电子设备的防腐结构设计综述*

戈进飞

(中国电子科技集团公司第五十一研究所 上海 201802)



电子设备的防腐结构设计综述*

戈进飞

(中国电子科技集团公司第五十一研究所 上海 201802)

电子设备的防腐通常分工艺防腐和结构防腐两方面。论文介绍了腐蚀环境因素、有关防腐标准及要求、采取的结构防腐措施,着重论述了作为防腐重要技术手段的静密封设计方法、措施和注意事项,并给出了密封效果验证的有关标准及方法。

电子设备; 防腐; 结构设计

Class Number TN60

1 引言

近年来,随着大量电子装备交付用户,在使用过程中的出现的腐蚀问题也应引起重视。一旦设备发生腐蚀,维修不仅费时费力费钱,还会给企业声誉带来负面影响。

“防腐设计”,通常认为是工艺师的事,结构师较多关注的是设备的刚、强度,对防腐的要求、措施存在认识上的不足。本文拟从结构设计方面,论述采取的防腐措施和手段。

2 腐蚀环境因素、防腐措施和要求

2.1 腐蚀现象和危害

腐蚀现象在生活中随处可见,诸如铁的生锈,橡胶的老化。

腐蚀的危害有:影响电子设备的使用,造成设备及人身事故,带来经济损失和社会影响,资源浪费、环境污染。军事装备更会造成贻误战机,以致战斗或战争的失败。腐蚀对装备“六性”的影响:可靠性降低,维修性变差,维修周期缩短,间接影响测试性,安全性降低,保障性变差,需增加备件,不能满足环境适应性要求。

2.2 腐蚀性的环境因素[1]

· 潮湿;

· 盐雾;

· 霉菌;

· 腐蚀性气体。大气体中的SO2、H2S、O3、CO、NH3等气体,破坏金属材料镀层、钝化膜;臭氧对有机高分子材料产生破坏作用;含硫湿气使银镀层变色;

· 砂尘和粉尘。其覆盖在设备表面,吸湿后,对金属材料和非金属材料有极强的腐蚀作用;

· 太阳辐射。太阳光中的紫外线、红外线,使有机高分子材料和合成材料老化;

· 温度。高温会增加材料化学活性,加快腐蚀速度;

· 昆虫、鸟类、鼠类等啮齿动物,对设备产生危害。

实际环境中,腐蚀通常是由多种因素同时作用产生。

1) 潮湿以雨水、冷凝和水汽的形式存在。当大气中RH<20%,几乎所有腐蚀现象都停止。潮湿是霉菌、盐雾、大气污染物的载体,它们都依赖于潮湿才起腐蚀作用,故防潮是“三防”(防潮湿、防盐雾、防霉菌)的重点。潮湿会破坏设备的镀层,使构件锈蚀,影响外观及功能,还会对电路板产生短路、飞弧,使微波器件功率下降,甚至失效。

2) 盐雾指由细微液滴构成的含盐的弥散气雾,主要出现在海上、沿海地区、内陆的盐碱地区。盐雾对金属材料有极强的腐蚀作用,对非金属材料会破坏绝缘性和体电阻,加速电化学腐蚀速度。

3) 霉菌使有机材料损坏而失效,使材料绝缘性下降,抗电强度减弱而产生电弧,且长霉表面影响外观。

2.3 防腐蚀措施

1) 防腐设计考虑因素

· 使用环境;

· 结构型式;

· 材料选用;

· 镀覆措施;

· 涂漆措施;

· 改善腐蚀环境;

· 电化学保护法。

2) 防腐蚀措施

(1)使用环境分湿热型、干热型、海洋型等。应对结构防腐对象加以分析并提出方案和措施。

(2)结构型式既要满足性能要求,又要满足防腐要求。

①结构形状应尽可能简单和合理。这样,既容易采取防腐措施,又便于维修、保养和检查;

②防止积水和冷凝液的积聚。结构设计应考虑水分不能积存,且易于涂装和维修;

③采用无缝隙结构设计,防止缝隙腐蚀;

④防止应力腐蚀[2]。选择使用环境中对应力腐蚀不敏感的金属材料,在结构设计上尽量降低应力和热应力集中,避免各种切口、尖角、焊接缺陷的存在,采取退火、喷丸处理等减小残余应力;

