Các ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ bao gồm thiết bị điện tử, máy bay không người lái (UAV), máy bay, radar và vệ tinh và yêu cầu các kết nối và kết nối chặt chẽ hơn nhiều so với người tiêu dùng,y tế, và các ứng dụng công nghiệp. Loại kết nối quân sự / hàng không này được yêu cầu để chịu được các căng thẳng điện, cơ khí và môi trường khác nhau,và phải luôn đáp ứng các chỉ số hiệu suất, trong khi hiệu suất của các thiết bị thông thường sẽ giảm hoặc thậm chí bị hư hỏng trong cùng một điều kiện.
Các thiết bị kết nối tương tác rất đáng tin cậy cho các ứng dụng quân sự / hàng không không chỉ là một hoặc một bộ các thiết bị liên lạc được đóng gói trong một vỏ cứng.Các lực tiếp xúc và vật liệu tiếp xúc phải hoạt động như một hệ thống tích hợp để đảm bảo hiệu suất thỏa đáng trong các điều kiện xác định.
Bài báo này thảo luận về những thách thức mà các nhà thiết kế phải đối mặt trong việc lựa chọn và sử dụng các thiết bị kết nối cho các ứng dụng quân sự / hàng không.Ba sản phẩm Molex sau đó được lấy làm ví dụ để giải thích tại sao các thiết bị này giúp vượt qua những thách thức này.
Yêu cầu đối với các kết nối cứng
Các đầu nối cứng luôn đáp ứng các thông số kỹ thuật dưới các căng thẳng cơ học, môi trường và nhiệt cực đoan.nhưng cũng có một mức độ lớn của sự chồng chéoVí dụ:
Các kết nối trong các hệ thống quân sự trên đất liền phải có khả năng chịu được rung động mạnh, trầm tích dày (bụi, cát, cát), và nhiệt và lạnh cực kỳ.
Các kết nối biển và biển sâu phải có khả năng chịu được sự tiếp xúc lâu dài với môi trường nước biển ăn mòn và chịu được áp suất nghiền cao.
Bộ kết nối hàng không phải có khả năng chịu được lần cất cánh, hạ cánh và rung động của thiết bị bay, với phạm vi nhiệt độ cực kỳ rộng.
Các kết nối không gian trải qua biến động nhiệt độ nghiêm trọng hơn, tiếp xúc với chân không, thông gió và căng thẳng cơ học mạnh mẽ trong quá trình phóng và quay trở lại khí quyển.
Để đáp ứng các thông số kỹ thuật cho các yêu cầu này, cần phải hiểu một loạt các yếu tố vật lý cơ bản, bao gồm:
Động lực: các đầu nối trong xe quân sự hoặc máy bay chiến đấu đã được thử nghiệm để chịu được tăng tốc lên đến 20g.
Tác động: loại lực tác động cao này được tạo ra trong quá trình tăng tốc hoặc chậm nhanh khác với rung động.Tối đa 50 g tác động cho các đầu nối tiêu chuẩn và tối đa 100 g tác động cho các thiết kế nano và vi môNgay cả các tiêu chuẩn chuyên biệt cho các điều kiện nổ cũng bao gồm các rung động cấu trúc cường độ cao, tần số cao và ngắn hạn gây ra bởi các vụ nổ thiết bị nổ.thường thấy trong phân tách giai đoạn tên lửa hoặc phóng tải hữu ích tên lửa.
Nhiệt độ cực đoan: các hệ thống trên đất có thể trải qua biến động nhiệt độ từ - 65 ° C đến 125 ° C, trong khi các hệ thống không gian có thể trải qua nhiệt độ lên đến 200 ° C.Sự thay thế giữa nhiệt và lạnh làm cho vật liệu mở rộng và co lại, có khả năng làm suy yếu vật liệu và ảnh hưởng đến tính dẫn điện.Sự khác biệt trong hệ số mở rộng nhiệt (CTE) giữa các vật liệu khác nhau trong một đầu nối có thể tạo ra căng thẳng cơ học tại giao diện vật liệu, có thể dẫn đến sự không phù hợp hoặc hỏng trong thời gian sử dụng dài.
Tiếp xúc với chất gây ô nhiễm: để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy lâu dài của đầu nối, phải có các biện pháp như vòng hình O, vòm niêm phong và tay bảo vệ dây để ngăn ngừa độ ẩm,bụi và các chất gây ô nhiễm khác.
