劉琦，郁大照，王琳，許振曉，程賢斌

（1.海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000；2.92279部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264000）

飛機(jī)在海上或沿海基地服役時(shí)，必須要面對(duì)高溫、高濕和高鹽霧的環(huán)境氣氛帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題。電連接器在飛機(jī)上廣泛用于配電或傳輸信號(hào)，在這樣的環(huán)境中，如果發(fā)生殼體腐蝕、絕緣性能下降、導(dǎo)通電阻增加甚至斷路等問(wèn)題，將有可能直接威脅飛行安全[1]。特別是接觸件發(fā)生腐蝕時(shí)，將直接導(dǎo)致接觸電阻增加，對(duì)電力和信號(hào)傳輸產(chǎn)生不利影響。

Pradeep Lall等[2-4]建立了電極表面污染物擴(kuò)散與腐蝕動(dòng)力學(xué)模型，提出了基于電化學(xué)極化計(jì)算溫度/濕度環(huán)境下Cu-Al絲結(jié)合界面微電偶腐蝕速率的方法，并將測(cè)得的開(kāi)路電位和極化曲線斜率等Tafel參數(shù)應(yīng)用于腐蝕仿真模型當(dāng)中。Li Chentao等[5]利用COMSOL模擬了室外典型變電站設(shè)備的大氣腐蝕行為，討論了溫度、相對(duì)濕度、pH值、O2濃度、液膜鹽度和泄漏電流強(qiáng)度等因素的影響。Kong Zhigang等[6]研究了HNO3蒸汽對(duì)不同電連接器材料的影響，發(fā)現(xiàn)鍍金試樣與其他試樣相比，具有更好的耐腐蝕性能，其腐蝕程度隨鍍金層厚度的增加而降低，鍍金層孔隙率隨腐蝕時(shí)間的增加而增加。李云雙等[7]研究發(fā)現(xiàn)，Au/Ni/Cu薄膜失效的主要方式是表面金膜破裂，下方Ni和Cu發(fā)生腐蝕，并擴(kuò)散到Au表面。筆者團(tuán)隊(duì)[8-11]、朱蒙[12]、林雪燕[13]、譚曉明和張丹峰等[14-15]也開(kāi)展了不同環(huán)境對(duì)電連接器腐蝕影響的加速試驗(yàn)和仿真研究。目前報(bào)道的航空電連接器加速腐蝕試驗(yàn)大多是基于實(shí)驗(yàn)室單一環(huán)境變量開(kāi)展的研究，不能反映真實(shí)飛機(jī)服役環(huán)境下電連接器的失效行為和規(guī)律，而這對(duì)于電連接器的壽命預(yù)測(cè)、故障分析以及機(jī)務(wù)維護(hù)工作都是十分必要的。

本研究根據(jù)典型航空裝備南海服役環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè) 計(jì)了鹽霧加交變濕熱加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，開(kāi)展了航空電連接加速試驗(yàn)和分析，并構(gòu)建了COMSOL有限元模型，用以模擬和分析電接觸腐蝕失效機(jī)理。

1 加速試驗(yàn)

本海洋環(huán)境加速試驗(yàn)選取的試驗(yàn)對(duì)象為航空常用的J599型電連接器，采用的試樣樣品分別為117廠和158廠生產(chǎn)的J599型不同規(guī)格器件，具體規(guī)格和材料工藝見(jiàn)表1。

表1 電連接器試驗(yàn)樣品規(guī)格和材料 Tab.1 Specifications and materials of electrical connector test samples

航空電連接器工作于航空裝備內(nèi)部的半封閉環(huán)境，不接受太陽(yáng)輻射和雨水的直接作用，主要受潮濕空氣、鹽霧、溫度變化影響，故環(huán)境因子主要考慮濕熱、鹽霧和干濕交替作用的影響。選用GJB 1217A電連接器試驗(yàn)方法中的“1001：鹽霧試驗(yàn)”和“1002：交變濕熱試驗(yàn)”，按照先鹽霧試驗(yàn)、后交變濕熱試驗(yàn)的步驟進(jìn)行。其中1個(gè)循環(huán)周期由24 h鹽霧試驗(yàn)和96 h交變濕熱試驗(yàn)組成。每2個(gè)循環(huán)周期后，對(duì)試樣做一次性能檢測(cè)，試驗(yàn)共進(jìn)行14個(gè)循環(huán)，總計(jì)1680 h，加速試驗(yàn)的循環(huán)如圖1所示。

