海洋环境下军用红外热像仪防护技术研究

吴学鹏，王波

（华中光电技术研究所—武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430223）

摘要：分析了海洋环境中服役的军用红外热像仪腐蚀失效机理，根据工程实践，对光电设备整机提出了设计和工艺上的解决方案，特别对机壳镁合金材料从选材到表面化学镀镍处理以及有机物涂装进行了详细阐述。产品鉴定试验结果表明，该腐蚀防护方法能够有效防止恶劣海区环境下热像仪的腐蚀失效。

关键词: 海洋环境； 红外热像仪 ；化学镀镍；涂装；三防设计

中图分类号 TP317.4  文献标识码 A

Research on Military Infrared Thermal Imager Protection in Marine Environment

Wu Xue-Peng ，Wang Bo

(Huazhong Institute of Electro-Optics—Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan 430223)

Abstract：The corrosion failure mechanism of military infrared thermal imager used in the marine environment is analyzed. According to the engineering practice, the design and process solutions for the optoelectronic equipment are proposed, especially for the magnesium alloy material of the casing from the material selection to the surface electroless nickel plating, and organic coatings are elaborated. The product qualification test results show that the corrosion protection method can effectively prevent the corrosion of the thermal imager in the harsh sea environment.  

Key Words: marine environment; infrared thermal imager; electroless nickel; painting; three-proof design

1. 引言

随着电子信息技术的日益发展，红外热像仪作为全天候观测、警戒、跟踪的主要光电设备越来越多地列装于各军兵种，使用范围越来越广泛。第三代红外热像仪集成了激光测距/照射、GPS/北斗定位系统、电磁罗盘定向等功能，正朝着系统化、模块化和智能化方向快速发展。在恶劣海区环境中，受高温、潮湿、盐雾、太阳辐射和各种霉菌的侵蚀破坏，设备的使用可靠性和服役寿命必然会受到影响。对于热像仪而言，环境因素会影响光电传感器的成像质量和系统的动态性能，降低对目标的跟踪精度，引起设备结构材料、电子器件的腐蚀、生霉、疲劳损伤甚至失效破坏，造成巨大的经济损失，严重时会带来致命的灾难性后果。

镁合金是现有结构材料中最轻的金属，具有密度低、比刚度和比强度高、减震性好及电磁屏蔽与抗干扰能力强、切削加工性能和热型性好及稳定性高等优点。对于空降兵、海军陆战队、陆军手持设备而言，镁合金是最为理想的红外热像仪机壳制造材料。但是, 镁的化学性质活泼, 标准电极电位较低（-2.37V），在NaCl溶液中的电位是所有结构金属中最低的^[1]。此外, 镁的氧化膜疏松，因此耐腐蚀性能较差, 长期以来严重制约了镁合金的开发和广泛应用, 使镁合金的优良性能得不到充分发挥，本文着重讨论镁合金作为主体材料制作的热像仪整机防护技术。

2. 材料腐蚀机理与类型

热像仪的制造材料主要有镁合金、不锈钢、铅黄铜、合成树脂和橡胶等金属和非金属材料，其主壳体材料采用镁合金制造，能够大大减轻设备重量，便于携带和操控。金属材料受环境介质的化学/电化学或物理作用而引起的逐渐变质和破坏，以及非金属材料（如复合材料、有机涂料）的老化、降解等等都构成设备腐蚀。金属材料腐蚀大多属于电化学腐蚀，电化学腐蚀是不同的导电材料在电解液中，电位较低的金属阳极失去电子被氧化腐蚀溶解，电位较高的阴极得到电子被还原保护的电化学反应过程。产生电化学腐蚀的三个必要条件：电位差、电通路、电解液。如下图所示：

图1 电化学腐蚀产生的原因

热像仪壳体材料镁合金具有极高的化学和电化学活性，如表1所示，在25℃时标准电极电位为- 2.37V，是电负性很强的金属。在相对湿度70%～90%甚至更高的海洋大气环境中，表面在潮湿的海洋大气中会吸附一层水膜，这层水膜吸附到20～30 分子层厚时，就形成了化学腐蚀所必需的电解质膜，这种富含盐分的电解质膜对裸露的金属表面有很强的腐蚀性。尤其是海洋大气中大量存在的氯离子, 会破坏镁表面的钝态, 加速镁合金材料的腐蚀。镁合金的电化学腐蚀过程主要以析氢为主, 以点蚀或全面腐蚀形式迅速溶解直至粉化。一般认为, 镁在水溶液中发生腐蚀时, 反应过程可表示为^[2]：

Mg→ Mg²⁺ + 2e^-  (阳极反应)

2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH ^-  (阴极反应)

Mg²⁺ + 2OH ^- → Mg(OH) ₂  (腐蚀产物)

