海洋环境下机载电连接器腐蚀分析与失效机理

赵 东，裴文利，郁大照，马腾达，王 琳

（1.东北大学，辽宁沈阳 110819；
2.海军航空大学，山东烟台 264001）

高温、高湿、高盐和高辐射共同构成的恶劣海洋环境会对电子电气设备造成严重腐蚀影响[1-2]。高温和高湿是加速腐蚀的必要条件，高盐会加速金属部件的腐蚀，且海洋环境中含有多种无机和有机物质，这些环境因素均给电子电气设备的耐蚀性能带来了巨大考验[3-4]。

电连接器作为电子与电气设备之间信号传输的关键电子元件，在航空领域被大量使用[5]。虽然电连接器在制造过程中已经进行了防腐镀层处理[6-7]，但由于大部分电连接器被置于设备外部，其接触面还是容易受到各种环境因素的腐蚀。电连接器的腐蚀程度决定了器件的电功能特性、安全性和可靠性[8-9]。目前，各种电气系统的失效中，电子元件失效占70%，而这其中，电连接器失效占40%[10]。电连接器的腐蚀维护是飞机特设维护系统的重要内容之一。准确而高效地判断出电连接器的腐蚀程度十分必要，一旦电连接器失效，将会给航空和国防领域带来不可挽回的损失[11-12]。因此，对电连接器的耐腐蚀性能的研究具有重要意义。

此前，针对我国南海地区的插拔电连接器研究较少，主要是由于这种电连接器处于半封闭状态，所受关注度较低。近年来，Luo Y 等采用超声波技术检测了电连接器的磨损情况，为检测维修带来极大的便利[13]；
朱蒙等探究了在酸性的极端条件下，电连接器的腐蚀会加速进行[14]；
刘琦等基于有限元仿真对电连接器的微动磨损行为进行了分析，获得了接触状态与磨损量的变化规律[15-16]；
郁大照等研究了常作为电连接器原材料的H62 铜合金，在不同温度、NaCl 含量和酸性条件下测试H62的自腐蚀电位和电流，为探究电连接器的腐蚀行为起到了重要的推进作用[17]。目前，针对不同电连接器在高温、高湿和高盐环境下服役后的腐蚀情况鲜有报道。对电连接器的耐蚀性研究，揭示电连接器的失效机理、明晰电连接器的腐蚀方式，对航空电连接器失效预测、飞机飞行安全和国防建设均具有重要意义。

本文对经海洋环境中的南沙岛礁自然暴晒试验和实验室多应力加速试验的机载航空电连接器的壳体和针孔的腐蚀情况进行微观分析。采用扫描电子显微镜（SEM）、X 射线能谱仪（EDS）和光学显微镜等表征手段对试验件腐蚀程度、腐蚀区的微量元素定性定量分析，并对电连接器的腐蚀方式和失效机理进行分析和讨论。

选取的电连接器试验件为航空常用的J599 型连接器，根据表面处理和材质的不同，对5组电连接器试验件进行编号，具体信息如表1 所示。电连接器试验件的插针、插孔和插针插孔连接方式，如图1所示。

表1 电连接器具体参数信息Tab.1 Specific parameter information of electrical connectors

图1 电连接器试验件的实物图Fig.1 Physical diagram of electrical connector test piece

依据GJB 8993.1—2017《军用装备自然环境试验方法》，将电连接器置于南沙岛礁自然环境中暴晒12个月。所处环境全年平均温度25 ℃，平均相对湿度85%，平均每天盐沉降量2×10-3g/m2。电连接器通电总时长400 h，插拔次数75次。

使用OLYMPUS 公司生产的型号为DP72 的光学显微镜对失效的电连接器的腐蚀情况进行观察；
采用JEOL 公司生产的型号为JSM-7001F 热场发射扫描电子显微镜进一步观察腐蚀形貌，并通过其附带的EDS对电连接器进行成分含量和面成分分布的分析。