Sự ăn mòn: Đây là một vấn đề liên tục gây ra bởi sương mù và oxy hóa.Các vật liệu kết nối phải được lựa chọn và sử dụng đúng cách để ngăn chặn những điều kiện không thể tránh khỏi từ phá hủy sự toàn vẹn của kết nối.
Đáng tin cậy là gì?
Nói một cách đơn giản, độ tin cậy lâu dài đề cập đến khả năng duy trì hiệu suất ổn định trong sử dụng lặp đi lặp lại, tiếp xúc với môi trường và căng thẳng cơ học.Hiệu suất này không chỉ phụ thuộc vào điều kiện mà trong đó các kết nối lần đầu tiên được sử dụngNhiều đầu nối, đặc biệt là đầu nối I / O, trải qua hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn hoạt động ghép nối.
Một thiết kế bền vững thành công có hai khía cạnh liên quan không thể tách rời: chính tiếp xúc và nhà (cơ thể) của tiếp xúc cố định (Hình 1).
Vật liệu tiếp xúc, hình học và lớp phủ là các yếu tố chính (nhấp để phóng to)
Hình 1. Vật liệu tiếp xúc, hình học và lớp phủ là chìa khóa cho thiết kế kết nối bền.
Thiết kế bề mặt tiếp xúc là điều cần thiết để đảm bảo rằng đầu nối duy trì lực chèn thấp trong khi đạt được một kết nối đáng tin cậy.Máy chính xác của hình học tiếp xúc làm giảm galling tại kết nối và lớp mạ vàng (Au) trên bề mặt tiếp xúc ngăn ngừa oxy hóa. Bọc vàng thường dày 50 micrô inch (μ in) và được áp dụng trên lớp phủ gốc niken (Ni), được sử dụng để tăng cường độ dính bọc và tăng cường khả năng chống ăn mòn.
Các lớp phủ này bao gồm vật liệu cơ sở hợp kim đồng (Cu) của các liên lạc. sự kết hợp của vàng và mạ niken là cần thiết cho độ tin cậy lâu dài trong hàng không vũ trụ, quốc phòng,và các ứng dụng không gianĐồng Beryllium (BeCu) được sử dụng rộng rãi như một vật liệu cơ bản do tỷ lệ sức mạnh và trọng lượng tuyệt vời và khả năng chống mệt mỏi tuyệt vời.Hợp kim này đặc biệt phù hợp với các liên lạc của các thành viên của mùa xuân, nơi độ đàn hồi và độ đàn hồi sau căng thẳng lâu dài là không thể thiếu.
Phosphor bronze (CuSnP) là một sự thay thế thích hợp cho các liên lạc không có mùa xuân, cung cấp sự cân bằng giữa độ bền và độ dẫn điện.Vật liệu này chống ăn mòn và có tính chất mùa xuân vừa phải và thường được sử dụng trong các đầu nối nhỏ gọn và mỏng đòi hỏi một số tính linh hoạt nhưng không yêu cầu uốn cong liên tục.
Thiết kế một đầu nối chắc chắn đòi hỏi phải xem xét cẩn thận nhiều yếu tố (Hình 2):
Duy trì lực bình thường là chìa khóa để đảm bảo độ tin cậy.
Lực tiếp xúc tốt hơn làm giảm khoảng cách không khí, làm giảm kháng cự và cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu.
Sự tương tác tiếp xúc là sự chồng chéo trục giữa chân và thùng chứa, kết hợp lực, tính liên tục và sự ổn định cơ học.
Duy trì lực lượng bình thường là rất quan trọng cho độ tin cậy
Hình 2: Lực bình thường liên tục là yếu tố chính để đảm bảo độ tin cậy (ở trên), trong khi các lực tiếp xúc lớn hơn làm giảm khoảng cách không khí (ở dưới), do đó làm giảm kháng cự và cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu.Nguồn hình ảnh(Molex)
Ở cấp độ vi mô, khu vực tiếp xúc giao phối không chỉ đơn giản là một sự phù hợp giữa hai bề mặt phẳng mịn. Ngược lại, khi tiếp xúc ohmic được hình thành hoặc ngắt kết nối,giao diện tiếp xúc có độ thô vi mô, đỉnh bề mặt và hình dạng bất thường. lực tiếp xúc cao hơn làm phẳng những nhịp nhỏ này, cải thiện tính dẫn điện, giảm kháng tiếp xúc và đảm bảo hiệu suất nhất quán,nhưng tăng lực tiếp xúc cũng ảnh hưởng đến lực chèn và rút, làm tăng độ mòn bề mặt tiếp xúc.
