航天产品内部微环境污染来源分析及污染物控制、清除工艺技术研究

陈白帆

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

航天产品内部微环境污染来源分析及污染物控制、清除工艺技术研究

陈白帆

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

系统探讨了航天高精度、高可靠性等级产品在封装后，产品内部微环境中污染形成的机理和可能来源。初步收集了国外早期电磁继电器、惯性仪表制造行业内文献并研究和分析出可能涉及的污染类型，结合目前国内该类产品制造工艺技术现状，补充了新研究的污染来源，分析了进入产品内部的途径，可能残留污染的机理，以及清除的方法。首次提出了高精度、高可靠性航天产品密封空间 “微环境”体系和 “微动态环境”概念，以此开展产品内部微环境条件下污染产生的深层次机理、生长过程及对产品性能与可靠性的影响规律与影响程度的研究。

内部微环境污染；污染成分来源；污染影响特征；微动态环境体系

0　引言

大量航天高精度、高敏感性、高可靠性产品都属密封式产品，其设计原理和功能特性要求产品在长期工作状态下的内部微环境是一个稳定的气氛空间。但一直以来，航天高精度和高等级产品（机电类较为突出）存在的制造合格率的不稳定和产品参数稳定性、一致性较差的问题，以及工程应用发生的失效事件说明了尽管这类产品在看似严格控制的制造环境和制造工艺控制技术要求下进行生产，但是依然发生了大量由于密封产品内部微环境污染气氛逐渐积累导致的失效事件。如高可靠电磁继电器就属于密封式继电器的一种，但是，密封后的继电器在使用过程中发生了大量类似于污染造成的失效事件，特别是触点污染的问题变得异常尖锐。再如，惯性仪表也属密封性产品，不但动压马达要密封在浮子组件中，在充满氦气的气氛环境中工作，浮子组件还要被密封在仪表壳内的浮油中，要求在无气泡的环境中工作。惯性技术原理决定了随着惯性仪表精度的不断提高，内部微环境污染变化对仪表精度的影响越来越大，从现有的失效分析的检测数据中，已可确认惯性仪表浮子组中动压马达零件表面存在大量有机、无机污染物，存在类似电磁继电器微环境污染造成的失效模式。此类问题如果得不到彻底解决，不但解决不了产品制造合格率和产品稳定性问题，更解决不了工程用产品可靠性问题。这就意味着我们要认真研究以继电器、惯性仪表为代表的航天高精度、高可靠性产品密封后内部微环境和微动态环境污染特征，深入探讨微环境污染形成机理和对不同原理产品的作用机理，以此建立各种航天高精度、高可靠性产品微动态环境影响特征与产品可靠性关系模型，从制造技术上彻底解决工程用航天产品的可靠性问题。

我们认为航天产品在使用过程中发生的失效事件，有相当大数量的失效事件的根源性诱因是因零件工作环境污染（隐性危害因素）造成的，这种密封空间的微环境和在内外条件变化下的微动态环境的污染特征和形成机理是一个被长期忽略的造成产品失效的根源性科学问题。

1　国外早期研究情况

从大量的国内继电器行业研究报告中，我们可以看出国内生产制造行业对密封产品内污染源的研究多停留在线圈骨架和漆包线及薄膜材料上，在技术认知上依然没有跳出常识性认知范围。许多污染因素未被识别，造成产品未处理干净和未识别出的污染物在用户处的装配、调试和各种试验条件下，产品内部微环境气氛发生动态变化，对产品的性能和可靠性造成危害。

借用三篇国外继电器文献资料的研究内容，引导本分析报告。

胡茂根老师译自苏联1975年出版的 《电触点》中 《弱电线路换向触点故障原因》一文，对触点的污染及其根源有详细的描述：

“为了保护触点免受灰尘、湿气和其它腐蚀性气体的污染，具有触点的设备装上了罩子和进行了密封。正如大家已经知道的那样，这减少了触点外部污染的可能性，但是也导致了迄今尚不太清楚的内部污染源，这种内部污染是由于在密封或加罩的结构体中形成了由其组成部分所析出的成蒸气状的有害成份。因此，触点污染成了很尖锐的问题。这几年很多研究，正如已公布的那样，得到了重要的结果。

