lec05 Защита от внешн факторов (Лекции проф Давыдова УГГИ)

11

КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

Development and creation of geophysical instruments. Protection from climatic conditions of the usages

Тема 5: ЗАЩИТА АППАРАТУРЫ ОТ ВЛИЯНИЯ

КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Естествоиспытатель не принимает в расчет невероятное.

Луис И. Канн.

Естествоиспытатель может и не принимать, а конструктору приходится. У меня в лаборатории был инженер, в присутствии которого приборы начинали заикаться и безбожно врать. Пришлось сделать этому специалисту в миниюбке рабочее место за перегородкой.

Валерий Самойлин. Уральский геофизик и радиоинженер. ХХ в.

Содержание:

1. Защита от климатических воздействий среды. Влияние климатических факторов на конструкцию. Защитные покрытия. Герметизация элементов, узлов, устройств или всего прибора.

2. Тепловой режим аппаратуры. Тепловой режим аппаратурного блока. Нормальный тепловой режим. Охлаждение аппаратуры. Теплоотвод кондукцией. Теплоотвод конвекцией. Принудительное воздушное охлаждение Выбор способа охлаждения.

3. Защита аппаратуры от воздействия влажности. Выпадение росы. Длительное воздействие высокой влажности. Защита аппаратуры. Металлические покрытия. Лакокрасочные покрытия.

4. Защита от воздействия пыли.

5. Герметизация аппаратуры.

5.1. ЗАЩИТА ОТ КЛИМАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ СРЕДЫ [1]

Выше рассматривались основные климатические факторы, оказывающие влияние на работоспособность РЭА в процессе ее эксплуатации. При этом отмечалось, что вид воздействующего фактора, а также его интенсивность и степень влияния зависят от типа климатической зоны и высоты над уровнем моря.

Рассмотрим основные направления воздействия климатических факторов и меры борьбы с ними.

Влияние климатических факторов на конструкцию. Влияние климатических факторов на конструкционные материалы выражается главным образом в возникновении процессов коррозии, потере механических и диэлектрических свойств, изменении электропроводности. Реакция на воздействующий фактор, степень и скорость изменения свойств конструкционного материала в зависимости от его состава различны. Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электрохимическую природу, но причина в этих случаях одинакова: переход металла в более стабильное природное состояние. Процесс коррозии связан с отдачей энергии, что указывает на самопроизвольный ход реакции, без затраты энергии извне. Процесс химической коррозии протекает без участия влаги. При электрохимической коррозии растворение металла и возникновение новых соединений происходит с участием электролита, т. е. воды.

Различают три вида коррозии: равномерную, неравномерную и межкристаллическую. При равномерной коррозии процесс распространяется постепенно от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла. Неравномерная коррозия ограничивается отдельными местами и возникает, например, вследствие нарушения защитного покрытия. Коррозия межкристаллическая характеризуется проникновением в глубь металла путем разрыва структуры и распространением вдоль границ кристаллов. Наличие в атмосфере кислот, щелочей, солей ускоряет процессы коррозии.

Воздействие агрессивной атмосферы на изоляционные материалы выражается в поглощении ими влаги, ухудшении диэлектрических свойств и постепенном разрушении. Изоляционных пластмасс, не поглощающих влаги, не существует. Количество проникшей влаги и время ее проникновения неодинаковы для различных материалов. Проникновение влаги в изоляционные материалы может быть капиллярное и диффузионное.

Капиллярное проникновение имеет место в случае наличия в материале грубых микроскопических пор, трещин и других дефектов. Так как в микроэлектронике применяют только высококачественные изоляционные материалы, то они практически свободны от таких дефектов.

Существенно большее значение имеет процесс диффузионного проникновения, который заключается в заполнении промежутков между молекулами материала молекулами воды. При этом перемещение молекул воды происходит в сторону меньшей их концентрации. При повышенной влажности молекулы воды проникают внутрь материала (поглощение влаги), а в сухой теплой атмосфере - из материала (высыхание). Поглощение влаги диэлектриком ведет к уменьшению его сопротивления, увеличению диэлектрических потерь, набуханию, механическим повреждениям.