1）鹽霧試驗(yàn)。鹽霧試驗(yàn)用于模擬自然環(huán)境下空氣中鹽霧在電連接器表面的沉積。根據(jù)南沙島礁實(shí)測(cè)的最高溫度設(shè)置鹽霧試驗(yàn)的溫度，基于南沙某島礁2017年1月至2018年12月的溫度時(shí)值，統(tǒng)計(jì)出的溫度極值為33.6 ℃，并考慮電連接器安裝的內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)傳熱的影響，設(shè)置鹽霧試驗(yàn)溫度為35 ℃。其他條件參見(jiàn)圖1。

圖1 海洋環(huán)境加速試驗(yàn)方法 Fig.1 Methods of accelerated test for Marine environment

2）交變濕熱試驗(yàn)。交變濕熱試驗(yàn)用于模擬航空裝備使用中溫度變化帶來(lái)的腐蝕過(guò)程的呼吸作用，形成潮氣在電連接器表面吸附和滲透的作用力，使得潮氣部分滲入密封的電連接器內(nèi)部，試驗(yàn)條件如圖2所示。

圖2 交變濕熱試驗(yàn)條件 Fig.2 Schematic diagram of alternating humidity and heat test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 外觀腐蝕

加速試驗(yàn)結(jié)束后，3種試驗(yàn)樣品外觀腐蝕形貌如圖3所示。鋁合金鍍軍綠鎘電連接器試驗(yàn)1680 h后，殼體腐蝕嚴(yán)重，腐蝕現(xiàn)象以白霜、起泡、剝落為主，集中于安裝法蘭盤(pán)處。試驗(yàn)480 h后，其插頭插座不能正常打開(kāi)。鋁合金鍍層電連接器試驗(yàn)1680 h后，殼體腐蝕中度，腐蝕現(xiàn)象以白色腐蝕產(chǎn)物、起泡、剝落為主，腐蝕情況較鋁合金鍍軍綠鎘電連接器輕微。不銹鋼電連接器試驗(yàn)1680 h后，外部殼體腐蝕輕微， 以點(diǎn)蝕現(xiàn)象為主，腐蝕情況較前兩種電連接器輕微，但殼體內(nèi)部表面腐蝕情況較外部嚴(yán)重。

圖3 試驗(yàn)樣品1680 h外觀腐蝕形貌 Fig.3 Corrosion morphology of the shell of test samples at 1680 h: a) aluminum alloy plated military green cadmium electrical connector; b) aluminum alloy plated electrical connector; c) stainless steel electrical connector

在相同試驗(yàn)條件和試驗(yàn)時(shí)間，不銹鋼殼體外表面腐蝕程度相對(duì)較輕，而兩種鋁合金殼體腐蝕相對(duì)嚴(yán)重，特別是鍍軍綠鎘殼體電連接器，殼體外表面腐蝕尤為明顯。不銹鋼殼體表現(xiàn)出良好的耐蝕性，主要原因在于不銹鋼材質(zhì)表面具有富Cr層，與O2反應(yīng)生成致密的Cr2O3和CrO3保護(hù)膜，可以從物理上阻隔腐蝕介質(zhì)與內(nèi)部Fe原子接觸，而且鈍化膜遭到磨損破壞時(shí)還具有一定的自修復(fù)功能。對(duì)于鋁合金殼體的電連接器，其殼體表面的鍍隔層屬于陰極性鍍層，完整的鍍層可以從物理上阻隔腐蝕介質(zhì)直接接觸鋁合金基體，從而達(dá)到保護(hù)目的，但如果鍍層完整性遭到破壞，反而會(huì)導(dǎo)致基體腐蝕速率加快。試驗(yàn)中，2種鋁合金電連接器殼體材料的腐蝕存在差異，這主要與鍍層結(jié)構(gòu)特征、表面質(zhì)量、元素含量、厚度等相關(guān)。

