天线防腐蚀结构设计研究*

赵文生，徐有才，张剑冰，卢 建

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所， 江苏 扬州 225001)

天线防腐蚀结构设计研究*

赵文生，徐有才，张剑冰，卢 建

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所， 江苏 扬州 225001)

舱外设备天线一旦被腐蚀，腐蚀就会持续恶化，严重时还会使设备的性能下降以致失效。而且在大多数情况下天线都安装在桅杆高处，可达性差，维修困难，一旦出现问题，将影响到任务的执行，损失较大。因而天线防腐蚀结构设计、安装维护责任重大。文中结合天线腐蚀的调研结果和相关理论进行了原因分析，找出了天线零部件腐蚀的原因，并提出了具体解决方案和安装工艺要求。

天线；腐蚀；结构设计；安装维护

引 言

武器装备对环境的适应性已成为武器系统的重要战术技术指标之一。防潮、防霉、防盐雾(简称“三防”)性能是影响军事电子设备效能的主要因素，尤其是在沿海区域服役的电子设备，其“三防”性能的优劣，直接影响到武器装备的性能甚至使用寿命。因此“三防” 技术不仅是电子行业应当重视的防护技术，而且还应当涉及到整个武器装备研制、维护和使用的方方面面[1]。近年来，随着装备数量的增加，因“三防”原因被腐蚀的舱外设备数量越来越多。随着设备使用时间的延长，暴露的问题也越来越多，有些问题已相当严重，导致设备的性能下降以致失效的事例屡见不鲜[1]。由于天线维修困难、重新生产周期长、换装成本高、可达性差等特殊性，一旦出现问题，将影响到任务的执行，损失较大，因此开展这方面的研究迫在眉睫，意义重大。本文针对天线腐蚀问题，结合天线腐蚀的调研结果和相关理论进行了原因分析。分析认为天线腐蚀的机理是电化学腐蚀，而防止电化学腐蚀的关键在于结构设计及安装工艺的改进。

1 天线腐蚀原因

在维修某舱外天线时，发现天线底板外部和船上安装基座接触处、内部安装板及微波器件表面、对外电连接器、天线底板安装螺套处周围、天线安装固定孔处均出现了不同程度的腐蚀现象，导致天线的使用寿命缩短，可靠性下降。针对腐蚀部位，根据相关理论进行的综合分析认为腐蚀原因主要表现在下面几个方面。

1.1 天线底板外部和船上安装基座接触处的腐蚀原因

该天线罩由上部蜂窝夹层和下部铝合金法兰安装盘通过环氧树脂胶合为一体，如图1所示，对应天线罩安装孔的天线底板上装有不锈钢螺套，作为其和天线底板固定的螺母，如图2所示。铝合金法兰安装盘和天线底板材料均为2A12(T4)，表面处理采用AlEt·A(Cr)3·S工艺，天线底板外部及圆周面周边涂海灰C43-31·II·H漆。观察发现：天线底板外部腐蚀的部位全部集中在与天线安装基座接触面处，此处镀覆层已完全腐蚀，而非接触面处油漆及镀覆层基本完好，说明天线底板腐蚀与天线安装基座接触有直接关系；同一区域天线底板腐蚀最严重处均位于不锈钢螺套安装处，说明天线底板腐蚀与不锈钢螺套也有关系；利用天线安装固定孔连接天线和安装基座的接地跨接片处(如图2所示)的腐蚀也比其它3个固定孔严重。

图1 天线底部装配示意图

图2 天线安装处示意图

由此根据相关理论可以分析出天线底板腐蚀的原因主要有3个方面：

1)天线底板与其上的安装螺套及天线安装基座发生了电偶腐蚀。2种不同金属或1种金属与其它一些导电性物质(如石墨、碳纤维复合材料)相互接触，在潮湿条件下形成表面电解液膜，构成腐蚀微电池，发生电化学腐蚀，这叫做电偶腐蚀。电偶腐蚀是电子设备常见的腐蚀类型，其主要原因是每一种金属的电极电位都不相同，不同种类金属相互接触会形成电位差，电化学作用使电位正的一方受到保护，电位负的一方，特别是接触部位[2]，加速腐蚀。从图2可以看出，由于天线底板安装面和天线安装基座安装面很难做到纹丝无缝，实际存在缝隙，含有某些杂质(氯化物、硫酸盐)的水膜和盐水电解液存留在螺孔缝隙1、螺孔缝隙2和缝隙1、缝隙2处，并连续地存在于不同金属的不锈钢螺套、铝合金天线底板和碳钢天线安装基座之间。天线底板安装面在装配、调试和安装过程中油漆保护层容易受到局部损伤，再加上缝隙处含盐雨水的长期浸泡，天线底板安装面和天线安装基座上的油漆保护层就会由点到面逐渐受到损伤，最终构成腐蚀电池导电支路，电化学作用使电位正的一方即不锈钢螺套、碳钢天线安装基座受到保护，电位负的一方即铝合金天线底板，特别是与钢螺套、碳钢天线安装基座接触处的铝合金，加速腐蚀。