Плесневые грибки, как один из сильнейших биологических факторов, также могут отрицательно воздействовать на работоспособность аппаратуры. Для развития плесени необходимы большая относительная влажность воздуха (80 - 100%) и температура 25 - 37°С. Такие условия естественны для стран с тропическим влажным климатом, однако они могут возникнуть искусственно в помещениях, где эксплуатируется аппаратура.

Среди материалов, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре, наибольшее воздействие плесень оказывает на те, которые имеют органическую основу, и, в частности, на изоляционные материалы проводных соединений.

Защитные покрытия. Для защиты поверхности металлических и неметаллических материалов от агрессивной внешней среды применяют различные покрытия, которые по назначению делят на три группы: защитные, защитно-декоративные и специальные.

Защитные покрытия предназначены для защиты деталей от коррозии, старения, высыхания, гниения и других процессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.

Защитно-декоративные покрытия наряду с обеспечением защиты деталей придают им красивый внешний вид.

Специальные покрытия придают поверхности деталей особые свойства или защищают их от влияния особых сред.

По способу получения все покрытия разделяют на металлические и неметаллические.

Металлические покрытия – покрытия, нанесенные горячим способом, гальванические, диффузионные и металлические на диэлектриках.

Неметаллические покрытия – покрытия лаками, эмалями, грунтовками, а также противокоррозионное покрытие пластмассами.

Выбор того или иного вида покрытия в каждом конкретном случае зависит от материала детали, ее функционального назначения и условий эксплуатации.

Для борьбы с плесневыми грибками применяют три способа:

Способ 1 - использование материалов, не склонных к образованию на них плесени (применение этого метода ограничивается возможностями выбора материалов).

Способ 2 - изменение внутреннего климата в аппаратуре, имеющее цель лишить плесневые грибки благоприятной базы для развития (здесь главным образом требуется принимать меры к снижению влажности воздуха, так как саморазогрев как отдельных микросхем, так и полностью всей аппаратуры лишает грибки благоприятной температуры).

Способ 3 - добавление в состав лака или эмали, которыми покрывают поверхность деталей, специальных химических веществ - фунгицидов.

Герметизация элементов, узлов, устройств или всего прибора. При этом способе защиты в зависимости от степени чувствительности тех или иных элементов или узлов к воздействию агрессивной среды и от их конструктивных особенностей применяют различные способы герметизации, отличающиеся как методом исполнения, так и сложностью и стоимостью.

Известны способы герметизации с помощью изоляционных материалов и непроницаемых для газов оболочек.

Защита изделий изоляционными материалами может производиться пропиткой, заливкой, обволакиванием и опрессовкой.

Пропитка изделий состоит в заполнении имеющихся в них каналов электроизоляционным материалом. Одновременно с заполнением каналов при пропитке на всех элементах конструкции образуется тонкий изоляционный слой, защищающий от воздействия агрессивной среды. Одновременно с защитными функциями пропиточный материал повышает электрическую прочность изделия, скрепляет механически его отдельные элементы, во многих случаях улучшает теплопроводность. Пропитку осуществляют погружением изделий в жидкий изоляционный материал. После извлечения изделия материал отвердевает. Процесс отверждения может происходить при нормальной температуре или с внешним подогревом. При использовании полимеризующихся пропиточных материалов необходимо применять специальные ускорители.

При герметизации заливкой все свободные полости в изделии, в том числе и пространство между элементами и корпусом, заливают электроизоляционным материалом, который после отверждения образует достаточно толстый защитный слой. Заливку изделия можно производить в его постоянном корпусе или использовать для этого специальные разъемные формы, которые после отверждения материала удаляются.

Герметизация обволакиванием по технике исполнения аналогична операции пропитки, однако здесь используют вязкие изоляционные материалы, обладающие хорошей адгезией к элементам изделия. Слой материала, образующегося на поверхности деталей, сравнительно толст (от долей до нескольких миллиметров) и надежно защищает их от воздействия агрессивной среды.

Защита изделий непроницаемыми для газов оболочками - наиболее совершенный способ защиты узлов и устройств РЭА, так как кроме эффективной защиты он может обладать возможностью разгерметизации в производственных условиях и при эксплуатации для выполнения ремонта изделий.