触点污染实际存在的种类依据其产生的根源主要可分成三类：有机的、无机的和机械的，其中每一类又可分成若干小类。”

由曹阿金老师译自Proceedings 25thRelay Conference 1977的 《薄膜测量：触点性能稳定和可靠性的关键》一文中，对薄膜的来源有宏观论述：

“对一个设备设计者来说，最不可轻视触点薄膜是制造过程中产生的残留物。这些薄膜实际上是产品制造过程中进入继电器里的，不是因为制造者没有清洁组装零件，就是因为他们不了解有害材料会产生薄膜。

带有生产过程残留物薄膜的触点可能产生间断的电阻特性或触点带有小于1A的稳态电流和低于24V直流开路电压下的早期失误。精确的失误机理还未弄清楚。”

航天165厂译自苏联A.P.鲁列克所著 《微型继电器工艺》一书中，对污染源也有具体描述：

“当继电器从外部受热时或者在它的线圈上施加电压以后，有机材料（线圈骨架、漆包线上的漆及其它）可能析出挥发物质。这些挥发物质冷凝在触点表面上和以后聚合成膜，导致触点的表面电阻急剧增加，直至破坏接触效果。密封继电器内部的气体介质组份包括：具有规定清洁度和干燥程度的填充气体；继电器在使用期间，零件受热（外部的高温作用和线圈加热）过程中析出气体产物；工艺介质残留物（在进行各种工艺操作，如钎焊、电镀、化学涂复和清洗等）。

总的来说，当继电器受高温作用时，上面体制所列组份可能形成各种化合物，这些化合物的有害影响很难预料。因此应该仔细清洗零件、组件和整个继电器的污染。清除继电器空间污染气体的最有效方法是零件、组件和整个继电器的真空干燥。”

在惯性仪表制造行业，俄罗斯对动压气浮轴承零件清洗的技术、动压马达技术要求及调整细则等资料中对零件的清洗要求是很明确的，包括对零件均规定了长时间脱气工艺处理要求，一些零件甚至要求进行多次的脱气处理，同时还规定了从开始脱气到结束脱气之间的时间应一直到产品充气密封为止，以及不应超过的昼夜数。

20世纪80年代美国罗克韦尔公司下属陀螺仪制造厂为了排除人体的呼吸、汗水、衣着及动作带来的微观层面及其微小的污染影响，使用机器人在一个人无法生存的环境（加压的纯氮气）里完成陀螺零件（转子和腔体）的清洗和前道装配。美国海军响尾蛇导弹机电陀螺装配规范仅环境因素控制就有5条。苏联在继电器制造中，对最高等级装配场所的所有人员的出汗程度都进行检查和控制。

2　产品内部微环境污染来源分析

根据和借鉴早期这些文献研究分析结论，可以让我们对产品生产制造过程可能引入的污染的来源有了一个初步的认识，了解基本的控制和处理方法。再结合航天产品特别是电磁继电器和高精度惯性仪表长期以来的失效模式，从电磁继电器和惯性仪表产品生产制造的源头对可能带来和存在有污染源的每一个阶段进行分析，简要描述可能的形成机理并提出清除污染和防控建议。

1）原材料。金属原材料都会在制造过程中吸入不同的污染物，如碳、氧、氢、硫等。在零件开始加工前将其去除是有必要的。苏联研究人员对簧片原材料存在的污染成分和除污参数均进行了深入研究，如PdAg40材料中的C元素从表面析出的温度为500℃、S元素是1200℃；PdAg30材料中的C元素从表面析出的温度为800℃、S元素是600℃。

2）有机材料本身固有的有机气氛释放。如线圈骨架、包扎的薄膜、漆包线的漆、导线外皮等。

3）冲压、碾压过程生产车间环境不洁。大气环境中的微颗粒、尘埃，如硅酸盐、氧化硅等，会被冲入零件表面形成新的污染物。所以，冲压工序也有必要在有一定环境标准要求的厂房中进行。