Hệ thống tiếp xúc được thiết kế tốt cân bằng chiều dài và lực bình thường để ngăn chặn các kết nối lỏng lẻo, hao mòn quá mức và căng thẳng cơ học.kháng tiếp xúc sẽ tăng lên và tín hiệu sẽ không ổn địnhNgược lại, lực tiếp xúc quá mức tăng tốc độ mài mòn lớp phủ và dẫn đến mệt mỏi sớm của cấu trúc tiếp xúc.
Không giống như các đầu nối có sẵn trên thị trường chỉ có một hoặc hai tiếp xúc, các đầu nối cứng sử dụng một hệ thống nhiều tiếp xúc để phân phối tải cơ học do rung động hoặc sốc (Hình 3).Các hệ thống liên lạc này ngăn chặn các vòng cung hoặc mất tín hiệu do chạy bộ và cung cấp các đường liên lạc dư thừa cho các hệ thống quan trọng.
Thiết kế đa tiếp xúc để cải thiện sự ổn định và tính toàn vẹn của tín hiệu
Hình 3: Thiết kế đa tiếp xúc để cải thiện sự ổn định và tính toàn vẹn tín hiệu.
Hệ thống tiếp xúc cũng có thể bao gồm các yếu tố mùa xuân để duy trì lực tiếp xúc nhất quán theo thời gian.Các thiết bị tiếp xúc có nguồn phun bù đắp cho những thay đổi nhỏ trong quá trình sắp xếp liên lạc trong khi đảm bảo tính dẫn độ đáng tin cậy thông qua việc cắm và tháo liên tụcTuy nhiên, các lực quá mức có thể gây ra sự mòn quá mức của lớp phủ tiếp xúc.
Hơn cả các đường tiếp xúc: nhà nối và nhà bảo vệ
Hiệu suất cốt lõi của một đầu nối chắc chắn bắt đầu với các tiếp xúc, nhưng các nhà chứa đầu nối phục vụ nhiều hơn so với các tiếp xúc điện bao quanh nội thất: nó chống lại căng thẳng cơ học,nhiệt độ cực, môi trường hung hăng và độ ẩm trong khi duy trì sự cân bằng giữa độ bền và trọng lượng. ví dụ: Một loạt các vật liệu vỏ có sẵn cho nhà thiết kế:
Các polyme thermoplastic như polyether-ether ketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS) và polyetherimide imide (PEI) cung cấp độ bền cơ học tuyệt vời, khả năng chống nhiệt,và sự ổn định hóa họcNhững vật liệu này hấp thụ hiệu quả rung động và tác động từ các cấu trúc nhẹ.
Các hợp chất như polyme được gia cố bằng sợi thủy tinh và các hợp chất sợi cacbon có tỷ lệ sức mạnh/trọng lượng tuyệt vời.bao gồm độ bền kéo, kháng va chạm hoặc ổn định nhiệt.
Thép không gỉ và hợp kim nhôm là các vật liệu ưa thích cho vỏ kết nối do tác động cao, rung động cao,và nhiễu điện từ mạnh (EMI) trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng.
Lớp kết nối thép không gỉ cung cấp khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và sức mạnh cơ học, làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng hàng hải, công nghiệp và hàng không vũ trụ tiếp xúc với độ ẩm, hóa chất,hoặc sương mùHợp kim nhôm cung cấp không chỉ bảo vệ EMI mạnh mẽ, mà còn trọng lượng nhẹ và dễ dàng chế biến, làm cho chúng trở thành vật liệu ưa thích cho lồng kết nối trong xe quân sự, điện tử máy bay,và các ứng dụng không gian.
Một số đầu nối cứng sử dụng hệ thống khóa phẳng cung cấp sự ổn định và kết hợp an toàn trong khi giảm kích thước tổng thể.một thiết bị khóa mùa xuân hoặc giữ xuống cung cấp cả độ tin cậy cơ học và dễ dàng vận hành của các kết nối trong điều kiện chiến trường.