宇航电连接器材料选用和可靠性试验

中心议题：

• 宇航用电连接器的选材质量要求
• 宇航用电连接器主要零件材料选用
• 宇航用电连接器材料的可靠性筛选试验

航天电连接器及其组件是航天系统工程重要的配套接口元件，相当于航天飞行器的血液循环和神经系统。散布在各个系统和部位，负责着信号和能量的传输。

由电连接器互连组成各种电路，从高频到低频、从圆形到矩形、从通过上百安培的大电流连接器到通过微弱信号的高密度连接器、从普通印制板连接器到快速分离、脱落等特种连接器，几乎所有类型品种的连接器在航天系统工程中，都得到了大量应用。举世瞩目的神舟飞船仅推进舱和电源系统就使用了各类连接器500多套。其连接好不好，直接关系到整个系统的安全可靠运行。

神七宇航员出舱行走成功是我国航天发展史上新的里程碑，它标志着我国己进入“天宫”空间实验室研制阶段。下一步空间实验室研制所需的宇航级电连接器，不同于一般战略、战术导弹或地面设备用航天电连接器。它必须经受真空、辐照、臭氧和温度交变等十分复杂严苛的空间环境。

为经受真空、辐照、原子氧和温度交变等十分复杂的空间环境，对宇航用电连接器设计材料选用提出的许多特殊要求。为验证宇宙飞船、空间站上设计所选用的电连接器材料能否经受得往真空、辐照、臭氧等苛严特殊的环境条件，宇航级电连接器产品鉴定试验或周期试验时，必需进行一系列的材料高真空、臭氧暴露、抗辐照、水解稳定性、撞击、可燃性、气味和毒性等可靠性筛选试验。

目前我国还没有制定专门的宇航用电连接器标准，基本上都是按国军标生产验收。即使少数国军标(如GJB599)中提到宇航级电连接器类型和要求，也没有规定宇航级电连接器应具有的全部性能(如辐射、臭氧等)。若按这些标准生产验收电连接器用于空间实验室关键部位，无疑会降低宇航系统整体可靠性。用户在实际应用中为提高宇航用电连接器可靠性，只得用补充协议方式对宇航用电连接器增加真空释气、辐射、臭氧等试验。但因各单位考核方法不一，使得我国宇航用电连接器水平不一，限制了研制、生产和使用。因此急需对宇航级电连接器，特别是材料选用进行分析研究。

1 宇航用电连接器的选材质量要求

1) 满足零件功能要求

接触件选材应以性能为依据。必须保证插合后接触可靠。壳体材料首先要保证设计强度和刚度要求,同时还应满足成型工艺要求。绝缘体材料必须具有优良的电气性 能和作为结构件所需的机械性能。对于起定位、锁紧和屏蔽等功能的卡爪、弹簧爪 和卡环等关键弹性零件,则应选用具有可靠弹性性能的材料。

2）质量轻

质量是宇航系统工程对电连接器各种基本要求之一，选用高比强度、高比刚度材 料，可节省燃料、增加有效载荷，减少发 射宇航飞行器的成本。采用复合材料金属化壳体的电连接器比铝合金壳体的电连接器质量可大大减轻。SAC复合材料圆形电连接器比同类铝合金壳体电连接器质量轻45%

3）耐环境

由于受真空、辐照、原子氧和温度冲击的影响, 宇航用电连接器禁止使用锂、镁、汞、纯锡等材料及有放射性的材料；金属材料应是耐腐蚀的，或者应采用电镀 或进行耐腐蚀处理。不相容金属在接触中使用，特别是黄铜、铜或钢与铝或铝合金接触，往往会引起活性电化学腐蚀，故是不允许的。但允许不相容基体金属进行涂覆以提供相容的或合适的邻接表面。不相 容金属之间合适的绝缘材料隔开使用也是允许的。

禁止使用真空下有害气体释放的非金属材料，一般均不选用PVC塑料；考虑辐射对非金属材料的损害, 连接器的各个非金属零件应选用经试验考核通过的辐射绝缘材料；真空环境中质量损失小，有足够的强度，环境适应性，耐热性、耐腐蚀性和耐 霉菌应符合要求。考虑到航天飞行器的安全, 连接器应选用无毒和阻燃的,或燃烧时能迅速自熄,且很少产生烟雾材料。

4) 满足特殊要求

宇航用电连接器除要求重量轻、体积小、长寿命、高可靠外，必须保证连接器长期贮存后在 冲击、振动、温度交变、真空排气、辐射、氧化、 等离子气体等复杂特殊的航天环境中仍能可靠使用。