2.1 电连接器的微观形貌和成分分析

首先，通过光学显微镜对电连接器的插针进行观察，发现插针的腐蚀形貌主要集中在插针的头部以及中间轴身，腐蚀形态以点蚀和局部腐蚀为主，并有严重锈蚀和蚀坑，如图2 a）所示。结合光学显微镜下的结果，对光学显微镜观察到的区域通过SEM进一步观察，发现插针的头部为点腐蚀坑，如图2 b）所示。对腐蚀区域和非腐蚀区域进行EDS 能谱分析，可以发现：灰暗区域（点成分1）有较高的O含量（55.59 at.%），Ag含量为44.41 at.%；
而明亮区域（点成分2）O 含量为13.26 at.%，Ag含量为86.74 at.%（如表2所示），说明灰暗区域明显为氧化区，Ag膜层被破坏，同时形成了腐蚀产物。

电连接器插孔的点腐蚀区域主要集中在插孔头部，如图2 c）、d）所示。造成这种情况的原因可能是由于插针碰撞或振动，导致镀层出现局部微裂纹。基底金属Cu 和Ni 通过微裂纹与氧气接触，氧化生成腐蚀产物，从基底逐渐向镀层表面扩散。随着腐蚀的加剧，腐蚀产物越来越多，腐蚀深度也越来越深。通过EDS分别对腐蚀区域和非腐蚀区域进行成分对比，发现：灰暗的腐蚀区域（点成分3）有较高的O 含量（78.77 at.%）和较低的Ag含量（21.23 at.%）；
而明亮的非腐蚀区域（点成分4）O 和Ag 的含量分别为14.09 at.%和85.91 at.%（如表2 所示），这说明腐蚀区域含有大量的腐蚀产物。

表2 不同试样的成分Tab.2 Composition of different samplesat.%

图2 试样S1和S2的光学显微镜图像和SEM图像Fig.2 Optical microscope images and SEM images of sample S1 and S2

对Au镀层的插头和插孔的情况进行了研究。图3 a）是试样S3的光学显微镜图像。由图可见，Au镀层的插针头部已出现多处凹坑和腐蚀坑，且出现绿色的锈蚀。通过SEM 对被严重腐蚀的插针头部的进一步观察，发现腐蚀区域出现大量的腐蚀产物和微裂纹，如图3 b）所示。结合EDS成分分析得出，该腐蚀区域主要由Au、Ni、Cu、O、Na 和Cl 元素组成，如表3 所示。其中，Au、Ni、Cu、O、Na 和Cl 元素的含量分别为8.25 at.%、8.25 at.%、9.28 at.%、62.84 at.%、7.33 at.%和4.05 at.%，这说明电连接器试样S3 的头部局部Au 镀层已发生脱落，并氧化产生了大量腐蚀产物，出现了严重的锈蚀情况。对面成分进一步分析发现，腐蚀产物主要由Ni、Cu、O和Cl元素组成，未腐蚀区域主要由镀层Au元素构成，如图3 c）所示，这说明Cl-会加速电连接器局部腐蚀进程。在海洋环境下，电连接器表层会形成一层水膜，水膜中的强吸附性Cl-会在电连接器表面吸附。由于镀层存在非金属杂质，在Cl-的腐蚀作用下，其表面将会有点蚀坑形成，随着Cl-在点蚀处的堆积，Cl-与镀层中的阳离子形成可溶性氯化物，导致水膜的pH 值下降为酸性，进而促进了镀层的钝化层被腐蚀。为了平衡点蚀坑的电中性，使Cl-进一步向电连接器内部迁移，直至裸露基底Cu 合金，Cl-与基底的金属阳离子反应生成绿色的CuCl2[17]。

图3 电连接器试样S3的形貌和元素映射图像Fig.3 Morphology and elemental mapping image of electrical connector sample S3

随后，对另一组Au镀层的插头试样S4进行观察，发现Au镀层表面出现了较多的凹坑和腐蚀坑，如图4 a）、b）所示，结合Ag的镀层，可发现Au镀层的插针均出现较多凹坑，造成这种情况的原因可能是Ag 的硬度高于Au[18]。结合EDS成分分析得出，该腐蚀区域也主要由Au、Ni、Cu、O、Na 和Cl 元素组成，如表3 所示。其中，Au、Ni、Cu、O、Na 和Cl 元素的含量分别为15.98 at.%、2.79 at.%、10.15 at.%、59.77 at.%、7.80 at.%和3.51 at.%，表明该区域镀层Au 已局部脱落，且形成了大量的腐蚀产物。通过面成分分析可知，被腐蚀区域主要由Ni、Cu、Cl和O元素组成，未腐蚀区域主要是Au镀层，如图4 c）所示。这进一步说明，Cl-加速了电连接器的腐蚀速率，试样S4插针的头部局部的镀膜脱落并被腐蚀，同时生成新的腐蚀产物，且基底被破坏。