2)天线底板与其上的安装螺套及天线安装基座发生了缝隙腐蚀。当金属部件处于介质中时，由于金属与金属或金属与非金属之间形成了特别小的缝隙，其厚度(一般为0.025～0.1 mm)足以使腐蚀介质进入缝隙内而又使这些介质处于停滞状态，引起缝内金属的加速腐蚀，这叫做缝隙腐蚀。产生缝隙腐蚀的条件比较广泛，金属结构的接缝如铆接、焊接、螺栓连接缝隙中的腐蚀介质，金属与塑料、橡胶、木材、石棉、织物连接缝隙中的腐蚀介质以及金属表面的沉积物、附着物、腐蚀产物(如灰尘)间的各种腐蚀介质都会引起金属的缝隙腐蚀。该天线在安装过程中，天线安装底面和天线基座安装面未采取防缝隙腐蚀措施，也是天线底板外部腐蚀的原因之一。

3)接地片处发生了电偶腐蚀和缝隙腐蚀。该天线设计时没有设置接地柱，为了保持天线整体良好的接地性，设计时利用天线4个固定螺拴中的1个作为接地螺拴，并将固定孔接地片周围的油漆铲除，露出导电层，将接地片固定后再涂漆保护。随着时间的延长，此处油漆容易老化脱落，天线底板与接地片、接地螺拴之间就会发生电偶腐蚀和缝隙腐蚀。

1.2 天线内部腐蚀原因

金属腐蚀速度除与材料的内在因素有关外，还与外界因素如氧气、水、温度、盐雾等有关。其中，水是决定金属腐蚀速度和腐蚀程度最重要的因素；温度直接影响反应速度，一般来说，温度每提高10 ℃左右，腐蚀速度就可能增加一倍。在金属表面无水膜的情况下，氧气与金属只发生很慢的化学腐蚀。只有当金属表面有水膜时才发生电化学腐蚀，腐蚀速度与水膜中溶解氧的浓度有关，浓度越大，阴极去极化作用越强，腐蚀速度就越快[2]。盐雾中的氯化钠溶解到金属表面的水膜中，不仅提供了电化学反应所需的电解质，还会妨碍或破坏金属的钝化，起到了阳极去极化作用[2]。根据上述理论，通过实物观察，发现天线内部安装底板及微波器件腐蚀比较均匀。据此判断，天线罩密封处气密设计失效或天线罩本身出现了裂纹，天线腔体内部受日晒而压力增加，气体逸出，当夜晚气温下降时湿气进入，周而复始，内部就会产生积水或水膜(在进行天线维修时已发现此类现象)， 并附在天线内部安装底板及微波器件上。随着时间的延长，不仅积水或水膜的含氧量会增加，而且其中的氯化钠的浓度也会增加，因为当白天腔体内气体逸出时，腔体内湿气所带的大部分氯化钠并不会随之逸出，而是附在天线内部安装底板及微波器件上，且越积越多。随着积水或水膜中氯化钠浓度的增加，积水溶液的导电性增加，阳极去极化作用增强，进而加快了天线安装底板内部及微波器件表面的腐蚀速度。此外，天线罩内部白天日晒所产生的高温又进一步加快了它的腐蚀速度。

1.3 电连接器腐蚀原因

电连接器插座材料为铝合金，表面处理为阳极氧化，插座安装在天线底板的下方，两者之间有硅橡胶密封板，从天线内部向下看，插座和天线底板正好形成一凹坑。天线内部积水聚集在硅橡胶密封板上方，且离插座固定螺钉中间位置最近，因此产生了缝隙腐蚀。当然，插座长期暴露在外，空气中的水分和盐雾也是导致其腐蚀的原因之一。