4）非精密冲压、非精密加工。零件撕裂切面和弯曲受压缩与受拉伸形成的金属微粒和表面的微裂纹，为减少后期产品在各种物理变化条件下形成的失效影响，零件的冲压必须实现高速精密冲压方式戓采用液压方式，关键功能性零件精密加工。

5）机械加工过程使用的各种介质的残留物。经机械加工的零件表面都会存在微损伤层，在微损伤层中会渗入各种加工用润滑油、冷却液或清洗剂等。目前的工艺清洗方法是去除不掉的，会在装入继电器后，在温度作用下，形成污染气体挥发出来，造成触点污染。

6）采用电镀工艺的零件镀层。电镀层中和表面存在大量缺陷和孔隙，在这些缺陷中含有水、氢、硫酸盐等成分。

7）大气环境下腐蚀气氛对零件组件表面的污染。装入继电气内部的所有零件在完成加工工序后，如保管储存不严格或进入装配工序至整件密封前周期过长，均有可能造成零件的大气腐蚀。特别是电镀金、银镀层，对大气中存在的 SO2、H2S、CO2、NO2等腐蚀性气体敏感，在触点表面形成绝缘腐蚀物（膜层）。

8）装配厂房墙与地面，特别是自流平地面的有机挥发物、非金属工作台等含有有机成分的物品，都会使触点吸收这些污染气氛。

9）在装配工序涉及钎焊和熔焊时会形成钎焊料和焊接金属，以及钎焊工具材料的蒸汽而污染触点。金属蒸汽在触点表面上凝聚，形成细散的沉淀物，这种沉淀物以后会产生腐蚀。

10）各种清洗剂残留污染。我们在各工序中会使用不同种类的清洗剂去除特定的污染成分，但各种清洗剂也是有机化合物，会残留在零件表面。这些残留物在继电器内部，在温度作用下，还会形成更多更复杂的化合物，形成次生污染源。

11）装配车间人员个人污染。人体组织通过皮肤向周围空间散发蒸发、脂肪、水和有机物。由于人体皮肤表面存留有尿素、尿酸、盐分、乳酸、氨基酸、游离脂肪酸等酸性物质，所以皮肤表面常显弱酸性。

12）目前最让人放心的去离子水的属性问题，可能也会带来隐患。我们测试了去离子水设备入口的自来水酸碱度，测试结果PH值为7.0～7.1。在去离子水设备出口处，测试了去离子水酸碱度，测试结果PH值为6。产生PH值变化的机理是反渗透膜对于二氧化碳的去除效果差。

如图1所示，是笔者在文献 《弱电线路换向触点故障原因》触点污染分类和原图基础上补充了新的污染来源，并将文中原作者对触点污染形成的分析和机理摘要在每一小类中，方便大家阅读理解。

图1　触点污染实际存在产生的根源示意图Fig.1 The chart of actual existence and source of contact pollution

3　零部组件污染控制、清除工艺研究

要消除产品内部显性和隐性污染带来的危害，最根本措施还是在产品制造过程的每一阶段有效识别零件、部组件的污染物。但是目前在航天产品生产制造中最大的现实隐患是：

1）没有清洁工序，实际上不论是零件还是组件都有清洗要求。但往往是一个非严格管控的工艺要求和非科学化的工艺过程，反而掩盖了零件污染因素；

2）对零件、组件和装配成产品的洁净与否，一直是相对定性的评判，缺少定量的洁净度检测方法、评价标准和要求；

3）污染对产品组件性能和可靠性影响的属性识别不充分，过多地关注物理（颗粒物）污染影响，而严重忽视化学污染危害；

4）没有不同质量等级要求的零件、组件清洁质量标准和清净过程洁净度客观标志规范，缺少全制造流程的污染防控系统性的工艺规范要求。在零件清洁过程中，质量至今没有明确的表达。