2.2 接觸電阻

為對(duì)比分析試驗(yàn)前后的電性能，對(duì)鋁合金鍍軍綠鎘、鋁合金鍍層和不銹鋼電連接器分別選取并固定了12、18和16個(gè)芯線，測(cè)試其接觸電阻，其接觸電阻變化情況如圖4所示。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到960 h時(shí)，電連接器的接觸電阻顯著增大。試驗(yàn)1200 h后，接觸電阻起伏波動(dòng)尤其明顯。截止試驗(yàn)結(jié)束，鋁合金鍍軍綠鎘電連接器的平均接觸電阻阻值由原始值22.225 mΩ增至34.058 mΩ，增幅為53.24%；鋁合金鍍層電連接器由原始值28.232 mΩ增至35.877 mΩ，增幅為27.08%；不銹鋼電連接器由原始值17.460 mΩ增至31.737 mΩ，增幅為81.77%。接觸電阻在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，引起波動(dòng)的原因之一是每次進(jìn)行性能檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)電連接器進(jìn)行一次插拔，觀察內(nèi)部腐蝕情況。但阻值整體呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，插拔不是主要影響因素。

圖4 電連接器接觸電阻整體變化情況 Fig.4 The overall change of contact resistance of electrical connectors

不銹鋼電連接器殼體腐蝕最輕，但接觸電阻波動(dòng)幅度最大。對(duì)比其內(nèi)外的腐蝕情況可以看出，在1680 h的鹽霧和交變濕熱試驗(yàn)條件下，盡管殼體外部不銹鋼尚未發(fā)生明顯腐蝕，但其內(nèi)部金屬卡圈、插孔邊緣等已出現(xiàn)鹽顆粒沉積，并發(fā)生腐蝕（見(jiàn)圖5）。以上現(xiàn)象表明，鹽霧、水汽等通過(guò)電連接器殼體螺紋口、定位槽等部位侵入殼體內(nèi)部，加之試驗(yàn)溫度變化引起內(nèi)部水汽等冷凝且不斷累積，難以從殼體內(nèi)部排 ?除，造成殼體內(nèi)部局部環(huán)境的水分、Cl－等腐蝕介質(zhì)含量持續(xù)增加，局部腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷程度加劇。

圖5 不銹鋼電連接器內(nèi)部腐蝕形貌 Fig.5 Internal corrosion morphology of stainless steel electrical connectors

接觸件以銅合金為基材，在基材上依次鍍鎳和金。銅合金具有良好的電氣和力學(xué)性能，但對(duì)大氣污染敏感，理論上能夠在各種環(huán)境中發(fā)生腐蝕。金元素難以氧化，鍍金層既有良好的導(dǎo)電性，又可以保護(hù)銅避免發(fā)生腐蝕。當(dāng)鍍金層厚度低于5 μm時(shí)，由于電鍍工藝限制會(huì)導(dǎo)致金鍍層出現(xiàn)孔隙，發(fā)生微孔腐蝕[16]。在銅和金之間鍍上鎳中間層，因?yàn)殂~在鎳中擴(kuò)散速度極低，可以有效防止銅原子發(fā)生擴(kuò)散，同時(shí)鎳表面可以在鍍金層的微孔處生成致密絕緣的NiO層，緩解環(huán)境的侵蝕。

取下受到腐蝕的插針和插孔，進(jìn)行EDS能譜分析，插針?lè)治鼋Y(jié)果見(jiàn)圖6和表2，插孔與之類(lèi)似。在插針中段往上，靠近與插孔結(jié)合處，存在明顯的長(zhǎng)條

