本文主要對環境適應性、環境類型以及對電子裝備的影響因素進行了簡要介紹，通過對電子裝備在使用一段時間后出現腐蝕現象的原因進行了分析，有針對性的提出了一些在設計過程中應考慮的防護措施。
引言
在古代,城墻是城市的主要防御線,一旦城墻被攻破或者出現缺口,整座城市就處于危險之中。電子設備就如同一個城池,它需要具有防御功能的"城墻"的保護,防護會由于高低溫、受潮、鹽霧、霉菌、雨水等外部原因而對構成材質本身形成影響,甚至受到侵蝕,而如果防護功能失靈,也可能由于這些影響產生腐蝕而導致構成材質的裂紋、介電常數發生變化、接觸條件不良、絕緣強度降低,進而造成電子設備出現故障率,可靠性降低。
電子設備武器由于保護不善帶來的經濟損失是非常龐大的,美國已經對電子產品的故障做出統計分析,顯示百分之六十以上的故障和各種環境因素相關;據美國政府有關機構研究表明,受到環境因素腐蝕,美國政府每年的經濟損失比海嘯、洪水、地震等這些天災造成的經濟損失總和還要多。由此可見,提高電子裝備及其他產品的環境適應性極具經濟性和社會性,現如今已被世界各國高度重視。
GJB 4239規定：應在裝備論證、研制、生產和使用過程中開展環境工程工作，確定合理的環境適應性要求，并以合理的費用確保裝備滿足規定的環境適應性要求。本文主要論述環境因素對電子裝備的直接影響，產生的腐蝕現象及電子裝備的防護設計。
環境適應性概述
1、定義
環境適應性是裝備在其壽命周期預計可能遇到的各種環境的作用下能實現其所有預定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是裝備的重要質量特性之一。
2、典型的環境類型
1） 陸地氣候環境
陸地大氣條件一般比較溫和,以極高熱、極低壓、潮濕和風沙為特點。
2）海洋氣候環境
海洋環境的突出特征是高溫、高濕和高度耐鹽霧性,對中國東南部沿海地區而言,強日光輻射、大雨、強臺風等也是極為嚴酷的天氣要求。
3）空中氣候條件
以氣溫的迅速變化、大氣介質快速對流和地面振動影響為主要特點。
3、環境因素及其影響
1） 溫度
溫度會直接影響金屬材料腐蝕反應的速率,一般來說高溫每增加10攝氏度,金屬材料腐蝕與老化的速率就會增加一倍;故障模式詳見表1。
表1 溫度故障模式表
2）水和濕度
在金屬結構材質侵蝕的過程中,水分屬于最主要的介質。因此防潮、防濕是防護中最關鍵的步驟;圖1為金屬表面水膜厚度和侵蝕速率之間的關系:圖區域Ⅰ是在干燥大氣中的水腐蝕,金屬材質侵蝕速率還非常低;區域Ⅱ是在潮濕大氣環境中的侵蝕,所以材料侵蝕速率和水膜厚度大小成正比;區域Ⅲ相當于在雨雪氣候的侵蝕,由于水涂層厚度增大,空氣在水液膜中的傳播速率得到了有效抑制,所以材料侵蝕速率反而隨著水膜厚度的增大而降低;區域Ⅳ等于將金屬材料完全浸泡于地下水中的侵蝕。所以通常對金屬材料的侵蝕都是在區域Ⅱ或者區域Ⅲ內完成的。
圖1 金屬表面水膜厚度與大氣腐蝕速度的關系
就電子裝備而言,濕氣通常會通過以下方式生成:降雨、凝結的水蒸氣。水可以溶解一定量的腐蝕性離子,進而對金屬表層造成侵蝕。
3）鹽霧
耐鹽霧性主要是由于波浪、大氣環流(季風)壓力、海潮和日照等自然原因所造成,會隨風飄落在內陸,耐鹽霧性含量和離岸邊的距離成反比,在一般情況下距岸邊1000米處的含量是在岸邊時的百分之一(除大風期外)。
鹽霧的危害:損傷金屬材料結構件鍍層;增加的電化學腐蝕速率也造成了金屬導線損壞、進一步造成元器件失效等。
4）霉菌
但凡空氣可以進入的設備,其零件上就有機會遭到霉菌的危害;在適當的氣溫和潮濕情況下,霉菌也能夠吸取營養和水份發芽生長,且繁殖快度驚人。