而航天制造中对清洁工艺的最大的技术认识误区是：

1）对污染源的认识太常识化，对污染物（特别是有机、无机污染成分）的危害认识简单化，忽视了次生污染形成的危害；

2）对零件、组件清洁这样一件系统性很强的工序流程，简单化地变成清洗工序；

3）零件、组件清洁不只是在加工完成后，还要考虑工序间；

4）零件清洁不只是清洗表面，清除基底残留物是最关键；

5）洁净厂房环境不代表零件不会被污染了，装配密封前的一道净化处理往往是最关键的工艺环节。

在产品生产制造过程中基本上分成四个不同的阶段进行清洁作业：

1）零件加工过程中和加工完成后的清洁；

2）在装配车间开始装配前的零件清洗；

3）整件装配前的组件清洗；

4）装配完成的产品在密封前的净化。

在这四阶段中，对应的清洁的质量概念是不一样的，使用的方法、参数也不尽相同。但是，都一定要有一个明确的洁净度客观标志的表达。

除了在生产制造过程中的四大阶段的零件清洁处理工序外，针对零件后续加工的不同，还有许多特殊的零件工序前清洁要求和具体的工艺规范。

比如，在零件计量检测环节的表面清洁，在高精度零件测量几何参数之前，是要用酒精擦试零件，并在干燥后测量；再如，对那些需进行表面镀膜（电镀、化学镀、离子镀等）的零件，都应进行真空环境下的烘烤，彻底排尽材料基底污染物，并经表面清洗等镀前工序处理；还有向动压马达半球表面涂边界润滑剂的，涂前半球表面清洁处理方法、参数、时间控制等细节至关重要，零件基体和表面清洁的好坏程度，将决定边界润滑涂层与基底的吸附状态（物理和化学吸附）的优劣；另外，动压马达定子绕组绕制完成后，缺少清洁工序直接进行灌胶封装，未排除的污染物在定子线圈加电工作升温作用下会产生气体，气体膨胀后必将影响定子组件微结构的稳定性。

因此在产品制造中，工程制造人员除了掌握制造工艺技术外，非常关键的一点是要了解产品实现的原理、零件在产品中功能特性，了解和识别工艺方法固有缺陷对产品品质或原理实现的影响程度。实际上这一系列问题必须由多学科交叉综合性基础研究才能得到解决，对目前已知因素的认识，拟定了针对污染造成产品质量问题的研究方向。

内部微环境在内外环境变化过程中，尤其温度变化，可能形成的微环境污染气氛。原生污染要素、各种不同要素可能形成的次生要素机理及其对零件功能特性危害，工艺验证工作要测试和分析产品内部气氛组成，要关注微环境下多要素腐蚀影响，包括电场、磁场因素对电化学蚀腐的加速作用。

特别要对航天高精度、高敏感性和高可靠性的密封产品内部微环境（灰色系统）污染气氛和温度、湿度、压力（密度）（简称三要素）动态特性对产品全寿命周期可靠性的影响规律及程度开展系统性研究，以确定最有效、最合理的工艺参数。研究制造过程到封装前零件表面大气环境下的初期腐蚀行为，对后期零件表面污染、腐蚀周期的影响，以制定防护控制措施。通过试验验证清洁处理方法的有效性，制定出行业产品零件清洁质量标准和清洁过程洁净度客观标志规范。

对密封的电磁继电器、动压马达空间微环境体系，研究在微环境中、在内外环境应力变化过程中，尤其温度变化，可能形成的微环境污染气氛。研究动态三要素：温度变化、气压（气体密度）变化、湿度变化范围，及相互关系模型；研究三个要素对内部气氛变化的影响和随时间周期的变化趋势，建立相互关系模型。研究在此微环境下电磁继电器触点表面性能特征行为和动压马达半球表面启停接触、摩擦行为，测试和分析随工作时间的增加内部气氛组成变化。