总的腐蚀反应为:

Mg+ 2H₂O = Mg(OH) ₂ + H ₂

表1 常用金属的EMF值

3. 镁合金材料防护

针对镁合金在海洋大气环境中应用的特点, 不同的研究者提出了不同的方法来提高镁合金的抗腐蚀性能, 这对镁合金突破腐蚀瓶颈实现大规模应用具有重要的意义。增强镁耐蚀性的途径包括开发高纯合金或新合金、快速凝固处理、表面改性以及施加防护层等。

影响镁合金耐蚀性的最重要因素之一是其中的杂质含量, 尤其是有害元素如Fe、Ni、Cu 和Co的含量。因此控制合金中有害元素的含量在容许极限以下, 提高合金的纯度, 是解决镁合金腐蚀问题的有效途径之一。如高纯镁合金AZ91E 与大多数商业铝合金相比, 具有类似或更好的耐蚀性。另外, 开发新的合金种类, 在镁基合金中加入适量的合金元素如稀土等, 也是解决传统镁合金腐蚀问题的有效途径。如新合金WE43和WE5 盐雾腐蚀速率比传统镁合金AZ91C 低2个数量级^[3]。在此基础上，快速凝固处理是先进金属材料制造的主要发展方向之一。快速凝固处理( RSP) 之所以能显著提高镁合金的耐蚀性, 是因为它能扩大固溶度的限制, 使新相的形成成为可能, 从而使有害元素以危害更小的相态或在危害更小的位置存在。更为重要的是, 由于RSP 能增大以高浓度存在时可以形成玻璃体氧化膜的元素的固溶度, 促进更具保护性并有自愈能力的玻璃体膜的形成, 因此也能提高材料的耐蚀性能。

镁合金的表面防护通常有如下方法：化学转化、阳极氧化、微弧氧化、表面陶瓷涂层、电镀、化学镀、涂覆有机物及热喷涂等。在众多的表面处理中，化学镀镍基合金层具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性及表面光亮等优点，而且制备方法简单、投资成本低、防护效果好，具有良好的应用前景。目前镁合金化学镀镍基合金工艺大体可以分为制备中间层法和直接化学镀镍基合金法。

由于镁的标准电位与镍相差较大，因此，在镁合金表面直接化学镀镍基合金，置换反应严重，且镀层与基体结合力差，预浸中间层金属的电极电位应介于镁、镍之间，目前常采用的是浸锌工艺。其工艺流程如下:

除油→电解清洗→酸洗→酸性活化→浸锌→预镀铜

浸锌液的组成为: 40g /L 硫酸锌，125g /L 焦磷酸钾，20g /L 抑制剂， 80g /L 添加剂，θ 为( 75±5) ℃，PH 为( 10.5±0.5) ，t 为2 ~ 3min，可以得到结合力强、耐蚀性良好的镀基合金层，镀层均匀、致密、平整、光滑，外形美观。

由于浸锌工艺存在工艺复杂，不易实现工业化应用，且浸锌层不容易与镁合金基体结合牢固等缺点。目前，一种新的处理方法即直接化学镀镍合金可获得均匀且结合良好的镀层，其工艺流程如下^[4]:

碱洗→酸洗→活化→化学镀镍合金

最佳镀液组成: 20g/L NiSO₄.6H₂O、20g/L NaH₂PO₂.H₂O、2.5g/L C₆H₈O₇.H₂O、10g /L NH₄HF₂、12 mL /L HF、1mg /L 硫脲，所得镀层光滑、致密、均匀，耐蚀性较好。

化学镀镍后，对机壳进行有机涂层涂覆可进一步增强镁合金的耐蚀性能。有机涂层的保护作用主要是在金属基体和环境介质间充当隔离层, 阻碍水、离子、氧气和电荷传至基体, 阻止腐蚀电路的形成。聚氨酯（PU）涂层使镁合金基材的标准电极电位明显发生正移, 腐蚀电流密度明显降低, 极化电阻提高10~20 倍, 显著提高AZ91D 镁合金的耐腐蚀性能。这主要归因于聚氨酯和环氧聚氨酯（ER\PU）有机涂层良好的电绝缘性及膜层交联结构, 阻挡了Cl^- 等腐蚀性离子的入侵, 有效缓解和抑制了镁合金基材在盐水溶液中的电化学腐蚀。ER\PU 涂层具有最好的附着力( 5A) 和涂膜硬度( 3H) 。这是因为: 一方面, 涂料与镁合金基材粗糙表面形成了机械咬合作用; 另一方面, 加入环氧树脂ER 后, 除了聚氨酯中极性基团-NCO与镁合金基材形成化学键外，ER 提供的醚键、环氧键等也与金属基材表面形成化学键结合, 故涂层的附着力提高; 同时, ER 的添加使涂层的脆性增加, 从而使涂层硬度提高^[5]。