霉菌的危害性:霉菌的發育和增殖可以吞噬有機材料,進而導致塑料的絕緣性能降低、破壞或者喪失;黑霉的部分代謝產物為有機酸含量,這種化學物質會干擾塑料的熱絕緣性能和抗電能力,而且還能形成拱圈,并且還能影響外觀表面。
5）太陽輻射
太陽輻射強度會因為緯度下降而增加,草原區域由于日照時數多,其紫外線強度較高;太陽所輻射的紫外光是造成高分子物質老化最重要的外因,因此任何在戶外使用的高分子物質都會遭到紫外光的損害。太陽光的光波能,因輻照波段不同而異,但通常紫外線的光能就可以打斷一些大分子物質的小分子連接或導致其光化學反應,從而造成大分子物質衰老。
6）粉塵
由于粉塵會沉淀到金屬結構件及PCB表面,進而形成電化學腐蝕,從而提高了電氣裝置的故障率。
環境因素對電子裝備的影響
1、環境因素促使金屬腐蝕
按照侵蝕的條件和特性的不同,金屬腐蝕又可以分成:電位差侵蝕、間隙腐蝕、晶間腐蝕、小孔侵蝕、內部應力侵蝕、氧的濃差侵蝕、空泡侵蝕、金屬疲勞腐蝕等;就電子裝備而言,最常見的有電位差腐蝕、間隙腐蝕和小孔侵蝕。
1）縫隙腐蝕
縫隙腐蝕是由于金屬表面和其他表面（金屬的或非金屬）之間形成的狹縫或間隙，在狹縫內或其近旁產生的局部腐蝕。縫隙侵蝕十分強烈,一經形成就很難根除。實際中,大多數金屬塑件都是用用螺栓、焊接、鉚等方式連接起來,但金屬與非金屬間或金屬與金屬材料都存在空隙,鉚釘和螺母間也存在空隙,金屬表面和起泡的涂層間也有空隙,如果上述空隙長度足夠使水、灰塵等介質進入或停留其中,就會使上述空隙內的侵蝕增強。
2）電位差腐蝕
各種類型的金屬材料電極電位也不盡相同,任何變化的二個金屬材質表層交叉觸及就可能會產生電位差,在電化學傳感器正常工作的情況下,會供電正的一方可以得到防護,而供電負值的一方則會加速侵蝕,尤其是在各種金屬材質較靠近的地方,而各種類型的金屬材料表面觸及后的電位差也各有不同。
3）小孔腐蝕
若在金屬表面的主要表面上并不會出現侵蝕現象(或只是有非常輕微的腐蝕),或僅在一定的區域產生了一些侵蝕小孔,且有向深部逐漸擴展的傾向,則這些行為都被稱為微孔侵蝕,又稱點蝕或小孔腐蝕，簡要概括為局部腐蝕導致的點狀蝕坑。
2、環境因素促使非金屬材料老化
非金屬雖不像金屬那么易生銹,但由于高分子化合物材質易遭受日光、臭氧、氧、水分、熱量、細菌和工業危害廢氣等的危害,因此容易發生衰老現象,導致材質的表層衰老、機械強度下降、形成龜裂等,同時表層疏水性、介電常數、絕緣阻力、擊穿電流、介電損耗等發生變化。
3、環境因素影響電性能
結構材料會因高濕、霉變等因素改變零點五導體周圍介電常數;還會因表面低壓力和結露,而造成接點之間打火、鄰近導線之間的短接或擊穿等;也會因下雨時在表面產生一層水膜,從而造成在信息傳遞過程中的噪音溫度和熱吸收比升高。
腐蝕典型案例及分析
1、縫隙腐蝕
某裝備在沿海地區使用2年后，由于油漆破損形成如圖2所示的腐蝕；經后續排查確定為結構件起皮后發生縫隙腐蝕，同時舉一反三排查時發現其結構連接處也開始出現縫隙腐蝕（如圖3所示），主要原因是在設計時未考慮表面處理的完成性和縫隙處的填膠密封。
圖2 海洋環境下的腐蝕
圖3 連接處縫隙腐蝕
2、金屬底層腐蝕
某電子裝配平臺使用3年后，該區域長期處于積水狀態，結果導致漆膜鼓泡，金屬基材腐蝕（如圖4所示）。主要是由于戶外結構防護設計不合理，在設計時未考慮排水結構而造成腐蝕。
圖4 金屬底層腐蝕
3、非金屬材料老化
某產品天線罩邊緣使用一段時間后，出現老化、龜裂現象（如圖5所示）。主要是由于選用的非金屬材料不耐太陽光紫外輻射所致，在設計時應選擇耐候樹脂，外表也未涂敷高耐候圖層。