对航天器非金属材料空间出气污染性能判断和相应的材料筛选。一般要求被测材料在空间真空环境下的总质量损失(TML)平均值不大于1%,收集到的可凝挥发物平均值不大于0.1%。超出上述规定的材料不得用于航天器。用于飞船生命保障系统的连接器应阻燃无毒，无异味。

5) 高寿命

航天电连接器的长寿命是指在规定工作环境下，在额定值范围内，其使用寿命达到较长的年限。如按航天电子元器件贮存和超期复验规定；在中等环境温湿度控制的库房内，连接器可贮存8年。在使用中，经安装、调试、试验后随卫星上天完成运行寿命的过程约需10年以上，故必须考虑长期贮存后的电连接器在运载火箭飞行段的动力学环境与空间辐射环境中工作的可靠性。
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6) 良好的工艺成型性能

在满足设计预定的零件功能要求之同时,必须考虑材料的工艺性能,应尽可能选用适合于成熟生产工艺、效率高和相对成本低的材料。

例如宇航用电连接器标准规定；压接接触件的绝缘安装板中的接触件固定卡爪应能保持在硬质绝缘安装板中，应能固定接触件并符合标准规定的接触件固定性要求。目前一种与绝缘安装板材料一体化的卡爪精密注塑新工艺，正在逐步替代原卡爪采用铍青铜带冲压成型再嵌入硬质绝缘安装板中的老工艺。

2 宇航用电连接器主要零件材料选用

G类：宇航级
墙式和螺母安装固定电连接器和自由端电连接器，外壳为铝合金导电镀层。

H类：宇航级
气密封固定电连接器，钝化不锈钢外壳。

M类：耐环境耐蚀的复合材料化学镀镍导电外壳。

上述三类电连接器工作温度均为-65℃～200℃。

J类：耐环境耐蚀的复合材料镀镉成军绿色导电外壳。电连接器工作温度为-65℃～175℃。

1）接触件

G类、J类和M类宇航用电连接器一般均选用铍青铜制作接触件，因铍青铜具有比一般青铜和黄铜更高的强度水平。铍青铜接触件承受高应力时能无屈服变形或断裂,维持长期的高应力状态而不松弛,在有限的空间内能提供最大的力。并且具有高的导电率和导热率、优良的抗腐蚀性、良好的工艺性能。退火或冷轧状态带材任何方向都能冲压成形。铍青铜材料随冷作硬化程度的不同,规格直径越细,强度越高,而塑性下降。冷作硬化状态比退火状态强度高,经时效硬化热处理后可进一步提高强度。

对于宇航用毫微米连接器，也有用金合金制作接触件。例如Clenain毫微米连接器接触件间距仅0.635mm，使用ASTM-B-417和ASTM-B-541贵重的金合金制作绞线式弹性插针和插孔。解决了在毫微米插针和插孔上使用金属镀层所产生的电阻和侵蚀等问题。特别适用于宇航员生命保障系统等严格的空间环境。

H类宇航级电连接器接触件选用52镍铁合金或等效材料，以保证和玻璃烧结绝缘体有良好的熔接浸润界面，保证热应力作用下良好的尺寸稳定性和气密性。

2）绝缘体

G类、J类和M类宇航用电连接器常选用纤维增强热塑性聚酯树脂制作绝缘体。该材料热挠曲温度高、刚度大、吸水率低、尺寸稳定、自熄性和优良的电性能。具有玻璃纤维增强尼龙相同高的热挠曲温度,但没有玻璃纤维增强尼龙的高吸水性和尺寸稳定性差等缺点。热塑性聚酯树脂的电性能不受长期湿气暴露的影响。玻璃纤维增强热塑性聚酯树脂的优点在于能保持介电强度、尺寸稳定性和抗蠕变性。聚苯醚树脂密度低,具有较大范围的耐温能力、高度的尺寸稳定性,突出的水解稳定性和优良的机械性能,非常适合作为宇航用电连接器的绝缘体材料。

H类宇航级电连接器常选用针座用烧结玻璃材料，孔座用烧结玻璃密封或硬质绝缘材料；烧结玻璃绝缘体材料与低膨胀合金壳体材料具有较低的膨胀系数，在热应力作用下能保证尺寸稳定和良好的气密性。

3）壳体

G类宇航级电连接器壳体按成型方法不同,可选用硬铝板(棒)机械加工或用锻铝冷挤压成型。冷挤压成型方法生产效率较高、 成本较低。壳体常用材料为硬铝(LY12)和锻铝(LD2) (LD10)等牌号。