图4 电连接器试样S4的形貌和元素映射图像Fig.4 Morphology and elemental mapping image of electrical connector sample S4

表3 不同试样腐蚀区域的成分分析Tab.3 Compositional analysis of corrosion regions of different samplesat.%

图5 a）、b）显示了试样S5 插孔被腐蚀的形貌，可发现该插孔表面腐蚀坑较少，在SEM下可观察到存在局部腐蚀坑。对腐蚀坑进行EDS成分分析发现，该腐蚀区域成分组成为O、Cl、Na、Cr、Fe和Ni元素，如表3所示，其中，O、Cl、Na、Cr、Fe 和Ni 元素的含量分别为26.21 at.%、1.95 at.%、3.10 at.%、13.43 at.%、49.46 at.%和5.85 at.%，表明该腐蚀坑区域内含有少量的金属盐腐蚀产物，而没有检测到基底Cu元素，说明该镀层在高温、高盐和高湿的条件下，可较好地保护电连接器，避免出现被腐蚀情况。通过面扫描进一步分析腐蚀坑的成分分布可知，被腐蚀区域的腐蚀物主要由O、Cl和Ni 元素组成，未腐蚀区域主要由镀层Fe-Cr 合金中的Fe 和Cr 元素组成，如图5 c）所示。这说明，被腐蚀区域暴露了少部分中间层Ni，且未被腐蚀到基底。插针和插孔的插拔以及高温、高盐和高湿的环境，使得插孔的头部局部的镀膜脱落并被腐蚀，Fe-Cr 合金镀膜被破坏，同时生成了部分腐蚀产物。

图5 电连接器试样S5的形貌和元素映射图像Fig.5 Morphology and elemental mapping image of electrical connector sample S5

2.2 腐蚀方式和失效机理的分析讨论

在高温、高盐和高湿条件下，造成电连接器失效的主要原因是电连接器的插针或插孔的镀层、中间层和基底材料以电化学方式被腐蚀。电连接器被腐蚀的方式主要有电化学腐蚀和电应力腐蚀，以镀层为Au，中间层为Ni，基底材料为Cu 的电连接器为例，介绍这些腐蚀方式的腐蚀过程。

2.2.1 电化学腐蚀

电连接器长时间在干燥的空气里不易被腐蚀，但在高温、高湿和高盐条件下却很快会被腐蚀，这主要是由于在潮湿的空气里，电连接器的表面吸附了1 层薄薄的水膜，这层水膜里含有少量的Cl-与OH-，还溶解了O2等气体，最终，在电连接器镀层表面形成了1层电解质溶液，而浸泡在电解质溶液中的镀层Au 合金是不纯的，还含有其他金属和杂质，且杂质没有Au活泼。这样在形成微电池循环过程中，阳极为Au，阴极为杂质，Au 失去电子而被氧化。随着腐蚀的进行，电极电位较低的中间层和基底材料作为阳极也将会被腐蚀[19]。

电化学腐蚀中，阳极反应为金属M（M=Au，Ni，Cu）均发生阳极溶解，生成水化金属离子，并把电子留在基底金属铜中，电子从阳极转移阴极，如式（1）所示。

阴极反应为O2和H2O 在阴极表面与剩余电子结合，形成OH-，如式（2）所示。

电解质溶液中的NaCl 离解，形成腐蚀产物，如式（3）或（4）所示。

由此可见，潮湿环境中的O2、H2O 和NaCl 对电连接器的腐蚀起着重要的作用。图6为电化学腐蚀过程的示意图。在O2、H2O 和NaCl 介质的作用下，在镀层Au 表面形成的1 层电解质溶液导致镀层的钝化层出现破损，腐蚀在破损的镀层Au 下迅速延伸，并形成AuCl 腐蚀产物。随着腐蚀的进行，Au 会与周围的Ni形成原电池，引起电偶腐蚀。蚀坑会向中间层Ni 深入，直到基底Cu合金被进一步腐蚀，并形成大量金属盐腐蚀产物。随着金属盐腐蚀产物的堆积和体积膨胀，镀层Au 破损甚至脱落。金属盐腐蚀产物不断增加，会导致电阻的增加，进而导致电连接器出现短路故障；
大量的腐蚀产物也会降低绝缘性能，进而引起电连接器短路。