⑤有液体流动的情况下,结构上应避免过度的湍流、涡流,防止造成局部温度差、通气差、浓度差,而形成浓差腐蚀电池。

3) 选材。要做到刚、强度及电气性能与防腐性的统一。即设计时要根据使用环境和防护程度的要求,考虑材料采取的镀涂防护措施,检查材料之间的兼容性、材料的加工性。

常用金属材料的防腐性见表1,常用非金属材料的防腐性[3]见表2。

表1 常用金属材料及防腐性

表2 常用非金属材料及防腐性

4) 镀覆。金属材料的氧化处理、钝化处理,电镀、化学镀、热浸镀、热喷镀等。

5) 涂漆。选用合适的油漆、喷塑、油脂等防护手段。

6) 改善腐蚀环境。采取加防护罩、形成舱室、设置空调器等手段,减少腐蚀介质的浓度,控制环境温度、湿度;保持设备干燥。

7) 电化学腐蚀是电子设备在潮湿环境下结构防腐设计的重点[4]。针对电化学腐蚀发生的特点,采取措施有:(1)不同金属和合金应当避免直接接触,通常电位差在0.25V以下的金属才允许接触。(2)在两种金属偶接处加入第三种金属(垫片、中间部件或金属镀层),使金属间的电位降低。(3)不可避免异种金属接触时,一定要采取大阳极小阴极的结构型式;(4)最普遍的方法是在两金属之间加一不吸水的有机材料绝缘物,如橡胶、聚四氟乙烯等,并对接触部分进行妥善的防水密封。

电化学保护除牺牲阳极保护法以外,还有外加电流法。利用外加直流电源施加大于最小保护电流密度的电流,抑制电化学腐蚀的发生。

2.4 有关防腐的标准及要求

现行的国标和国军标中,尚无防腐的专门标准。防腐作为一个基本要求,体现在设备环境适应性的“三防”要求中。

电子设备的防护等级分防护式、防滴式、防溅式、防水式以及水密式五种。GB4208—2008《外壳防护等级(IP代码)》作了明确规定。

GJB2225A对设备提出了淋雨强度、淋雨角度和淋雨试验时间等要求。

GJB2225A和GJB/Z80都规定了防霉材料和易霉材料的选用原则,并在附录中给出了固有耐霉材料、不抗霉材料、易霉材料等清单。

3 密封设计

3.1 采取密封设计的原由

不密封的设备,长期处于高温、高湿或盐雾的环境中,其金属材料易腐蚀,非金属材料易老化、失效,给设备带来很大的破坏性,严重影响设备的可靠性和寿命。而采取密封的设备,能对内部器件进行有效保护,解决“三防”及防水问题。外部壳体的防腐要首先做好。

只要密封好,设备的三防效果就好,就能防腐蚀。

3.2 密封的分类

密封的分类见表3。

表3 密封的分类

对于不需要维修,不易损坏或一次性使用的设备、部件或器件(天线座、防水型接插件等),可采用环氧树脂、硅胶等进行密封或灌封,也可以用焊封、铆封、胶封,形成一个封闭盒或机箱的不可拆式密封结构,这不但防水,而且提高了防霉和防盐雾能力。如微波盒体的激光熔焊密封。

两构件间采用垫片、橡胶套、橡胶圈等来密封,形成的可拆式密封结构[5]。

因动密封用在机械传动装置中,一般不涉及到防腐性,故本文不加详述。

3.3 静密封的结构设计

1) 对静密封联接的基本要求

(1)高低温下无泄漏现象,或使泄漏限制在许可的范围内。

(2)耐腐蚀,抗老化。

(3)力求结构简单紧凑,制造、安装、维修方便。

(4)多数密封件是易损件,应尽可能选用标准密封件,方便更换。

2) 实现静密封的方法

(1)垫片密封。垫片—纸板、橡胶、纤维、石棉橡胶板、紫铜箔等。根据介质温度、压力和腐蚀性等因素来决定。当温度和压力不高时,一般选用非金属软垫片。

(2)垫料密封。有许多品种,聚四氟乙烯生料带作为薄形填料用于螺纹联接;密封腻子用于填充接头间的缝隙;弹性较大的橡胶垫也可以作为填料用于联接接头的缝隙中,受压后起密封作用。

(3)O形圈密封。见第3.4节。

(4)直接接触式密封。两接合面有精密的加工要求。可用于法兰连接中。

(5)密封胶密封。密封胶有一定的粘性和浸润性,将其填塞在间隙内,起到密封作用。密封胶可单独使用,如微波盒体与盖的密封;也可作为其他密封方法的辅助性使用。密封胶有液态密封胶和厌氧密封胶。

