舰载光电设备的三防设计

舰载光电设备的三防设计
乔健;曹立华;施龙
【摘要】The moisture-mildew-saltspray proofing design of shipborne optic-electronic equipment is an important mission for the shipborne optic-electronic equipment. It should be considered overall from the materials application, structure design, process engineering and so on at the time of the product development. In this paper the three-proofing issue of shipborne optic-electronic equipment was studied. The three-proofing design was detailedly introduced in optic lens, machine structure and electronics. The proper choice of material is the basis of the design. The rationality of the structural design is the key factor for moisture-mildew-saltspray proofing design of the shipborne optic-electronic equipment. It would improve the proofing capability farther that the correct use of the material modification, surface coating/depositing, encapsulation, insulation process and so on. It was proved by engineering practice that the design could make the shipborne optic-electronic equipment have excellent three-proofing performance and work steadily in sea climate environment for longer time.%防湿热、防霉菌、防盐雾的三防设计是舰载光电设备设计的重要任务之一.针对舰载光电设备的三防问题展开研究,对光学镜头、机械结构和电子组件分别进行了相应的三防设计,具体包括材料的应用、结构形式的优化及防护工艺的合理选择等措施,所采取的三防设计和措施在恶劣的海洋环境下进行了多年的实践验证,结果表明:所采取的设计方法和措施能够保证舰载光电设备具有良好的三防性能,可以在恶劣的海洋环境下长期稳定工作.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2012(033)002
【总页数】5页(P245-249)
【关键词】舰载光电设备;三防设计;防护技术;光学镜头;结构形式;电子组件
【作者】乔健;曹立华;施龙
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033
【正文语种】中文
【中图分类】TN205;TH745
引言
舰载光电设备长期服役于恶劣的海洋气候环境中，高温、潮湿、盐雾、太阳辐射和各种霉菌对设备的侵蚀破坏已影响到设备的使用可靠性和服役寿命。

同时，随着各种技术的不断进步，舰载光电设备朝着系统化、模块化和智能化的方向发展，实现全天候、多功能和高可靠的稳定工作，这必然要求舰载光电设备具有适应各种恶劣环境的能力，为此防湿热、防盐雾、防霉菌的三防设计成为舰载光电设备研制过程中不可或缺的重要环节。

舰载光电设备的三防设计涉及到材料的优选，元器件的筛选，电路和结构的合理设计，加工制造工艺的正确选择等各个方面的工作，在设备的研制时应同步进行。

本文从舰载光电设备的组成出发，分别对不同部分采取相应的三防设计和三防措施，
并在海洋环境下进行了多年的实践检验，满足现代化舰载光电设备的发展要求。

1 舰载光电设备的相应腐蚀
目前，无论舰载光电跟踪仪、舰载光电侦察设备还是舰载光电对抗装备，其组成均可按光学系统，精密机械结构和伺服通讯控制3部分进行划分。

在进行三防设计
时有针对性地采取相应的三防措施。

然而就三防设计而言，腐蚀机理和破坏形式的掌握是进行三防设计的前提。

根据已有资料显示，50%以上的海上设备发生故障
是由环境效应引起，即由湿热、盐雾和霉菌引起设备出现危险性较大的腐蚀，甚至出现事故［1］。

舰载光电设备外漏表面在湿热的海洋大气中通常会吸附一层水膜，当水膜达到20～30分子层厚时，就形成化学腐蚀所必需的电解质膜，这种含盐份较高的电解质膜对裸露金属表面具有很强的腐蚀性。

同时，海水中浪花和海水击岸时的喷散或由于气流卷带海水中的盐份所形成的盐雾，含有大量的氯离子，使自身的导电性加强，易在金属表面形成微电池，增加腐蚀的活性，导致金属表面的钝化膜遭到破坏，促使形成孔蚀或缝隙腐蚀，以及电偶腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀磨损等破坏形式，如表1所示。

盐雾对金属材料和金
属镀层都具有腐蚀作用，并且对某些绝缘材料也有一定的影响。

湿热的海洋环境为霉菌的滋生提供了有力的生存条件，光电设备中只要空气能进入的部分便有可能被霉菌污染。

容易造成以下几方面的危害：
首先是光电设备中所用的绝缘材料被霉菌污染时，绝缘电阻降至原来的1%，抗电强度减弱约65%，使得绝缘材料的绝缘电阻和抗电强度大幅下降。

同时印制电路
板上的霉菌还可以导致线路间发生短路。

设备中所用工程塑料也会因增塑剂、填料等被霉菌消耗而使塑性变差，加速老化。

天然橡胶制成的密封件同样会被破坏，导致密封失效，引起泄露。

表1 盐雾相关的失效机理及失效模式Table 1 Corrosion failure mechanisms
and modes related to salt spray失效机理失效模式影响因素化学腐蚀接触不
紧密机械性能下降腐蚀产物浓度电偶腐蚀造成短路机械性能降低高耦合电动势小阳极，大阴极点蚀密封性降低机械性能下降金属中含有杂质缝隙腐蚀密封性降低机械性能下降缝隙中所含杂质
金属材料会因霉菌新陈代谢产生的分泌物引起电解反应，造成腐蚀破坏。