2 改进方案

2.1 天线底板防腐蚀改进方案

天线底板外部腐蚀主要属于电偶腐蚀和缝隙腐蚀，发生上述电化学腐蚀的主要条件如下：

1)有易腐蚀的金属，该金属起阳极的作用；

2)要有比上述金属难于腐蚀的金属或区域，这个金属或区域起阴极的作用；

3)这2种金属必须与同一液体接触，形成连续的液体通道；

4)阴极与阳极必须处于电气接触状态[1]。

常用的防护措施包括：

1)消除液体通道，在金属表面与液体表面之间设置油漆之类的阻挡层；

2)减少阴极、阳极电位差，在阳极区和阴极区镀覆能减少电位差的金属层；

3)排除电气接触，在金属表面生成一层氧化膜[1]；

4)由于不锈钢紧固件和铝合金连接易遭受缝隙腐蚀，因此最好在连接时采取密封胶填缝措施[3]。

根据天线底板外部腐蚀原因的分析和发生电化学腐蚀的条件，采取以下具体改进方案。

2.1.1 天线底板结构形式优化改进

1)将天线底板材料由2A12(T4)改为防腐蚀性能更好的防锈铝板5A05(LF5)或钛合金材料。

2)将天线底板的结构形式由平面状改为中间大面向上的内凹状，如图3和图4所示，天线固定孔由4个改为3个(孔的直径为10.5mm，天线本身重量﹤15 kg),在3个固定孔处各固定一个如图4所示的相同的不锈钢垫块2。

图3 改进天线装配方案示意图

图4 改进天线安装处示意图

改进天线底板结构形式的目的在于：

1)防止原天线安装面油漆保护层在装配、调试和安装过程中受到损伤，排除电化学腐蚀产生的条件之一，电气接触。

2)根据三点确定一个平面的原理，通过3个垫块2，将天线大面安装改为小面安装的方式。垫块2安装在天线安装板内，并在与之接触处上倒角，以防止海水或雨水进入安装缝隙 (见图4)，同时避免天线安装面和天线安装基座因平面不平所产生的应力集中及缝隙腐蚀的产生，排除应力腐蚀和电化学腐蚀产生的条件之一，即2种金属必须与同一液体接触，形成连续的液体通道。

3)3个垫块2采用与天线安装基座碳钢电位接近的不锈钢材料，排除电化学腐蚀产生的条件之一，即2种金属存在一定的电位差。

2.1.2 天线底板电缆插座固定结构形式优化改进

1)将天线电缆插座由铝合金材料改为不锈钢材料。

2)为了防止天线内部积水聚集到插座与天线底板形成的凹坑内，将电缆插座安装方式改为如图5所示的结构形式，并在插座安装处设置导水通道，这样即使天线内部进了水，积水也可顺利流出，从而降低插座和安装面发生电化学腐蚀的可能性，排除发生电化学腐蚀产生的条件之一，即2种金属必须与同一液体接触，形成连续的液体通道。

图5 改进插座安装方式示意图

2.1.3 天线底板与船上天线基座安装方式优化改进

1)接地形式优化改进：在天线底板设置机壳接地柱，因此处接地柱接触不到雨水，其防腐性能与原地线方案相比有质的改善。另外在安装要素上，要求在机壳接地柱附近的天线安装基座上焊接一个接地柱，作为天线安全地的接入点，如图4所示。焊接接地柱的优点在于安全、防腐性能更好。取消将天线4个固定螺拴中的1个作为接地螺拴的接地方式，从而排除了原设计中天线底板与接地片、接地螺拴之间发生电偶腐蚀和缝隙腐蚀的可能性。

2)固定螺栓形式优化改进：在天线安装面上方增加垫块1(见图4)。垫块1的材料和天线安装底板完全相同，二者之间电位差为0，因此即使垫块1与天线安装底板之间存在缝隙或与同一液体接触，形成连续的液体通道，二者之间也不会发生大的电偶腐蚀和缝隙腐蚀。加之采取了涂硅胶措施，可有效防止天线安装孔处的腐蚀。如随着时间的延长，垫块1发生了腐蚀或有腐蚀的迹象，则可予以更换。

2.2 天线内部防腐蚀改进方案

天线罩很难做到气密，且雷击、冰雹或鸟类撞击等其它因素也可能造成天线罩气密失效，故对户外用大容积构件如天线箱体、天线罩、高频箱等，应尽量避免选用气密式结构，而应设计合适的通风孔、排积水口，使腔体内压力与大气压力保持平衡。因为气密设计一旦失效，腔体内压力因日晒而增加，气体逸出，当夜晚气温下降时湿气进入，周而复始，内部就会产生积水，形成100%蒸汽压，使电子设备受潮失效[1]。故将天线原气密式结构改为非气密式结构，增加排积水口。采取的具体改进方案有以下几种。

2.2.1 天线罩优化改进

将天线罩由上部蜂窝夹层和下部铝合金法兰安装盘合为一体的结构改为上部蜂窝夹层和下部环氧层压玻璃布安装盘合为一体的结构，如图6和图7所示。为了防止应力集中而使天线罩底部产生裂纹，将天线罩底部改为如图7所示的结构形式。