表2 EDS分析結(jié)果 Tab.2 EDS analysis results

圖6 插針EDS能譜分析 Fig.6 Analysis of pin EDS spectrum

形腐蝕帶，中部與根部均有腐蝕產(chǎn)物和鹽的堆積，表明試驗(yàn)中鹽霧與水汽進(jìn)入到插針插孔內(nèi)部，參與了腐蝕反應(yīng)。腐蝕處僅有少量的Au和Ni元素存在，Cu原子數(shù)分?jǐn)?shù)為18.70%，O原子數(shù)分?jǐn)?shù)為55.70%，Cl原子數(shù)分?jǐn)?shù)為11.26%。表明中間鎳層和基底銅都被腐蝕氧化，腐蝕產(chǎn)物向外擴(kuò)散和膨脹，導(dǎo)致金鍍層不斷遭到破壞，鍍Ni層在基底Cu之上，在腐蝕中先于Cu發(fā)生腐蝕，但含量較少。腐蝕產(chǎn)物在干燥狀態(tài)下呈藍(lán)綠色，可知其中主要為銅的氧化物，又根據(jù)Cl元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)比Na元素高3.74%，可知腐蝕產(chǎn)物中還存在堿式氯化銅。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，插針的腐蝕區(qū)域主要集中在插針、插孔接觸的附近區(qū)域（如圖7所示），這一區(qū)域恰好是受毛細(xì)作用影響最大的區(qū)域。插針與插孔結(jié)合處的縫隙距離為0，靠近結(jié)合處的縫隙距離極小，沿著結(jié)合處向兩側(cè)擴(kuò)展逐漸增大。鹽霧、水汽等侵入連接器內(nèi)部后，水汽附著在固體壁面，形成液體。由于固體壁面對(duì)水分子的附著力大于水分子之間的內(nèi)聚力，在靠近針孔結(jié)合處縫隙極窄的地方，會(huì)發(fā)生固、液、氣三相界面上的毛細(xì)現(xiàn)象，導(dǎo)致有液體集聚。當(dāng)毛細(xì)作用區(qū)內(nèi)的Au鍍層存在微孔或磨損等缺陷時(shí)，下方的鍍Ni層和Cu基體就會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，集聚 的液體充當(dāng)了腐蝕原電池的電解質(zhì)，所以此處的腐蝕水平明顯高于其他區(qū)域。腐蝕坑導(dǎo)致接觸件表面粗糙度增加，減小了接觸區(qū)有效面積，同時(shí)，腐蝕產(chǎn)物中的Cu2O為阻值極高的半導(dǎo)體，CuO為絕緣體，腐蝕產(chǎn)物堆積膨脹，最終脹破，鍍Au層分布到接觸件表面，導(dǎo)致接觸件電阻值升高，并發(fā)生波動(dòng)。腐蝕過(guò)程和產(chǎn)物受環(huán)境條件和插拔影響明顯，因此，接觸件受到腐蝕后的接觸電阻波動(dòng)范圍較大，并且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，整體趨勢(shì)是上升的。

圖7 插針和插孔的接觸區(qū)和毛細(xì)作用區(qū) Fig.7 The contact area and capillary action area between the pin and socket

2.3 其他電氣性能

周期性電性能測(cè)試過(guò)程中，電連接器殼體與芯線、芯線與芯線之間的耐壓強(qiáng)度和絕緣電阻都發(fā)生了明顯變化，漏電流呈增大趨勢(shì)。絕緣電阻逐漸減小，均由原來(lái)的大于10 GΩ減小到小于1 MΩ。隨著試驗(yàn)的開(kāi)展，后期部分試樣的耐壓強(qiáng)度出現(xiàn)了間歇通不過(guò)和持續(xù)通不過(guò)兩種現(xiàn)象。前者可能是暫時(shí)短路引起的通不過(guò)，而后者是由試樣的電性能失效引起的。因?yàn)殡娺B接器殼體在試驗(yàn)過(guò)程中受鹽霧和交變濕熱因素交替作用，部分水汽和腐蝕介質(zhì)通過(guò)定位槽和螺紋等進(jìn)入到電連接器內(nèi)部的插針插孔處，停留在電連接器內(nèi)部的水汽和介質(zhì)等無(wú)法完全從電連接器中擴(kuò)散出來(lái)，則形成了一個(gè)相對(duì)密閉的濕潤(rùn)空間，出現(xiàn)了本次測(cè)試短路通不過(guò)而在下一循環(huán)測(cè)試時(shí)出現(xiàn)能通過(guò)現(xiàn)象。后者的表現(xiàn)則可能是電連接器在試驗(yàn)后，殼體表面腐蝕、水汽擴(kuò)散、內(nèi)部絕緣材料吸濕等，引起電性能下降至規(guī)定值以下，使得樣品本身在試驗(yàn)過(guò)程中失效。