4. 整机防护设计

4.1 光学镜头三防设计

光学镜头由于运动和定位精度以及对镜片清洁度及膜层水汽的特殊要求，一般要求在镜头安装腔体内设置止回阀门，使用前向镜筒内冲入氮气，同时放置干燥剂组件，保持镜筒内的干燥^[6]，各金属组件在装调时均加密封条或用硅胶密封牢固，如图2所示，这就隔离了光学系统腔体内外空气的流通。一方面可以避免潮湿空气起雾导致镜头无法使用，另一方面也可以避免含盐雾水汽凝结，形成电解液对镜头结构金属形成结构破坏和配合精度降低，严重的甚至会导致运动卡滞。此外，还可以起到降低腔体内氧气浓度，抑制某些霉菌生长，减小霉菌对镜片透过率的影响。激光和电视镜头光学镜头前端加保护窗口，并在窗口玻璃外表面镀三防憎水膜，防止水膜形成影响光学系统透过率。红外镜头的第一片硅球面透镜上镀类金刚石膜，这些措施可以增强光学系统抗沙尘能力和抗霉菌能力。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NT98。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。外部螺钉采用湿法装配，并进行达克罗处理，减缓外露螺钉腐蚀速率。

图2 热像仪内部结构图

4.2 结构形式三防设计

1) 对重要部件进行密封设计，最大限度地防止海水、湿气及其它腐蚀介质进入和聚集。根据密封部位的结构特点选择密封效果较好的密封材料和密封类型；尽可能将需要密封的零件数量限制到最少，减少泄漏通道；结构的密封区域充分考虑具有良好的可见性、可达性，以便实施密封、检查和维修；

2）结构设计中尽量避免外部构型出现存水沟槽，无法避免时也要考虑设计疏水通道，避免海水聚集，造成严重电化学腐蚀。

3) 结构形式尽量考虑简单、光滑，尽可能采用流线型或圆弧的外形轮廓，防止沟槽和尖角；设计中尽量避免或减小应力集中，采用合理的圆角半径和凸台半径，改善应力分布，可以减少应力腐蚀，提高有机涂层的附着力；

4) 改善和控制零件的表面质量，特别是关键件、重要件的表面，要求相对较高的粗糙度，以提高其抗腐蚀能力；

5) 所用金属材料在退火状态下进行切削加工，铝合金等常用材料选择淬火时效状态的材料作为毛坯料；

6) 设计和装配中充分考虑异种金属接触形成的电位差腐蚀，在满足强度和刚度的情况下，尽量选用电位差较小的金属，并且在装配过程中在异种金属之间涂抹耐高低温润滑脂等，尽量隔离异种金属的大面积接触；

7）暴露在外部的塑料和橡胶件应尽量选用耐老化材料如丁腈橡胶等，在成型过程中加入防霉剂，防止有机物生长霉菌腐蚀壳体。

5.  结束语

光电设备的防潮湿、防霉菌和防盐雾的三防性能是整机重要技战术指标之一，在设备研制过程中应同步进行三防设计，并通过工艺控制得到实施。经过上述方法处理的军用红外热像仪通过了高低温试验、温度冲击试验、振动试验、低气压试验、浸渍试验、湿热试验、盐雾试验、霉菌试验、沙尘试验等环境测试项目，性能指标均合格。在南部海区环境进行的部队试用过程中，未发现严重腐蚀现象。环境适应性表明采取上述防护措施的热像仪能够有效避免腐蚀，三防效果良好。

参考文献：

[1] Mclntyre N S , Chen C. Role of impurities on Mg surfaces under ambient exposure conditions [J] . Corrosion Science ,1998，40(10)：1697-1709.

[2] 霍宏伟，李瑛，王赫男，王福会. 镁合金的腐蚀与防护[J]. 材料导报. 2001，15（7）：25-27.

[3] 张永君，严川伟，王福会，曹楚南. 镁的应用及其腐蚀与防护[J]. 材料保护. 2002，35（4）：4-6.

[4] 郭兴伍，郭嘉成，章志铖，徐文彬，聂乐文，弓磊超，彭立明，丁文江. 镁合金表面处理技术研究新动态[J]. 表面技术. 2017，46（3）：53-63.

[5] 楼白杨, 高贵斌, 缪克在, 徐斌. AZ91D镁合金表面聚氨酯涂层耐腐蚀性能[J]. 材料热处理学报. 2009，30（5）：196-200.

[6] 乔健，曹立华，施龙. 舰载光电设备的三防设计[J]. 应用光学. 2012，33（2）：245-249.

作者简介：吴学鹏（1973-），男，湖北嘉鱼人，高级工程师，主要从事光电设备研究。