3) 静密封的结构型式

(1)箱(壳)体法兰的密封

电子设备中常用的密封型式[6]见表4。序号1的优点是密封件压缩量可以严格控制,保证密封件不致过压而疲劳损坏。另外一个优点,结构闭合后无缝隙,整体美观,且两个密封面导通,对于设备电磁屏蔽十分有利。

(2)螺纹的密封

见表5。

(3)螺纹紧固件的密封

见表6。

(4)管路的密封

见表7。

(5)接插件的密封

通常的接插件不具密封性。需要密封时,可选用防水型开关、插座。接插件与壳体的密封,可采用其自带的橡胶垫圈。面板上的开孔尺寸,要与接插件外径、垫圈内径相一致。

(6)气密的密封

电子设备的气密性,与流体的密封一样,分为低压(0.1MPa～1MPa)、中压(1MPa～10MPa)、高压(10MPa～100MPa)和超高压(100MPa以上)四种。常用的是中、低压状态。

表4 常用的密封结构型式与特点说明

表5 螺纹密封的结构型式示例与特点说明

续表5

序号示例说明2拧紧螺纹时,垫片不仅承受压紧力,而且还要承受转动摩擦,常用于介质压力不高的场合。3螺纹联接的填料密封。螺纹间缠绕聚四氟乙烯生料带(耐腐蚀,-180～250℃)或密封胶密封。4螺纹联接中的直接触式密封,分扩口锥面密封、衬套密封、卡套式密封。扩口锥面密封适用于薄壁钢管或软金属管联接;卡套式密封广泛应用于液压系统中。

表6 螺纹紧固件的密封示例与说明

表7 管路的密封示例与说明

对气密结构设计,因承受一定的压力(或拉力),既要注意刚、强度,又要避免泄漏。理想的承压结构型式见图1。

图1 理想的承压结构型式

3.4 O形密封圈

1) O形密封圈特点

O形密封圈因密封性能好,结构简单、紧凑,装拆方便,寿命长、价格低,应用最广泛。它既可用于静密封、动密封,又可作单密封或双密封。

2) O形圈密封压缩变形率选择

当静密封压缩量为10%时,起不到水密封作用;当压缩量为18%～25%时,橡胶的反弹力能对水分子形成密封,当压缩量大于30%时,密封质量改善不大,反而会由于疲劳而加速橡胶损坏。因此,静密封设计中,橡胶的变形量一般以20%～25%为宜。

3) O形密封圈的沟槽的设计

O形密封圈的开槽尺寸[7],既可按各厂家的O形密封圈产品样本上的推荐值,或参考GB3452.3—2005《液化气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》,也可自行计算。

图2 O形密封圈沟槽尺寸

沟槽深H=d0(1-ε)-C

沟槽宽B=(1.05～1.2)(1+ε1.5)d0

式中,d0为O形圈断面直径,ε为压缩率,C为O形圈被压缩的间隙量。

4) 密封圈材料

橡胶因弹性高、不透水、不透气、电绝缘等优点,经过适当处理后,具有耐热、耐寒、耐油、耐酸、耐碱、能导电等优异特点,成为密封圈的常用材料。

衡量橡胶质量的好坏,有拉断强度、伸长率、老化系数、邵氏硬度和脆性温度等指标。

需耐温、耐湿、耐盐雾时用硅橡胶或乙丙橡胶,需耐油时用丁腈橡胶或氯丁橡胶,需耐腐蚀时用氟橡胶。压力大时采用硬度大的橡胶。

3.5 密封设计中应注意的问题[8]

