方惠龙 胡 平 刘 凯

（1.92555部队 上海 200439）（2.海军工程大学舰船与海洋学院 武汉 430033）

1 引言

失效机理研究是确定影响武器寿命的关键故障模式和关键激发环境因素，及开展延寿技术研究的基础和前提。通过分析武器及各组部件的技术状态，对各系统和关键部件按照结构特征分类，根据各系统工作原理和结构材料等情况，针对其所受典型环境应力，结合武器测试、故障等，分析典型材料、元器件和部件贮存失效机理，进一步研究典型环境因素对武器性能影响，找出影响武器寿命的主要因素，可为后续维修和改进提供依据［1～4］。

2 武器失效模式

某型武器的主要失效模式主要为元器件参数漂移、松脱断裂、磨损磨蚀、电路故障、密封失效、绝缘失效、腐蚀锈蚀、过热烧蚀、机械变形等。本文针对这些失效模式的机理进行具体分析。

3 武器失效机理分析

3.1 参数漂移机理分析

武器电子元器件的参数在长期贮存中出现的参数漂移。元器件的特性决定了其参数随着时间的推移一定会发生漂移，造成这种参数漂移的机理主要包括电应力、温度影响等［5～7］。

1）电应力影响。载流子注入是导致N型MOS器件参数漂移的主要机理，沟道中的载流子在电场的作用下，在漏端有一定机率发生碰撞电离，产生电子空穴，产生的电子在栅极电场的作用下会注入到栅氧化层中，空穴会流入衬底。

2）温度影响。负偏置温度不稳定性是导致P型MOS器件参数漂移的主要机理，在高温负向偏置条件下，界面处硅氢键断裂产生界面态，随着氢离子的扩散会形成氧化层中的体电荷缺陷，部分氢离子会扩散到栅极。形成的这些界面态和体电荷会导致器件阈值电压、饱和电流和跨导等参数漂移。

3.2 松脱断裂机理分析

1）壳体裂纹。武器在长期贮存中壳体材料受热应力影响会出现裂纹等。

2）疲劳失效。疲劳失效总是由裂纹开始，裂纹可能是在制造阶段产生的，也可能是随时间变化由应力集中源周围的循环应变所导致的。

3）腐蚀断裂。腐蚀也是引起裂纹扩展断裂的另一个机理。有裂纹的零件放在腐蚀环境中，在静态应力下会导致裂纹扩展。

4）合金蒙皮漆层脱落或开裂。武器的合金蒙皮进行高温试验、低温试验及温度冲击试验时会出现漆层脱落。

3.3 磨损磨蚀机理分析

武器使用后的磨损磨蚀主要包括以下失效机理。

1）腐蚀磨损。壳体材料受到氮、硫酸以及细菌等污染时，容易造成非金属和金属材料腐蚀，加剧武器运动机构的的磨损。

2）锈蚀磨损。武器在潮湿环境中金属材料容易锈蚀，锈斑等会加剧武器机构的磨损。

3）冷启动干摩擦。当润滑油失效或润滑油未被油泵打到各润滑部位时，武器运动机构会出现磨擦，造成武器运动机构的异常强磨损。

3.4 电路故障机理分析

武器电路故障包括电路的开路、短路、接触不良等［8］。

1）开路失效机理分析

武器在试验过程中偶发个别导线断裂，插座插针断裂等开路失效情况。

2）短路失效机理分析

短路由腐蚀失效引起，武器在包装箱密封失效放置时，由水汽带入的杂质或从树脂中溶解的杂质会与金属铝作用，使铝互联线发生化学腐蚀或电化学腐蚀。

3）接触不良失效机理分析

武器贮存过程中会出现开关接触不良的情况。其原因包括触点污染电镀层脱落、弹簧压力不够、界面粘润不良、触头连接松动等。如图1所示，为触点表面出现有机污染后造成的接触不良。

图1 表面有少量有机物沾污

3.5 密封失效机理分析

武器在贮存和使用过程中，会出现密封圈老化、阀密封线缺口、密封部件压痕过深等现象。密封失效的原因包括材料老化、化学腐蚀，热损坏，机械磨损等［9］。

武器中的O型密封圈或密封垫由于受到热、氧、紫外线、辐射、水蒸气以及化学介质等的侵蚀，材料外观会发生变化，同时其物理机械性能会降低，强度、断裂伸长率等大幅度下降，透气率增大，介电性能减弱等。

3.6 腐蚀失效机理分析

在壳体的套接结构或对接结构中，不同壳体的材料可能不同，不同的材料接触会造成电偶腐蚀。耐蚀性较差的金属（电位较低）接触后成为阳极，腐蚀加速；耐蚀性较高的金属（电位较高）则变成阴极受到保护，腐蚀减轻或停止腐蚀。电偶腐蚀图见图2所示。

图2 电偶腐蚀

缝隙腐蚀是指由于金属与金属，或金属与非金属之间形极小的缝隙，其宽度足以使介质进入缝隙中，而在缝隙内或附近产生的局部腐蚀。常见的局部腐蚀形态如图3所示。

图3 常见局部缝隙腐蚀示意图

3.7 过热烧蚀失效机理分析

如图4所示为芯片局部区域的过热烧蚀，其原因是芯片粘结空洞，导致空洞处芯片局部过热烧毁。主要有以下原因：1）绝缘失效导致触点电流剧增，产品局部过热烧蚀；2）短路；3）散热系统失效导致热量集中；4）长时间大功率工作导致过热；5）机械振动、腐蚀等引起的易燃液体泄漏。

图4 芯片局部区域烧毁

3.8 机械变形失效机理分析

武器出现的机械变形失效机理包括以下方面。

1）力学冲击。武器在长时期振动、剧烈冲击等力学效应的影响下，会出现机械变形现象。

2）机械热变形。机械材料存在热胀冷缩的现象，温度会使机械结构几何形体发生变化，产生热变形，甚至造成开裂。

3）焊接及铸造缺陷。芯片外壳焊接时的热应力使芯片沿着固有的机械损伤处裂开［10］，如图5所示。

图5 芯片外壳变形开裂

4 结语

本文通过历史数据分析，深入研究了武器的主要失效模式包括参数漂移、松脱断裂、磨损磨蚀、电路故障、密封失效、绝缘失效、腐蚀锈蚀、过热烧蚀和机械变形，并针对这些失效模式的失效机理进行了深入分析，可为武器的维护保养以及改进提供参考依据。