玻璃等光学零件，因采用了表面镀层，长期的长霉会损害其光学性能［2］。

为保证舰载光电设备能够长期经受住湿热、霉菌和盐雾的侵蚀，分别从光学镜头、结构形式和伺服控制方面展开相应的三防设计，其中包括材料的选取和工艺的制定。

2 三防材料选用
从腐蚀机理可以看出，材料的正确合理选择是舰载光电设备三防设计的基础。

根据材料之间的相容性，可合理匹配金属和镀层的类型，同时要综合考虑所选材料的力学性能、耐热性能、电气及加工性能，优选耐湿性好的金属材料和耐腐蚀、不长霉的非金属材料。

舰载光电设备可根据使用环境和在舰船上不同的安装位置选用合适的耐腐蚀材料，常用耐蚀性较好的金属材料包括金、铬、镍及铝合金、铜合金和不锈钢等。

通常选用铜合金、铝合金、不锈钢和耐蚀钢并结合镀覆金属层或涂覆非金属层的联合保护模式。

耐老化、不长霉的常用非金属材料包括碳纤维复合材料、硅橡胶、乙丙橡胶、聚酰胺、四氟乙烯及聚碳酸酯。

在材料不能满足三防要求时，可进行相应的处理和有效的涂覆保护。

3 三防设计
3．1 光学镜头三防设计
根据舰载光电设备的使命以及对光学镜头在海边和海上使用的特殊环境要求，使得在设计光学镜头时应考虑相应的防护措施，避免环境的腐蚀问题。

在光学镜筒内放置干燥剂组件，保持镜筒内的干燥；也可采取在镜头上设置止回阀门，在使用前向筒内充入氮气；同时各金属组件在装调时均加密封条或用硅橡胶密
封牢固，这就隔离了光学系统腔体内外空气的流通。

各光学组件在装调好后用硅橡胶密封，防止空气进入。

光学镜头前端加窗口玻璃，并在窗口玻璃外表面镀三防憎水膜。

其中红外镜头的第一片硅球面透镜上镀类金刚石膜等。

光学镜头的腔体内金属件采用抗酸氧化处理，运动部件涂航空润滑脂。

所有外露金属件采用镀镉工艺或选用耐蚀性较好的不锈钢材料，以提高其抗腐蚀能力。

环境适应性表明采取上述防护措施的光学镜头能够有效避免腐蚀，三防效果良好，光机系统结构如图1所示。

3．2 结构形式三防设计
结构形式三防设计包括材料的选择、合理的结构形式、恰当的表面防护措施、正确的选用密封方式及材料。

光电设备结构形式合理与否直接影响着自身的环境适应能力。

通过合理化的结构设计可避免腐蚀的出现［3］。

舰载光电设备为舱外设备，对直接暴露于大气的整机外壳设计成不积水结构，减少不必要的开口，尽可能避免海水和盐雾等腐蚀性介质的进入或聚集。

对需要密封的部位选择合理的密封形式和耐蚀性较强的密封材料，在结构设计时要尽可能将需要密封的部位限制到最少，严控泄露通道，对可能积水和留有湿气的空间开设排水孔和排气孔，必要时在设备内部放置干燥剂进行除湿。

在结构上采取整体铸造或钣金的结构形式，避免出现点焊、铆接和螺纹紧固等结构形式，以免形成缝隙腐蚀，同时在可能形成缝隙腐蚀的部位采取密封涂覆或加密封衬垫。

如设备的重要部件设计时要有特殊的保护装置，采用密封良好的保护罩对重要部件进行防护。

设备中所有盖板都设计成密封圈或密封垫的结构形式，同时结构的密封部位要有良好的可见性和可达性，以便后续的密封、检查和维护。

另外，结构形式应简洁、美观，尽可能采用流线型或圆弧轮廓的设计，防止沟槽和
尖角。

设计中尽量避免应力集中的出现，合理选择圆角半径或凸台半径，尽可能改善应力分布的均匀性。

同时设计中应考虑零件表面质量的控制，特别是关键件、重要件的表面粗糙度，以进一步提高零件的抗腐蚀能力。

设备中所有外露件，如起吊环、螺钉等，均进行镀镉处理或采用含有少量钼的耐腐蚀不锈钢材料。

螺钉和铝基体结构件接触连接时，螺钉孔涂抹阿洛丁和环氧底漆，螺钉采用耐腐蚀不锈钢或进行镀镉处理并用润滑防护脂或点胶的形式进行湿态安装。

由于海水是典型的电解质溶液，为防止金属间电化偶腐蚀的出现，在设计与装配时充分考虑异种金属接触形成的电位差腐蚀。

在同一种结构中尽可能选用一种金属材料，避免采用不同类型的金属接触，或者可选用金属电偶序中电位相近的材料进行配对，即两种接触材料的电位差不超过0．25V或符合小阴极－大阳极（尽可能扩大阳极性金属的表面积，减小阴极性金属的表面积）结构［4］。