1) 结构设计要设过渡段,避免锐角,使装配和拆卸O形密封圈时不致划伤密封圈。

2) 密封垫片与密封圈的设计位置,应考虑到在安装、维修作业中,不会从组装的位置上偏离、移动、下垂。

3) 对于使用密封垫片和O形密封圈的联接表面不能太粗糙,否则会使密封圈产生伤痕。粗糙度建议3.2～12.5。

4) O形密封圈使用在断面直径小周长大的场合时,O形密封圈要选择具有足够张力的周长和安装直径的尺寸。

5) 硬度低的橡胶能经受较大的变形,可取较大的压缩率,反之,硬度高的可取较小的压缩率。

6) 工作在低温状态的设备,应选择直径大些的O形圈。

7) 单层密封圈不应有缺口,多层密封圈有缺口时,应错开布置。

8) 垫片避免采用螺纹旋压的方式,最好采用压紧的方式。

9) “防水透气阀”值得在户外设备上使用,解决气温变化造成箱体内气体“呼吸”而有可能带入湿气的问题。

10) 螺栓强度、法兰刚度和螺栓紧固操作三个要素,确保密封面全长上有均匀的表面压力。

11) 密封盖的紧固螺钉应在密封条的外侧,并保证适当的间距,通常小于100mm。

12) 法兰上的螺栓应留有紧固的空间。

13) 在高压、有毒及危险条件下的法兰,禁止用平垫密封。应采用将垫片装入槽中的方式。

14) 即便是嵌入式法兰,其法兰面也不要紧贴。否则垫片的压力受制于法兰接触面。

15) 宽阔的接触面使密封效果较差,要适当减少接触面。

16) 凹凸法兰连接本体一边要做成凹的,若是凸的,则加工非常困难,且易碰伤凸面。

17) 不要使螺孔穿通,或避免安装孔中的可能泄漏。壁厚要留足攻螺纹的距离,放出加工时不穿通的余量。

18) 使用椭圆形法兰时,没有螺栓的方向加力会造成泄漏。

19) 避免法兰密封面上径向刀纹,应进行车削或磨削加工形成同心圆刀纹。

20) 法兰和管子的接合采取插入方式,插入部分的焊接要内外焊。

21) 不要使螺栓处于正下面的位置,易受冷凝水等的腐蚀。

4 密封效果验证

4.1 水密试验

冲水试验按GJB4.13—1983《舰船电子设备环境试验 外壳防水试验》或GJB747—1989《舰船电气设备外壳基本技术要求》执行。

淋雨试验按GJB150.8—1986《军用设备环境试验方法 淋雨试验》的试验方法执行,要求可按GJB2225A、GJB/Z457等通用规范。试验分三类:有风源的淋雨试验、滴雨试验、防水性试验。

浸渍试验按GJB150.14—1986《军用设备环境试验方法 浸渍试验》的试验方法执行。将设备放入水箱中,水温8～28℃,时间120±5min。样品最高点距水面深度通常为1m。

4.2 气密试验

电子设备的气密试验,是采用相应的装置和设备,通入一定气压的空气或氮气,在密封接合面上涂抹肥皂泡或将设备直接浸入水中,观察有无气泡冒出,查找泄漏。

通入的气体压力值,能满足极限工作环境的压力即可,安全系数值可选1.2～1.5。

5 结语

电子设备的结构防腐设计,需从模块、分机到整机逐级把关,需要工艺人员、电讯人员的密切配合。根据设备海洋、地面、机载等使用环境的不同,有的放矢地采取防腐措施。

另外,设备的日常维护对防腐也起着十分重要的作用。

[1] 张明.电子设备结构防腐设计中的材料应用[J].电子机械工程,2004,20(4):45-49.

[2] 国防科学技术工业委员会.GJB/Z80—1996电子设备生物、应力腐蚀防护结构设计指南[S].北京:国防科工委军标出版发行部出版,1997.

[3] 中国人民解放军总装备部.GJB2225A—2008地面电子对抗设备通用规范[S].北京:总装备部军标出版发行部出版,2009.

[4] 邱仁悌,赵惇殳,蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社,2005.

[5] 生建友.小型电子设备机箱的密封设计[J].电子工艺技术,2001(9):214-217.

[6] 凌武宝.可拆卸联接设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[7] 卢新波,张中明.O型圈材料选择与密封结构设计[J].液压气动与密封,2012(2):26-29.

[8] [日]小栗富士雄,小栗达男.机械设计禁忌手册[M].北京:机械工业出版社,1989.

Overview of Structural Design for Anticorrosive Treatment in Electronic Equipment

GE Jinfei

(The 51th Research Institute of CETC, Shanghai 201802)

The corrosive problems in the electronic equipment can be solved in two ways, including structural design and technologic methods. The factors in corrosive surroundings, some related anticorrosive criterion and requirements, structural measures of anticorrosion are all discussed in the article. The methods and notice of static seal which is the most important anticorrosive method are emphasized, and the confirmed rules and methods of sealed effect are discussed finally.

electronic equipment, anticorrosion, structural design

2014年12月17日,

2015年1月31日

戈进飞,男,研究员级高级工程师,研究方向:电子设备结构总体和天线结构的设计、研究。

TN60

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.040