H类宇航级气密封固定电连接器壳体可选用1Cr18Ni9Ti不锈钢棒或4J29低膨胀合金棒车制。以保证与玻璃绝缘体烧结后，具有较低的膨胀系数，在热应力作用下能保证尺寸稳定和良好的气密性。

采用复合材料有质量轻、强度高、耐腐蚀等优点。J类和M类宇航用电连接器选用复合材料(有或无增强纤维的耐腐蚀高性能树脂) 制作壳体，有足够强度和环境适应性。用高强度工程塑料代替金属制作连接器外壳，表面再金属化，有效介决了宇航用连接器防腐蚀问题。

4）弹性零件

起锁紧定位功能弹簧爪、卡环、卡钉等关键弹性零件,如。常选用经热处理的铍青铜或不锈钢制作。零件材料性能是否符合标准非常重要。不少连接器失效是由弹性零件失效引起的。而弹性零件失效原因往往是由于材料质量问题。

5）橡胶零件

密封圈、封线体及界面密封垫采用硅橡胶、氟硅橡胶或耐油橡胶等制作，硅橡胶RTV一般具有优良的热和化学稳定性，且在极宽的温度范围 内有高而较恒定的柔软性。
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6）灌封材料

如果尾端的封线体的结构不能与外壳体内壁之间完全紧密接触，则绝缘体与外壳体之间 形成的间隙要采用符合规定的硅橡胶RTV或等效材料给以填充。

7）镀层材料

壳体、接触件等零件，为保证常闭合状态下低电平电路接触件能可靠工作,对表面均需进行电镀。宇航用电连接器禁止采用底层镀银的电镀工艺，禁止采用表面镀锌工艺。

G类宇航级电连接器壳体和尾部附件按相应涂覆标准规定化学镀镍，导电的，应能耐受48h盐雾试验。允许使用适当的底镀层。

H类宇航级电连接器不锈钢壳体和尾部附件钝化处理，且表面层导电。

J类适当底镀层上镀镉，可经受2000h 盐雾试验，表面导电。

M类适当底镀层上化学镀镍，也可经受2000h盐雾试验，表面导电。

由于镀金接触件具有优良的耐蚀、耐磨性能和低的接触电阻,镀金层对氧几乎不吸附。电连接器接触件表面镀金是防止腐蚀 导致接触电阻升高的重要保证。高质量的 镀金层不仅取决于厚度，还取决于镀层是 否具有牢固的与基体材料的结合力、耐磨 损和低的孔隙率。故镀金接触件广泛应用 于可靠性要求高的宇航级电连接器。宇航 级电连接器技术标准中通常都规定；镀金 层厚度应大于1.27μm。

3 宇航用电连接器材料的可靠性筛选试验

宇航电连接器技术标准中通常都规定；宇航用电连接器的全部材料，在产品鉴定 试验时需进行高真空(真空释气、真空烘烤、真空温升) 、臭氧暴露和抗辐照等环境试验。用于外壳、连接帽、锁紧螺母和绝缘体等零件的复合材料或高性能树脂还需进行水 解稳定性和撞击等试验。宇航级柔软和半硬电缆用高可靠射频同轴连接器产品鉴定试验时需进行可燃性、气味和毒性（废气）等试验。

3.1高真空环境试验

3.1.1 释气试验

在低压下，当未反应的添加剂、填充或封装材料、硅橡胶密封垫、杂质、吸收的气体或 潮气蒸发时，会出现释气，它冷凝到器件表面 引起性能下降。释气材料也可能变得更硬或更 脆。对于可居住的环境，释出的有害气体还可 能影响人的生命安全。为防止释气，宇航用的电连接器或可能会释气的部件必须进行释气(烘干)处理。电连接器中使用的所有材料失重应不大于1.0%，可收集的挥发冷凝物质应不大于0.1%。

3.1.2 真空烘烤试验

压接式样品为不带接触件的连接器或固定式电连接器放在真空箱里。真空箱压力 低于1.33×10-3pa，温度125℃，烘烤24h。

试验结束后应检查外观符合规定要求：

1）按产品相应规范规定检查连接器标志， 应完整、正确、牢固、清晰，位置正确；

2）电连接器的零部件、附件应齐套、正确，应符合产品相应规范的规定；

3) 外壳内、外表面应无划伤、压痕、毛刺、裂纹、锈蚀和其它影响机械或电性能的损 伤，涂层应光洁、色泽均匀，无气泡、起皮、 漏镀、污迹；应无可见多余物；

4) 镀金接触件色泽为金黄色，镀层应均匀光亮、整齐不变形，无起皮、漏镀和锈斑；

5) 绝缘体表面应平整、色泽均匀、无气泡、无裂纹、无缺损；密封电连接器的玻璃烧结 绝缘体应无放射状裂纹。

3.1.3真空温升试验

试验时,应将常有导线并贴上热敏电阻器的组装好的连接器安装在试验箱内并使 箱中压力降至1.33×10-3pa，且保持2h。并连续施加于每种号码的接触件上一规定 电流值(规定值=额定电负载×多芯接触件电流下降率0.64(真空下降率))，连续加电2h，测量电连接器的温升应小于45 ℃。