另外可以在结构上采取相应的防护措施，如在其中一种金属上镀覆允许与另外一种金属相接触的金属层或者两种金属镀覆同一种金属材料，以及在两种金属间涂覆绝缘保护层或加绝缘衬垫来隔离。

对于易腐蚀部件的结构断面厚度应尽量相近，避免温度变化或机械电气负载作用引起薄弱部位发生形变，材料晶格件产生扭曲而引起应力腐蚀，甚至出现电参数变化［5］。

3．3 结构材料与表面防护
恰当的表面防护措施可以在结构材料的表面形成腐蚀防护屏障，最大限度地提高设备的三防能力［6］。

1）改善材料的金相组织、消除应力和变形。

如金属材料应在退火完成后进行后续的切削加工，铝合金等常用材料选择淬火失效过的材料作为毛坯料。

对重要受力的机械件，热处理选用等温淬火加低温回火。

对机加、热处理和表面处理等产生的残余应力，在最终热处理后要进行振动、喷砂等消除应力处理措施，以保证具有较好
的抗应力腐蚀性能。

2）对使用铸铝、硬铝、铜和钢等常用材料加工的零件，在其表面覆盖金属镀层或非金属涂层，达到防护的目的。

通常钢制零件镀锌、镀镉或镀铬，其中锌被作为钢制零件最常用的防护镀层，铝制零件通常采用化学氧化、阳极氧化进行处理，对有导电要求的结构采用化学氧化，否则进行绝缘氧化处理，铜合金则采用氧化处理或钝化处理的方式。

3）大铸件、盖板等外露件的表面采用非金属涂层保护。

根据外形要求和实际的使用环境选用相应的非金属涂层、油漆涂层作为舰载光电设备外壳上使用最广的覆盖层，对其能够起到很好的保护作用。

同时应考虑涂层与基体材料的附着力，选择三防性能良好的聚氨酯底漆、丙烯酸漆和相应的面漆。

面漆选用氟碳涂料，并结合先进、成熟的涂覆工艺，确保设备外露表面具有可靠的防护屏障。

4 电子组件三防设计
舰载光电设备中电子组件的三防设计是其可靠性的重要保证。

三防处理主要针对印制电路板、焊点等涂覆三防清漆，接插件浸涂电接触保护剂等展开。

在电连接器的选择上采用H62黄铜镀镍连接器代替铝合金件，并且安装时避免表面镀层的划伤，与电缆连接的电连接器要进行有机硅胶灌封，外部涂HM－108密封剂以防渗水，相应电器密封面、结合面采用高分子平面密封胶。

接插件和开关的表面涂具有导电性能的DJB－823接触保护剂，该产品还具有优良的防腐蚀性能、润滑性能和电气性能，在航空、航天和舰船等军用电子产品上得到广泛应用。

印制电路组件的表面喷三防聚氨酯漆，用于防潮湿和防盐雾，也可选用能够防潮、防盐雾、防紫外线照射以及防电击穿和高绝缘强度的SCC三防漆。

对在舱内进行操作的控制机柜，在设计时考虑通风、换气、除湿外，要求机柜具有电磁屏蔽性能。

控制机柜为铸铝机柜，其中骨架采用整体铸造而成，盖、门与骨架
的连接面分别加屏蔽条或导电橡胶和导电漆，以保持电的连续性。

进出风口装金属丝网。

机柜内设置有定期通电加热或用变色硅胶来除掉潮气的设施。

另外，与设备接通的连接电缆采用具有耐高温、耐盐雾、高防水、抗老化的舰船专用电缆。

5 结论
舰载光电设备防湿热、防霉菌和防盐雾的三防性能是系统整机的重要技战术指标之一，在设备的研制过程中应同步进行三防设计，使三防设计贯彻到产品设计中，并通过相应工艺控制得到实施。

本文从湿热、盐雾及霉菌对光电设备造成的危害出发，把舰载光电设备的三防设计具体划分到了光学镜头、机械机构和电子组件部分，采取相应的三防设计方法和措施，并对各部分材料的选择、结构形式的合理设计和工艺防护措施的恰当选择均提出具体措施，最后在恶劣的海洋环境下进行了多年的实践验证，表明所采取的三防设计方法和措施可行有效，满足研制要求，对今后舰载光电设备的研制提供一定的借鉴和参考。

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