3 接觸件腐蝕仿真分析

3.1 仿真模型構(gòu)建

在實(shí)際應(yīng)用中，接觸件的鍍層不會(huì)一直保持完整無(wú)缺的狀態(tài)，造成鍍層缺陷或破壞的原因主要有3個(gè)方面。1）鍍層本身存在孔隙缺陷，這是由材料和工藝特性造成的；2）接觸件在插拔過(guò)程中，受到機(jī)械損傷，導(dǎo)致部分鍍層材料被磨損去除；3）接觸件在插合狀態(tài)下，由于機(jī)械應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力以及電應(yīng)力的作用，產(chǎn)生了微動(dòng)磨損。根據(jù)接觸件表面不同的鍍層完好狀態(tài)，可將其簡(jiǎn)化為鍍Au層破損和鍍Ni層破損（包括鍍Au層破損）兩種情形，參照真實(shí)接觸界面在COMSOL Multiphysics中建立簡(jiǎn)化腐蝕模型，如圖8所示。

圖8 鍍層不完整的簡(jiǎn)化模型及其在COMSOL中對(duì)應(yīng)的幾何模型 Fig.8 Simplified model of the defective coating and corresponding geometric model in COMSOL: a) defective Au coating; b) defective Ni coating

為便于分析，在模型中作出如下假設(shè)：1）模型無(wú)外加電位干擾，電偶反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力為金屬間電勢(shì)差；2）將毛細(xì)作用區(qū)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)30 μm、高10 μm的長(zhǎng)方形區(qū)域，且忽略水汽集聚成液滴的過(guò)程，即液位無(wú)變化，內(nèi)部電解質(zhì)為5% NaCl溶液；3）忽略電極表面雙電層和電解質(zhì)中發(fā)生的對(duì)流影響；4）參照J(rèn)599/20MWE-35規(guī)格設(shè)置鍍Au層厚度為1.5 μm，鍍Ni層厚度為2 μm，鍍層缺陷區(qū)域剖面為圓角矩形， 長(zhǎng)1.8 μm，圓角半徑為0.5 μm。

鍍金層存在孔隙，鍍鎳層接觸NaCl溶液時(shí)，由于Cl－具有很強(qiáng)的吸附性和穿透能力，會(huì)不斷破壞鎳金屬表面的鈍化膜，使其耐蝕性降低。新鮮的鎳與鍍金層和鈍化膜區(qū)域之間存在電勢(shì)差，于是鍍金層和鈍化膜區(qū)域作為陰極，裸露的鎳作為陽(yáng)極，發(fā)生電化學(xué)腐蝕[17]，反應(yīng)過(guò)程為：

鍍金層與鍍鎳層均發(fā)生破損，裸露銅基體接觸NaCl溶液時(shí)，即作為陽(yáng)極發(fā)生電偶腐蝕，Cl－在其中起到加速催化的作用[18]，反應(yīng)過(guò)程為：

兩種情形下的陰極反應(yīng)發(fā)生在Au電極表面，為吸氧反應(yīng)和析氫反應(yīng)。

在腐蝕仿真過(guò)程中，陽(yáng)極反應(yīng)通過(guò)材料極化曲線進(jìn)行控制。通過(guò)文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]分別獲得純鎳和H62銅合金在35 ℃條件下5% NaCl溶液中的極化曲線，如圖9所示。將極化曲線數(shù)值的插值函數(shù)作為電極動(dòng)力學(xué)表達(dá)式輸入模型。

圖9 純鎳和H62銅合金在5% NaCl溶液中的極化曲線 Fig.9 Polarization curves of pure nickel and H62 copper alloy in 5% NaCl solution