3.2 臭氧暴露试验

宇航环境中，大氧中的臭氧、飞行器内的自由氧原子因飞行器高速运行而高速撞击， 会使氧化过程加快。为此接好线插合好的宇 航用电连接器应按GJB1217-91方法1007规定进行臭氧暴露试验。

试验后应无出现绝缘材料裂纹或对性能产生有害影响的其他损坏(如零件松动破裂、橡胶变质、绝缘体粘接失效、弹性材料过分膨 胀、界面密封件损坏等)。

3.3 抗辐照试验

宇航环境中由于地球或其它星体磁场发射的强烈电磁辐射、太阳光的强烈照射、大 气中带电粒子碰撞形成的等离子气体等影 响，会使连接器性能、可靠性、寿命降低。 为此需根据不同应用部位进行抗辐照试验。
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可采用钴60γ射线源或回转粒子加速器二种方法进行辐照试验。试验后外观、耐压和绝缘电阻检验应符合有关标准规定。

3.4 水解稳定性试验

用复合材料制作壳体等零件的J类和M类宇航用电连接器产品鉴定试验和质量一致性C组检验时需进行水解稳定性试验。
电连接器应进行下列吸水性试验。试样增量百分数按下式计算(精确到0.01%)：

M%=(M1-M0 / M0 )×100%

式中：M---增量；
M1 ---试样吸湿后重量，单位为克(g)；
M0 ---试样重量，单位为克(g)。

试验后，电连接器应无有害于机械性能的缺陷。电连接器重量增加应不大于0.75%。当承受标准规定数值1.5倍过扭矩时，零件应无裂纹、破裂或松动。

3.5 撞击试验

用复合材料制作壳体等零件的J类和M 类宇航用电连接器产品鉴定试验和质量一致性C组检验时需进行撞击试验。

按GJB1217-1991电连接器试验方法进行撞击试验，电连接器绝缘体或外壳应 无裂纹或开裂，也应不出现妨碍电连接器插合或分离的接触件弯曲或损伤。

3.6 可燃性试验

宇航环境中气压极低，绝缘材料绝缘性能会迅速下降，由于接触件接触不良或其它原因会引 起起火或打火现象。可燃性试验目的是确定材料在受到标准火源作用时，是否能自熄，燃烧的碎屑不应转移(这些碎屑能够引燃邻近的材料。

试样应是标准体积的样品且数量至少为3 个，其燃烧长度不能超过15cm。此外，被点燃的试样燃烧碎屑不应转移火焰。任何一个试样失效将构成材料的失效。这些试验应在最坏条件厚度的试样上和最恶劣的环境下进行。

3.7 气味评定试验

试验目的是确定材料或组装成品是否会发出不好的或令人讨厌的气味。试验选定材料或组装 成品应符合试验判据，质量至少为45.4Kg。召集气味专家组至少有5名合格成员，处理取自试样容器的至少30cm3气体。每个气味专家组时对取自试样容器的气体应给定一个气味等级：

察觉不到的气味------0级
勉强察觉的气味------1级
容易察觉的气味------2级
不好的气味----------3级
讨厌的气味----------4级

在试验后2h至4h之间，应对专家组成员进行鼻炎或其它状况的医学检查，并应记录该项检查结果。每个专家组成员每48h只能经受一个气味试样的作用。

材料或组装成品根据试验得出的平均气味等级应小于2.5。试验得出的平均气味等级大于等于2.5，则材料或组装成品发出的气味是不好的或令人讨厌的。

3.8 废气生成物的确定试验

试验目的是确定来自材料或组装成品的挥发性废气生成物的特性和数量。

SMAC (载人宇宙飞船允许的废气最大浓度值) 是指规定飞行期间的宇宙飞船居住面积允许的最大废气浓度。

T (毒性危险指数)是指各种废气生成物与SMAC值之比，并且这是未分毒性类别的所有废气生成物总和的比值。某一元件或材料的所有挥发性废气生成物总的毒性有害指数T值应小于0.5。