圖5 非金屬材料老化開裂
針對環境腐蝕的防護措施
1、“三防”和“三防”設計
在軍事電子行業,人類一般都把電氣設備的"耐濕、防霉蟲、抗鹽霧"稱作三防,由于電子行業技術裝備應用和時代的發展,"三防"的內涵發生了巨大的變化,現在的"三防"是以進一步提高電子行業技術裝備的安全可靠為主要目的,內容包括防潮、保護、防積雪裹冰、抗鹽霧、防霉蟲、防靜電、防衰老、防風沙等等,確切的說應該稱作"環境保護科技",但在行業內部"三防"已經是約定熟成的專有名詞,沿用至今。
一般所說的"三防"技術也就是保護設計,是針對電氣設備在現場使用中的條件和防護的特點,對一些特殊裝置、設備和器件所采用的防潮、蓄水、抗雪裹凍、抗鹽霧、抗霉菌的保護方法、防護技術方法的工程設計技術。
2、防護設計要求
在電子裝備的防護設計中,結構和工藝是防護設計的重點根據其設備組成和使用環境特點,可分別從材料選擇、零部件的結構優化設計、微環境控制設計等方面去選擇對應的防護措施。
1）合理選擇材料
材料選擇在考慮結構件適用性的同時,也要充分考慮環境防護的難度、工藝、成本和材料;對施工費用較大的結構件以及特別重要的結構件,應選用更抗環境侵蝕的材料;在不便于或無法維護的結構件中,不要混用壽命時間長短不一的材質;在使用運動磨損部位時應盡可能采用部分的防腐蝕材質或整體防腐蝕材質,如螺母小彈簧機構、螺栓、鉸合件可全部采用防腐蝕材質。
2）材料相容性設計
不同的金屬材料交叉接觸會產生不同的電位差,尤其是在接觸方面,在電化學傳感器影響下,會導致電位負的一方被侵蝕,而電位正的一方得到防護。
3）零部件優化結構設計
錯誤的結構設計會造成先天性的問題,并且在后期很難補救,因此防腐蝕方案的選擇應該融入到建筑的幾何造型方案之中;結構設計應采取措施消除潮濕積水部位、消除縫隙腐蝕、預防電偶腐蝕、避免產生易腐蝕的傾向；具體可參考圖6。
圖6 結構優化設計示意圖
4）微環境控制設計
電子設備的使用條件是復雜多變而不可控的,針對某些關鍵部件或保護較大的零件可以調節其使用的微狀態,使之與外界不良條件有效隔絕;微環境的管理技術,主要包括密封、去濕干燥、遮蔽等。
3、防護工藝設計
防護工藝設計重點是對長期暴露于不良環境中的容易銹蝕或老化的機械裝置與元器件選擇適當的保護工藝手段,以確保其在長壽命使用的階段內使用情況正常;以便達到所提供的防護設計條件。而針對于沿海等嚴酷自然環境,在工程設計中要求將多種工藝手段相結合以滿足預期的防護壽命,其表面處理也是對裝備防護所采取的最主要工藝手段。
工藝防護重點應首先考慮易腐蝕部位，然后采取合適的防護工藝,對如下薄弱環節重點采取防護措施:
1）金屬制件連接處（如鉚接、螺釘連接處）；
2）液壓系統等活動摩擦部位；
3）不致密的焊縫，一些尖角、邊緣、焊縫；
4）天線平臺等大面積圖層的邊緣處、一些圖層附著不牢處；
5）部分裸漏電鍍層（鍍鋅、鍍鎳、鍍鉻等）；
6）戶外接插件等。
結束語
電子裝備在使用過程中,不可避免會接觸到大氣環境,從而產生一定程度的腐蝕,因此必須將防護性能列入產品的重要戰術指標。結構設計是產品防護的重點,只有電子裝備采取了完整的結構焊縫設計、避免縫隙設計,電訊組件采取密封設計,才能將濕熱鹽霧對金屬的腐蝕影響減到最小。重點關注防護薄弱環節的防護工藝,并不斷研究應用新材料、新工藝,進一步提高整機防護工藝水平。完善電子裝備的防護設計規范和標準,提高電子裝備的整體防護水平。
防護問題是一項相當復雜的工程,以單純的加強工藝很難消除不良設計的危害,因此唯有從設計問題入手采取措施,方可為防護難題尋找良好的破解方式。