陰極反應(yīng)通過(guò)Tafel公式進(jìn)行控制，陰極Tafel表達(dá)式定義為：

式中：負(fù)號(hào)表示負(fù)的陰極電荷轉(zhuǎn)移電流；i0為交換電流密度；Ac為T(mén)afel斜率，這里為負(fù)值。

在電解質(zhì)里面，通過(guò)質(zhì)量守恒方程，計(jì)算物質(zhì)的傳輸過(guò)程：

式中：ci為某物質(zhì)i的物質(zhì)的量濃度，mol/m3；Ni為物質(zhì)i的總通量，mol/(m2·s)；Ri,tot為電解質(zhì)區(qū)域里面的反應(yīng)源項(xiàng)。

由于表面位點(diǎn)是電子接觸，且與相同的電解質(zhì)接觸，因此可得到一個(gè)凈電流為0的混合電位的原電池。根據(jù)法拉第定律，凈電流可以表示為：

根據(jù)基爾霍夫定律，可以推導(dǎo)出電流守恒方程為：

式中：Ql表示電解質(zhì)里面的電流源，此處為0。

水平集方法是一種使用固定網(wǎng)格來(lái)表示移動(dòng)界面或邊界的技術(shù)，可用于計(jì)算域被界面分割成兩個(gè)域的問(wèn)題。這里采用水平集方法跟蹤接觸件腐蝕產(chǎn)物沉積的移動(dòng)界面。在COMSOL中，水平集函數(shù)φ是一 個(gè)平滑的階躍函數(shù)，在一個(gè)域中等于0，在另一個(gè)域中等于1，界面上的值定義為0.5或其他水平集值。水平集函數(shù)可由求解下面描述界面隨速度場(chǎng)u移動(dòng)的物理方程得到：

式中：左邊的項(xiàng)描述界面的運(yùn)動(dòng)，右邊的項(xiàng)則是保持?jǐn)?shù)值穩(wěn)定性的必需項(xiàng)。參數(shù)ε用于決定φ平滑地從0變化到1的區(qū)域的厚度，通常與網(wǎng)格單元的大小順序相同。參數(shù)γ用于決定水平集函數(shù)的重新初始化或穩(wěn)定的數(shù)量，需要針對(duì)每個(gè)具體問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整，通常γ的合適取值是速度場(chǎng)u的最大值。

利用COMSOL中的二次電流分布、變形幾何、稀物質(zhì)傳遞、水平集和多物理場(chǎng)模塊，分別對(duì)鍍Au層不完整、鍍Au層與鍍Ni層均發(fā)生破損兩種進(jìn)行建模，其中用到的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 仿真所需主要參數(shù) Tab.3 Major parameters required for simulation

3.2 仿真結(jié)果與討論

對(duì)于鍍Au層存在缺陷，鍍Ni層直接接觸電解質(zhì)的情形，其對(duì)應(yīng)的電解質(zhì)電場(chǎng)分布和腐蝕產(chǎn)物沉積情況如圖10所示。鍍Ni層腐蝕12 d后，腐蝕界面下移約2.1 μm，電解質(zhì)的混合電位隨反應(yīng)的進(jìn)行緩慢提高，變化區(qū)間為[-319 mV，-304 mV]，電位最高位置始終保持在靠近陽(yáng)極表面區(qū)域。腐蝕速率隨反應(yīng)進(jìn)行不斷下降，初始電極總腐蝕速率約為0.123 mm/a，到第12天時(shí)，腐蝕速率下降為0.042 mm/a。腐蝕界面在向下移動(dòng)的同時(shí)，沿鍍Au層下表面向四周擴(kuò)展。

圖10 鍍Au層不完整情形對(duì)應(yīng)的腐蝕形貌和電解質(zhì)電場(chǎng)分布情況 Fig.10 The corrosion morphology and electrolyte electric field distribution corresponding to the defective Au coating

在插拔過(guò)程中，插針受到圓柱形開(kāi)槽插孔的摩擦，并在鍍Au層外表面形成劃痕，劃痕處容易形成裂紋形核，使鍍Au層形成裂隙。同時(shí)，在鍍Au層的裂隙和孔隙下方發(fā)生腐蝕，鍍Ni層的腐蝕界面向四周擴(kuò)展，導(dǎo)致鍍層間附著力下降。在經(jīng)歷一定時(shí)間的腐蝕作用和多次插拔后，鍍Au層出現(xiàn)了片狀剝落的現(xiàn)象，如圖11所示。