图6 原天线罩

图7 改进后天线罩

2.2.2 器件安装处优化改进

避免天线内部安装器件与安装板之间发生缝隙腐蚀的有效措施是防止积水进入器件与安装板之间的缝隙内，或即使因冰雹或弹片击破等其它因素天线罩内有雨水进入，积水也能迅速排出而不会浸泡器件，这样雨水不多时或停止一段时间后，设备即可正常工作，设备的可靠性大大提高。具体改进措施如下：

1)将天线底板的结构形式由平面状改为中间大面向上的内凹状，并在天线底板内部最低处四周设置12处通风、排水孔，如图4所示。

2)在器件安装面四周设置沟槽，在沟槽中间设置通风、排水孔，如图8所示。

图8 器件四周沟槽通风、排水孔示意图

2.2.3 其它防腐蚀措施

(1) 天线安装时的防腐蚀措施

天线所有紧固件均为不锈钢，而不锈钢与铝是不允许的电化偶，由于不锈钢与铝合金连接易遭受缝隙腐蚀, 因此最好在连接时采取密封胶填缝措施[3]，同时对外露紧固件进行喷漆保护。

(2) 天线维修检查时的防腐蚀措施

故障天线罩需要打开检查时，为了防止天线罩因应力集中局部受力过大而受到损伤，每个紧固件螺钉不可一次松开，所有螺钉必须预松半圈至一圈后，才可进行第2次预松，第2次预松为1圈后，才可完全松开。故障排除后，检查固定天线3个保护垫块1的腐蚀情况，根据腐蚀情况决定是否更换(如年限超过10年必须更换)。天线固定时应给各个零件接触面涂上硅胶或湿漆，以保护接触面，涂前应将表面清理干净。天线罩安装时分4步进行：第1步，弹垫将要受力时停止螺钉紧固；第2步，所有螺钉都紧固到第1步时，开始对角螺钉顺序紧固，紧固圈数约为1圈；第3步，所有螺钉都紧固到第2步时，开始对角螺钉顺序紧固，紧固圈数约为1圈，直到将弹垫压平为止(弹垫压平后，停止对螺钉紧固，否则过大的紧固力会损伤天线环氧层压玻璃布安装面)；第4步，对外露紧固件予以喷漆保护。

3 结束语

设备防腐蚀是一个系统工程，牵涉到设计、制造、安装、检查维护等环节，其中任何一个环节出现问题，设备都会遭到腐蚀。 本文针对实际存在的密封天线密封失效所带来的种种弊端，从实战的角度提出了自己的观点，建议将过去常规的天线气密式设计改为非气密式设计，从防止水进入改为既要防止水进入又要考虑如何在有水进入的情况下确保设备正常工作。同时，对天线基座的安装及天线检查维护也提出了建议。相关理论和实际情况证明：天线结构设计及安装维修工艺措施正确，可以有效减缓天线零部件腐蚀的速度，进而达到提高天线可靠性和延长使用寿命的目的。

[1] 电子科学研究院. 电子设备三防技术手册[M]. 北京:兵器工业出版社, 2000.

[2] 平丽浩, 黄普庆, 张润逵, 等. 雷达结构与工艺下册[M]. 北京:电子工业出版社, 2007.

[3] SJ 20812—2002 电子设备的金属镀覆与化学处理[M]. 北京：中国电子技术标准化研究所, 2002.

赵文生 (1962-)，男，高级工程师，主要从事电子设备结构设计及研究工作。

徐有才(1968-)，男，高级工程师，主要从事装备技术服务管理工作。

张剑冰(1989-)，女，硕士，助理工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

卢 建(1989-)，男，硕士，助理工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

Study on Anti-corrosion Structure Design of Antenna

ZHAO Wen-sheng，XU You-cai，ZHANG Jian-bing，LU Jian

(The723ResearchInstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Once corrosion occurs on outboard antenna, it will continue to deteriorate, which leads to declination even failure of the performance of the equipment. Meanwhile, in most cases the antenna is installed at the top of the mast, which makes it difficult to maintain and repair the antenna. Once problems occur, it will affect the performance of the equipment and cause huge loss. Thus it is worthwhile to put efforts on the anti-corrosion design of the antenna and improvement on installation and maintenance facility. In this paper corrosion causes of antenna components are analyzed based on the research result of antenna corrosion and the related theories and the specific solutions and installation process requirements are proposed.

antenna; corrosion; structure design; installation and maintenance

2014-11-12

TN82

A

1008-5300(2015)01-0014-05