Условия нормальной работы изделий, защищенных вакуумно-плотной герметизацией, зависят не только от качества герметизации, но и от защиты от агрессивных компонентов, входящих в материалы и среду защищаемого объема. Выделение свободных молекул воды и других агрессивных веществ в герметизированном объеме изделия может свести к минимуму эффективность вакуумно-плотной герметизации. При разработке герметичных корпусов следует учитывать условия эксплуатации и, прежде всего, изменение барометрического давления, внешние механические воздействия и возможные перепады температуры.

Вакуумно-плотная герметизация может быть выполнена с неразъемными и разъемными швами. Первую используют для защиты малогабаритных узлов и устройств, вторую - для сравнительно больших блоков, требующих профилактической проверки и нуждающихся в смене ее отдельных элементов.

Неразъемные герметичные конструкции делают со швами, выполняемыми пайкой, сваркой, заливкой, склеиванием или замазкой специальными компаундами (герметиками). В разъемных герметичных конструкциях между соединяемыми деталями помещают эластичную прокладку, а в герметизируемый объем – влагопоглотитель, например силикагель. Условие непроницаемости такого герметичного соединения - сохранение во все время его службы контактного давления между прокладкой и соединяемыми поверхностями. Применяют металлические (из свинца, красной меди) и неметаллические (резиновые) прокладки. При стягивании винтами металлические прокладки деформируются при превышении предела текучести. При использовании резиновых прокладок уплотнение достигается действием остаточных упругих деформаций.

5.2. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ АППАРАТУРЫ [1, 2]

Тепловой режим аппаратурного блока характеризуется совокупностью температур отдельных его точек — температурным полем. Температурный режим создается как внешним температурным воздействием окружающей среды, так и тепловой энергией, выделяемой радиоэлементами самой аппаратуры. В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным или нестационарным.

Неизменность температурного поля во времени характеризует стационарный режим. Зависимость температурного поля от времени характерна для нестационарного режима. Этот режим имеет место в тех случаях, когда собственная теплоемкость аппарата соизмерима с количеством теплоты, выделяемой при работе. Обычно нестационарный режим имеет место при одиночных и кратковременно повторяющихся тепловых нагрузках.

По характеру направленности теплового потока разделяют термоактивные и термопассивные элементы. Термоактивные элементы служат источниками тепловой энергии, а термопассивные – ее приемниками.

Микросхемы и радиоэлементы функционируют в ограниченных темпера­турных диапазонах. Отклонение температуры от указанных диапазонов мо­жет привести к необратимым изменениям компонентов. По­вышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ус­коряет коррозию конструкционных и проводниковых материалов. При пониженной температуре затвердевают и растрескиваются резиновые дета­ли, повышается хрупкость материалов. Различия в коэффициентах линейно­го расширения материалов могут привести к разрушению залитых компаун­дами конструкций и, как следствие, нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению креплений и т. п.

Настоящее и будущее аппаратуры связано с использованием достаточно больших мощностей в сравнительно малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеяния, а, следовательно, и плотности рассеиваемой теплоты. Поэтому при конструировании аппаратуры особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля температуры.

Если температура в любой из точек блока не выходит за допускаемые пределы, то такой тепловой режим называется нормальным.

Нормальный тепловой режим - это режим, который при изменении в определенных пределах внешних температурных воздейст­вий обеспечивает изменение параметров и характеристик конструкции, компонентов, материалов в пределах, указанных в технических условиях на них. Высокая надежность и длительный срок службы изделия будут гаран­тированы, если температура среды внутри РЭА является нормальной и рав­ной 20-25 °С. Изменение температуры от­носительно нормальной на каждые 10 °С в любую сторону уменьшает срок службы аппаратуры приблизительно в 2 раза. Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, уве­личению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования, за­тратам электрической энергии.

Работоспособность при низких температурах обеспечивается саморазогревом аппаратуры перед работой или, при необходимости, нагревом электрическими нагревательными элементами, уста­навливаемыми для стационарной аппаратуры в помещении (что должно быть оговорено в инструкции по эксплуатации), для транс­портируемой - встроенными в конструкцию. При применении нагрева должно обеспечиваться автоматическое выключение нагревателей после прогрева аппаратуры. Следует избегать интенсивного прогрева, так как при этом пары воды внутри прибора конденсируются на поверхно­стях конструкции до тех пор, пока не осядет избыточная влага в возду­хе.