航天產(chǎn)品導電多余物案例分析

航天產(chǎn)品中一旦出現(xiàn)多余物，往往會釀成無法估量的損失，特別是載人航天產(chǎn)品。因此，在航天產(chǎn)品生產(chǎn)過程中有一套嚴格的程序，嚴格把控出現(xiàn)多余物的現(xiàn)象。近期，在某載人航天產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，檢測出了產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)了導電多余物。在問題歸零分析中，導電多余物被確認為防靜電服裝中導電纖維導電組分的脫落物。這是航天產(chǎn)品出現(xiàn)多余物事件中一個極為罕見的案例。筆者有幸參與了這次航天產(chǎn)品導電多余物事件的問題定位分析，筆者認為，此類事件，雖屬偶發(fā)，但是從導電纖維的導電組分脫落原因來分析，此現(xiàn)象又具有一定的普遍性。由于航天系統(tǒng)嚴格的檢查測試程序以及問題歸零分析程序，發(fā)現(xiàn)了這一看似不可能的防靜電服裝導電組分脫落的事件。剖析這一案例，找到問題的原因以及制定相應的預防措施，對防止類似問題的再次發(fā)生，避免對航天產(chǎn)品及微電子產(chǎn)品造成傷害，具有十分重要的意義。

一、事故再現(xiàn)

今年年初，某航天產(chǎn)品在真空試驗后的例行檢測中，發(fā)現(xiàn)其中有一組電極的電阻數(shù)據(jù)異常，故啟動問題排查程序。初步懷疑可能是器件損傷、接插不良以及有異物。根據(jù)故障樹排列順序逐一排查，排除了器件損傷及接插不良。經(jīng)過拆解后，在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的這組電極上發(fā)現(xiàn)了有一根黑色纖維狀多余物。該多余物直徑10-11μm，長度大約4mm。去除該多余物后再次測試，電阻數(shù)據(jù)恢復正常。故此，問題原因基本可確定為產(chǎn)品內(nèi)部存在多余物。

二、導電多余物問題定位分析

通過對多余物的進一步檢測，發(fā)現(xiàn)該多余物為非金屬，其主要成分為碳，電阻約為350歐姆。由于該多余物的碳元素含量比碳纖維少，電阻比碳纖維高，故而可排除碳纖維。該航天產(chǎn)品的生產(chǎn)及測試環(huán)境為10萬級潔凈環(huán)境，工作人員穿著防靜電潔凈工作服，因此懷疑有可能是防靜電工作服上的導電纖維。

剪取現(xiàn)場使用的防靜電服面料做進一步的分析，在電鏡下看到導電纖維是二點外露的截面形狀，即在導電纖維的二個對稱外表面有導電組分（如圖1）。用電鏡測量，該導電組分的寬度大約10-11μm。剪取4mm長度的導電纖維，測量導電組分的電阻與多余物基本相同。由此，該導電多余物可判定為現(xiàn)場使用的防靜電工作服中導電纖維的導電組分。問題定位分析至此，已經(jīng)找到了導電多余物是什么，進一步的分析，就是要解釋為什么導電纖維的導電組分會脫落。

三、導電組分脫落原因分析

要分析導電纖維的導電組分為什么會脫落，就需要了解什么是導電纖維。導電纖維一般指電阻小于109Ω·cm的纖維，細分的話又可分為導電纖維（電阻小于105Ω·cm）和防靜電纖維（電阻小于109Ω·cm），國內(nèi)在實際應用中一般統(tǒng)稱為導電纖維。用于制作防靜電工作服的導電纖維主要有二種，一種是表面滲碳型，一種是復合紡絲型。表面滲碳型導電纖維是在普通尼龍纖維表面涂布碳粉（如圖2），其特點是電阻較低，纖維比較粗，加工方便，表面的碳粉與基體尼龍的結(jié)合力差，碳粉容易受外力的沖擊而脫落。

