在腐蚀环境中如何保持连接器电性能的完整性

 1 引言

电连接器的应用十分广泛,从手机、计算机、火箭、汽车到飞机,可以说无处不在。因而,因其失效所产生不良后果从带来不便到造成惨痛悲剧各不相同。不过,采取密封等更好的方法使连接器可以抵御环境腐蚀,并因此减少系统设备失效事故的发生。
由于其固有特性,电连接器是一条电路中最容易受到侵蚀的地方。腐蚀(从氧化作用到电泳)可能会降低其载流能力,导致电流中断,并最终造成永久性的电路失效。在恶劣的应用环境中,连接器失效的主要原因是电泳腐蚀,这是一个在存在电解质(通常为水)的情况下不同金属释放电子或吸收电子的过程。
在下表所列的一组电测元素中,表中两金属名称相距越远,其产生腐蚀的可能性就更大。与湿润空气接触时,阳极金属为阴极金属牺牲电子。例如金属铝在适宜的环境条件下可能会向铜释放电子,而在电连接器中这两种导电性金属普遍存在。

尽管许多电连接器一般都可以应用于恶劣的环境中,但由于导线、绝缘体、塑料基座以及插针中存在某些间隙和其它极小的微孔,其使用寿命会受到一定的限制。在完全失效之前,由于腐蚀而导致电路间断失效的连接器可能会导致设备生产出现停顿,并增加由于查找故障来源而产生的维护费用。