4　结论

产品内部微环境污染问题是直接影响产品性能、精度、稳定性和可靠性的重要因素。因此，我们要：

1）充分认知产品生产制造过程各种工艺因素，都会给零件形成（留下）特有的微观工艺特征，即污染特征（还有形貌、物理、化学、力学等特征）；

2）掌握这些特征对零件功能和产品效能的影响规律和影响程度，有助于进行工艺可靠性设计，以提高制造的可靠性；

3）根据各自产品和制造工艺流程，可充分识别污染源头和其进入产品内部的途径，采取针对性措施，可分阶段消除。

生产制造过程零件的清洁工作对提高零件制造品质和从源头上解决产品性能的稳定可靠和防止航天高精度、高等级产品后期失效具有重大意义。所以，我们应该将零件的清洁问题作为提高产品品质的一个关键工艺技术因素加以研究和控制，尽快将各项清洁技术措施和工艺要求落实到位。

只有充分识别污染源的可能出处和其进入密封产品内部的途径，研究掌握可能带来的危害，研究了解各种干扰因素促使污染因素的变化趋势，了解污染源头和次生污染源头，抓住主要变因或主要形成污染因素的条件，才能在产品制造过程中逐一排除戓最大程度的排除，真正提高产品的固有可靠性，使制造可靠性大幅提升，才能形成自主的航天高端产品制造工艺技术基础理论和工程经验体系。

［1］ 胡茂根（译）.弱电线路换向触点故障原因［Z］.电触点译文集，1975. HU Mao-gen（translated）.The failure cause of reversing contactinweakcurrentcircuit［Z］.Electric Contact，1975.

［2］ 曹阿金（译）.薄膜测量：触点性能稳定和可靠性的关键［C］.Proceedings 25thRelay Conference，1977. CAO A-jin（translated）.Thin film measurement：the key of stable contact performance and its reliability［C］.Proceedings 25thRelay Conference，1977.

［3］ 陈昌图，徐庆祥（译）.微型继电器工艺［Z］.桂林：航天继电器专业技术中心，2001. CHEN Chang-tu，XU Qing-xiang（translated）.Miniature relay technology［Z］.Guilin：Aerospace Relay Professional Technical Center，2001.

［4］ 许文鼎（译）.触点污染：电触点上碳沉淀物的形成［Z］.电触点译文集，1971：179-187. XU Wen-ding（translated）.Contact contamination：the formation of carbon precipitate on the electrical contacts［Z］. Electrical Contacts，1971：179-187.

［5］ Mulligan C P，Smith S B，Vigilante G N.Characterization and comparison of magnetron sputtered and electroplated gunborecoatings［J］.JournalofPressureVessel Technology，2006，128（2）：240-241.

［6］ 臧春艳.航天继电器稳态电弧等离子体电离过程与电弧特性研究［D］.华中科技大学，2006. ZANG Chun-yan.The research of ionization process and arc characteristics of aerospace relay steady-state arc plasma［D］.Huazhong University of Science and Technology，2006.

［7］ 刘云.大气对常用触点金属材料的腐蚀影响［D］.北京邮电大学，2008. LIU Yun.Effect of atmospheric corrosion on the common contact of metal materials［D］.Beijing University of Posts and Telecommunications，2008.

Research on the Pollution Source Analysis of Micro-environment Inside Aerospace Products and Its Controlling& Removing Technology

CHEN Bai-fan
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

This paper systematically analyzed the pollution's mechanism of formation and possible source in the microenvironment inside products after the aerospace products which had high precision and high reliability are packaged.It preliminary collected the earlier foreign literature of electromagnetic relay and inertial devices manufacturing industry，researched and analyzed the possible involving source type.Attaching to the current domestic situation of this product manufacturing process technology，this paper added the pollution source of current research and analyzed the waygotten in the product inside，the possible mechanism of residual pollutants and its removing method.It firstly proposed the concept of“micro-environment system”and“micro-dynamic environment”in the aerospace products'confined space which had high precision and high reliability.It researched the underlying mechanism of pollution-creating source under the micro-environment condition inside the product，the growth process，the influence rule and influence degree of product performance and reliability.

inside micro-environment pollution；sources and components of the pollution；impact characteristics of the pollution；micro-dynamic environment system

U666.1

A

1674-5558（2016）07-01283

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.017

2016-06-02

陈白帆，男，研究员，研究方向为高精度惯性仪表、高可靠电磁继电器制造可靠性、工艺可靠性设计、零件表面微观工艺特征性、零件制造与产品设计原理匹配性。