圖11 鍍Au層發(fā)生剝落 Fig.11 The Au coating peeled off

對(duì)于鍍Au層與鍍Ni層均發(fā)生破損，裸露Cu基體接觸電解質(zhì)的情形，其對(duì)應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物沉積過(guò)程和電解質(zhì)電場(chǎng)分布情況如圖12所示。混合電位的變化區(qū)間為[108 mV，132 mV]，最高電位始終保持在Cu反應(yīng)界面上。Cu基體的電極總腐蝕速率也是隨反應(yīng)進(jìn)行不斷下降的，但速度明顯快于鍍Ni層，在第400 s時(shí)約為255 mm/a。Cu基體的腐蝕產(chǎn)物不斷增加，向上膨脹，最終脹到鍍Au層表面，其形貌與接觸件典型腐蝕情況相同（見(jiàn)圖13），這也間接證明了模型的合理性。

圖12 鍍Ni層不完整情形對(duì)應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物沉積過(guò)程和電解質(zhì)電場(chǎng)分布情況 Fig.12 Corrosion product deposition process and electrolyte electric field distribution corresponding to the defective Ni coating

圖13 接觸件腐蝕典型形貌 Fig.13 Typical morphology of the contact corrosion

以上兩種情形共同解釋了接觸件發(fā)生腐蝕的過(guò)程。在電連接殼體密封性受到侵蝕的情況下，環(huán)境中的鹽霧在呼吸作用和毛細(xì)作用下吸附到接觸件表面。如果此時(shí)鍍Au層表面存在缺陷或破損，就會(huì)使鍍Au層與下方鍍Ni層形成大陰極、小陽(yáng)極的原電池結(jié)構(gòu)，并在Cl－的侵蝕下，Ni表面鈍化膜被穿透，加速陽(yáng)極溶解。隨著溶解界面向下擴(kuò)展，鍍Ni層被消耗掉，Cu基體受到進(jìn)一步的腐蝕，且腐蝕速率明顯加快，形成腐蝕坑。腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物減小了電接觸的有效接觸面積，最終導(dǎo)致接觸電阻在第8個(gè)循環(huán)后出現(xiàn)較大波動(dòng)，而且內(nèi)部腐蝕最嚴(yán)重的不銹鋼電連接器平均阻值的增幅最大。

4 結(jié)論

1）鹽霧和交變濕熱環(huán)境對(duì)電連接器的殼體密封性、接觸電阻和絕緣電阻均有影響。當(dāng)電連接器殼體密封性受到侵蝕破壞后，接觸件發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致接觸電阻出現(xiàn)波動(dòng)。內(nèi)部金屬卡圈腐蝕造成部分殼體內(nèi)壁和絕緣體污染，后期出現(xiàn)耐壓測(cè)試通不過(guò)現(xiàn)象，絕緣電阻均有明顯減小。

2）水汽侵入電連接器內(nèi)部是導(dǎo)致接觸電阻升高的直接原因。接觸電阻在加速試驗(yàn)前6個(gè)循環(huán)中沒(méi)有明顯變化；8個(gè)循環(huán)后，接觸電阻顯著增大；10個(gè)循環(huán)后，起伏波動(dòng)尤其明顯。變化原因在于鹽霧、水汽等在呼吸作用和毛細(xì)作用下，通過(guò)電連接器殼體螺紋口、定位槽等部位進(jìn)入殼體內(nèi)部，造成局部環(huán)境的水分、Cl－等腐蝕介質(zhì)含量持續(xù)增加。

3）通過(guò)建立仿真模型，動(dòng)態(tài)模擬了不同鍍層存在缺陷情況下的腐蝕產(chǎn)物沉積和界面移動(dòng)過(guò)程，鍍Ni層腐蝕界面在向下移動(dòng)的同時(shí)向四周擴(kuò)展，Cu基體的腐蝕產(chǎn)物向上膨脹到鍍金層表面，從而導(dǎo)致接觸電阻增加。該模型有助于分析帶鍍層接觸件發(fā)生腐蝕的行為和機(jī)理。