温度循环导致连接器中不同材料以不同的比率发生膨胀和收缩作用,加之其它诸如振动或重复弯曲等应力条件,使得导致腐蚀的罪魁祸首(即湿气)更容易通过漏泄通道进入接触件内部。在某些情况下,漏泄通道甚至充当了湿气的导火索和吸入管。
图1 均匀的显微微孔漏泄通道可导致水汽渗入,引发连接器腐蚀,从而缩短电连接器的使用寿命。
连接器常见的恶劣环境包括汽车发动机罩、军事、飞机、太空设备、室外设备和各种工业设施。在这些应用领域中,人们一般采用润滑油和冷却剂使自动化装配线保持正常运行,但这些化学产品可能会侵蚀塑料绝缘材料,而用于冲洗某种食物加工设备的蒸汽和腐蚀性化学药品也可能会造成侵蚀作用。另外,在海上应用领域如航运和近海石油钻台中,由于海盐的作用其腐蚀会进一步加剧。
2 减少腐蚀的方法
减少连接器接触件腐蚀的两种基本方法就是接触件采取表面电镀以及对接触件进行密封。
2.1接触件的表面电镀
在电连接器接触件表面电镀一层锡保护层是多年来人们普通采用的习惯做法,尤其是有铜和铝存在的情况下。锡镀层不仅可以减少电子转移,而且可以减小接触电阻,并阻止基底金属铜褪色。铝接触件,如果不加保护镀层的话,往往需要涂敷一种抑制氧化作用的复合物,然而,在长期运行条件下,这两种惯用做法往往无法有效地抵御恶劣的环境条件。
2.2密封
如果做得适当的话,采用密封方法也可以阻止湿气和氧气通过漏泄通道进入连接器内部。有时候,除了表面电镀外还要同时进行适当的密封措施。在许多应用领域,硅基密封胶的作用效果非常好,而环氧基树脂“罐封”混合物也同样可行。这两种密封胶一般都是采用手工方法涂敷在连接器中,但这种解决腐蚀问题的方案成本较高。
在某些情况下,密封胶的手工施加还可能使最终产品的最后装配变得更为困难且费时更多,因为手工操作密封胶通常无法做到涂抹均匀。而且,在采用某些自动化装配设备的情况下,难以随传送带一起滑动的连接器可能会使整个装配流水线发生半途停顿现象。
图2  在浸渍过程中,将电连接器、组件或整个布线线束放入金属线网并浸入树脂浴液中。然后抽出试验箱中的空气;回归正常大气压力可以迫使树脂进入所有的漏泄通道,将漏泄通道灌满。
但是,连接器密封胶的最新研究成果丙烯酸脂聚合物树脂可以为连接器在恶劣环境中应用提供最大的防腐保护。
2.2.1树脂浸渍办法
这些非导电性树脂不是逐个涂抹或刷涂在各个连接器上,而是很均匀且和经济地密封一大批连接器、组件和线束,然后在通过一种所谓的真空浸渍工艺进行处理。
真空浸渍技术作为消除金属铸件和粉末金属元件中微孔漏缝的一种方法已经具有几十年的历史。树脂,无论是热固性树脂或厌氧性树脂,均可以作为一种液体填充剂进入一切缝隙中,尤其是借助于真空和压力作用,然后彻底冲洗该材料,并进行热水熟化处理,将微孔完全密封,使元件没有任何缝隙,甚至在压力作用下也不会发生渗漏现象。
2.2.2通过密封解决问题
浸渍的四种常用方法是干燥真空与压力、内部压力、湿润真空与压力和单一的湿润真空法。
连接器元件的漏泄通道和微孔可以很容易地采用单一的湿润真空方法来填充。借助于这一方法,将连接器、组件或全部接线线束置于一个试验箱内,并放置于低粘度的浸渍树脂浴液中,然后抽出试验箱中的空气;连接器、导线等器件中的所有空气上升到浴液的表面,同样会被排出试验箱。一旦抽出真空,回归正常大气压力就完全可以将树脂带进所有的漏缝。
从这个意义上来说,该产品在焙烧加热以前先进行水洗,以防止密封胶影响到它的导电性。接下来,将树脂置于热浴中进行固化处理,其标准温度约为140°F。
图3  树脂浸渍之后,用水浸的方法除去连接器外表面多余的树脂。
尽管对于固化工艺来说并非必不可少,但来自连接器内部的铜、铝或铁离子事实上可以充当工艺过程的一种催化剂。这些金属可以向树脂释放电子,使之仿佛成为一种阴极金属。值得注意的是,厌氧性树脂对于连接器密封来说特别有效,因为它不需要空气即可进行固化处理。丙烯酸脂聚合物树脂的另一好处是其潜在的可塑性。当需要应用于某一预定的领域时,可以配置这种树脂,并将它熟化成一种柔软的状态。
一旦受热之后,树脂就不可逆转地发生交联作用,而且无法再被溶解。固化部分可以经受350°F的高温,并可以抵御溶剂、氟氯烷、蒸汽、植物油、汽油、乙二醇和打印油墨的腐蚀。
在浸渍工序完成之后,可以通过一个简单的空气压力测试来证明连接器组件对周围环境可能导致金属腐蚀和产品失效的湿气和盐分的密封性能。
图4  继续浸渍,热水可以使树脂发生固化。
采用这种方式进行密封的连接器其耐磨性在长期热循环、振动和湿度变化(如军事和航天应用领域)的条件下特别有用。在坦克和其它陆地交通车辆中,振动和频繁的温度变化要求牢固而密闭的连接。潮湿、雨水和彻底冲洗可能会带来大量的湿气。当然,在舰艇、船舶和水陆两用交通工具中,这种湿气更为严重。
美国空军研究实验室已经得出一个结论:用于传输信号的连接器的接触部位腐蚀是导致空中飞行器电气系统发生间断性失效和其它性能不稳定的最常见原因之一。
高空压力降落可能会迫使潴留的空气排出连接器,从而有可能为导致腐蚀的湿气打开一条新的通道。这样,在湿润的天气或在彻底冲洗/除冰过程中产生的湿气可能会迅速进入这一通道。随着飞机的降落,湿润空气凝结或水蒸汽可能会被迫进入这些通道。然而,通过真空浸渍方法完全密封的连接器就不存在任何气囊,因为这些间隙始终充满树脂材料。
图5 典型的防潮密封连接器可以阻止腐蚀的发生。
3 结论
真空树脂浸渍是彻底解决电连接器和相关线束腐蚀问题最为经济有效的方法。除了填充连接器元件中的可见间隙外,通过在整个连接器和相关的线束中的间隙和微孔中填充密封胶可以解决内部无法看见的电泳腐蚀问题——这是密封胶手工施加方法所无法达到的。
由于可靠性的增大,真空浸渍工艺因其较高的可重复的密封率,加之在成批加工处理时其成本较低,所以成为了使所有连接器处于较温和环境的一个较为经济有效的解决方案,并成为专门应用于恶劣环境的连接器的一个必备产品。
来源:《国际线缆与连接》投稿人 闻春国编译

 


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