图6 电化学腐蚀过程的示意图Fig.6 Schematic diagram of the electrochemical corrosion process

2.2.2 电应力腐蚀

由于电连接器插针和插孔的接触面不是绝对光滑的，因此，仅通过凸出的接触点连接来实现传导电流，主要靠接触压力来实现。由此，便在插针和插孔的接触点之间形成载荷，而长时间载荷会促进电连接器镀层产生晶间型裂纹，裂纹一旦形成，在裂纹前沿会形成应力集中区，使得裂纹扩展至镀层发生破裂。在施加电流后会提升接触点的温度，进一步加剧电连接器镀层破裂进程，导致裂纹扩展至基底材料[20]，电应力腐蚀过程如图7所示。

图7 电应力腐蚀过程的示意图Fig.7 Schematic diagram of the electrical stress corrosion process

在试验过程中，反复的插拔电连接器会促使镀层多处出现晶间型裂纹。此外，电连接器在接触点之间主要是靠接触压力实现的，而接触压力会出现蠕变或压力松弛等现象，从而导致接触压力降低，造成插针和插孔接触不良。应力腐蚀形成的大量凹凸不平金属盐腐蚀物会加剧降低接触界面的压力，进一步导致接触不良问题的出现，最终致使电连接器失效。

基于海洋环境，对自然暴晒试验和实验室多应力加速试验的车载电连接器的壳体和针孔的腐蚀情况进行微观分析。利用光学显微镜、SEM和EDS分析测试得到以下结论。

在电连接器的中间轴身位置和头部高应力接触区（插针和插孔接触）电连接器腐蚀发生的概率较高，腐蚀形态以点腐蚀和局部腐蚀为主，腐蚀后主要特征为镀层脱落、基体被破坏并产生大量腐蚀产物。

电连接器被腐蚀的区域在SEM 中呈暗灰色且被大量腐蚀产物覆盖，被腐蚀区域的O和Cl元素含量较高，说明Cl-在电连接器表面的活性位置发生吸附，加速了电连接器的腐蚀速率；
腐蚀区域镀层元素含量大大降低，说明镀层破损甚至脱落；
腐蚀区域基底元素可被检测，说明基底已暴露且被腐蚀和破坏。

本文总结了电连接器的腐蚀方式和失效机理。腐蚀方式归纳起来主要有电应力腐蚀和电化学腐蚀。接触件的失效原因主要有接触电阻增加、绝缘性能降低、电偶腐蚀、应力松弛和蠕变。在腐蚀性介质的作用下，首先是电连接器与镀层形成微电池循环，产生阳极溶解，随后，扩展为基底对Cu 合金进行腐蚀，基底Cu合金失去电子并发生氧化反应。

猜你喜欢插针插孔镀层不同镀层重量的铝硅镀层加热时的镀层结构转变规律金属热处理(2022年10期)2022-10-25Ni/WC复合镀层与Ni-W合金镀层力学性能比较电镀与精饰(2022年8期)2022-08-18复方利多卡因乳膏在减轻患儿输液港插针时疼痛的应用效果分析中外女性健康研究(2020年15期)2020-09-06口红插针器发明与创新·小学生(2020年7期)2020-07-18基于常见失效模式的电连接器装配技术优化机电元件(2020年3期)2020-07-01连接器插孔分离力异常分析与改进研究现代工业经济和信息化(2018年11期)2018-09-21凸轮机构原理在光模块拔插针中的应用装备制造技术(2018年7期)2018-08-30会“劈叉”的插座学苑创造·C版(2018年3期)2018-05-28连接器刚性插针接触对的插入力研究机电元件(2018年2期)2018-04-17镍磷基镀层耐磨性的影响因素机械工程师(2018年10期)2018-02-18