 絕緣體應(yīng)無放射狀裂紋。
3.1.3真空溫升試驗
試驗時,應(yīng)將常有導(dǎo)線并貼上熱敏電阻器的組裝好的連接器安裝在試驗箱內(nèi)并使 箱中壓力降至1.33×10-3pa，且保持2h。并連續(xù)施加于每種號碼的接觸件上一規(guī)定 電流值(規(guī)定值=額定電負(fù)載×多芯接觸件電流下降率0.64(真空下降率))，連續(xù)加電2h，測量電連接器的溫升應(yīng)小于45 ℃。
3.2 臭氧暴露試驗
宇航環(huán)境中，大氧中的臭氧、飛行器內(nèi)的自由氧原子因飛行器高速運行而高速撞擊， 會使氧化過程加快。為此接好線插合好的宇 航用電連接器應(yīng)按GJB1217-91方法1007規(guī)定進(jìn)行臭氧暴露試驗。
試驗后應(yīng)無出現(xiàn)絕緣材料裂紋或?qū)π阅墚a(chǎn)生有害影響的其他損壞(如零件松動破裂、橡膠變質(zhì)、絕緣體粘接失效、彈性材料過分膨 脹、界面密封件損壞等)。
3.3 抗輻照試驗
宇航環(huán)境中由于地球或其它星體磁場發(fā)射的強烈電磁輻射、太陽光的強烈照射、大 氣中帶電粒子碰撞形成的等離子氣體等影 響，會使連接器性能、可靠性、壽命降低。 為此需根據(jù)不同應(yīng)用部位進(jìn)行抗輻照試驗。
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可采用鈷60γ射線源或回轉(zhuǎn)粒子加速器二種方法進(jìn)行輻照試驗。試驗后外觀、耐壓和絕緣電阻檢驗應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
3.4 水解穩(wěn)定性試驗
用復(fù)合材料制作殼體等零件的J類和M類宇航用電連接器產(chǎn)品鑒定試驗和質(zhì)量一致性C組檢驗時需進(jìn)行水解穩(wěn)定性試驗。
電連接器應(yīng)進(jìn)行下列吸水性試驗。試樣增量百分?jǐn)?shù)按下式計算(精確到0.01%)：
M%=(M1-M0 / M0 )×100%
式中：M---增量；
M1 ---試樣吸濕后重量，單位為克(g)；
M0 ---試樣重量，單位為克(g)。
試驗后，電連接器應(yīng)無有害于機械性能的缺陷。電連接器重量增加應(yīng)不大于0.75%。當(dāng)承受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)值1.5倍過扭矩時，零件應(yīng)無裂紋、破裂或松動。
3.5 撞擊試驗
用復(fù)合材料制作殼體等零件的J類和M 類宇航用電連接器產(chǎn)品鑒定試驗和質(zhì)量一致性C組檢驗時需進(jìn)行撞擊試驗。
按GJB1217-1991電連接器試驗方法進(jìn)行撞擊試驗，電連接器絕緣體或外殼應(yīng) 無裂紋或開裂，也應(yīng)不出現(xiàn)妨礙電連接器插合或分離的接觸件彎曲或損傷。
3.6 可燃性試驗
宇航環(huán)境中氣壓極低，絕緣材料絕緣性能會迅速下降，由于接觸件接觸不良或其它原因會引 起起火或打火現(xiàn)象。可燃性試驗?zāi)康氖谴_定材料在受到標(biāo)準(zhǔn)火源作用時，是否能自熄，燃燒的碎屑不應(yīng)轉(zhuǎn)移(這些碎屑能夠引燃鄰近的材料。
試樣應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)體積的樣品且數(shù)量至少為3 個，其燃燒長度不能超過15cm。此外，被點燃的試樣燃燒碎屑不應(yīng)轉(zhuǎn)移火焰。任何一個試樣失效將構(gòu)成材料的失效。這些試驗應(yīng)在最壞條件厚度的試樣上和最惡劣的環(huán)境下進(jìn)行。
3.7 氣味評定試驗
試驗?zāi)康氖谴_定材料或組裝成品是否會發(fā)出不好的或令人討厭的氣味。試驗選定材料或組裝 成品應(yīng)符合試驗判據(jù)，質(zhì)量至少為45.4Kg。召集氣味專家組至少有5名合格成員，處理取自試樣容器的至少30cm3氣體。每個氣味專家組時對取自試樣容器的氣體應(yīng)給定一個氣味等級：
察覺不到的氣味------0級
勉強察覺的氣味------1級
容易察覺的氣味------2級
不好的氣味----------3級
討厭的氣味----------4級
在試驗后2h至4h之間，應(yīng)對專家組成員進(jìn)行鼻炎或其它狀況的醫(yī)學(xué)檢查，并應(yīng)記錄該項檢查結(jié)果。每個專家組成員每48h只能經(jīng)受一個氣味試樣的作用。
材料或組裝成品根據(jù)試驗得出的平均氣味等級應(yīng)小于2.5。試驗得出的平均氣味等級大于等于2.5，則材料或組裝成品發(fā)出的氣味是不好的或令人討厭的。
3.8 廢氣生成物的確定試驗
試驗?zāi)康氖谴_定來自材料或組裝成品的揮發(fā)性廢氣生成物的特性和數(shù)量。
SMAC (載人宇宙飛船允許的廢氣最大濃度值) 是指規(guī)定飛行期間的宇宙飛船居住面積允許的最大廢氣濃度。
T (毒性危險指數(shù))是指各種廢氣生成物與SMAC值之比，并且這是未分毒性類別的所有廢氣生成物總和的比值。某一元件或材料的所有揮發(fā)性廢氣生成物總的毒性有害指數(shù)T值應(yīng)小于0.5。