但是其脫落的碳粉是顆粒狀的，脫落可能會隨機發(fā)生。本案例中的導電多余物顯然不是表面滲碳型導電纖維的導電組分。復合紡絲型導電纖維是利用復合紡絲技術(shù)，將導電粉末（如碳黑、金屬氧化物等）與聚酯或錦綸混合后形成導電母粒（即導電纖維中的導電組分），然后將導電母粒與基礎(chǔ)聚合物（聚酯或錦綸）熱熔后通過復合紡絲設備形成纖維。復合紡絲型導電纖維徹底改變了表面滲碳型導電纖維碳粉容易脫落的缺點，同時又保留了纖維本身的所有特征，而且可以根據(jù)織物設計及染色、后整理的不同要求，選擇不同基材和不同結(jié)構(gòu)的導電纖維。

復合紡絲型導電纖維的基礎(chǔ)聚合物大多為聚酯或錦綸，導電母粒中的聚合物材質(zhì)包括聚酯、錦綸、晴綸、丙綸、聚乙烯等多種類型。由于使用的導電粉末不同，復合紡絲型有機導電纖維又有黑、灰色（導電粉末為碳黑）和淺色（導電粉末為金屬氧化物）兩種。按導電組分在導電纖維結(jié)構(gòu)中的位置不同，又可分為表面導電型（圖3）、部分外露型（圖4）以及并列型（圖5）。

其中，表面導電型由于導電組分全部集中在纖維外表面，因此導電性能最佳，但生產(chǎn)難度也最大，生產(chǎn)成本高。近年來，隨著導電母粒生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升，超導炭黑及碳納米管越來越多的被用于生產(chǎn)導電母粒，使得導電母粒的電阻可以達到幾十至幾百歐姆的水平，由此制成的復合紡絲型導電纖維的表面電阻可以達到106-107Ω，完全滿足微電子工業(yè)防靜電工作服的性能要求。目前市場上絕大部分的防靜電工作服使用的是復合紡絲型導電纖維。

復合紡絲型導電纖維在實際使用中有三種情況會造成導電纖維中的導電組分脫落。

其一是過度減量。含導電纖維的滌綸織物在染色時需要對織物表面做粗化處理（減量），大部分工廠會使用燒堿。如果燒堿濃度過高、溫度過高或減量時間太長，會造成過度減量，嚴重時會造成導電纖維結(jié)構(gòu)部分剝離。如果導電纖維的基礎(chǔ)聚合物是聚酯，導電母粒中的聚合物是錦綸、聚乙烯或丙綸。燒堿會溶解聚酯，對于部分外露型導電纖維，過度減量會使本就很?。ù蠹s十幾微米）的導電部分成為孤島，與基礎(chǔ)聚合物（聚酯）的連接減弱，在外力作用下有可能部分剝離及脫落。

其二是使用低熔點聚合物。由于在導電母粒中需要加入15-25%左右的導電粉末，會使得導電母粒的熔體粘度增加，影響可紡性。為此，目前市場上有使用聚乙烯或聚丙烯作為導電母粒的聚合物。低熔點聚合物在滌綸的紡絲溫度下流動性極佳，可大大降低導電纖維的生產(chǎn)難度，提高生產(chǎn)效率。但是，低熔點聚合物在織物染色、定型（溫度可達190℃）時，會出現(xiàn)熱熔再凝固的現(xiàn)象，這同樣造成了纖維中導電組分與基礎(chǔ)聚合物的結(jié)構(gòu)分離（通常是部分分離），在外力的作用下部分導電組分有可能會脫落。圖6是導電母粒使用聚丙烯的導電纖維經(jīng)染色及定型后，導電組分脫落的顯微照片。

其三是牽伸裂紋。復合紡絲型導電纖維的生產(chǎn)工藝中有一個牽伸的過程，即導電纖維從噴絲板出來后要經(jīng)過拉伸以達到規(guī)定的細度（一般為20旦尼爾）。在拉伸過程中，導電纖維已經(jīng)從熱熔的流動態(tài)變成了凝固態(tài)，由于還具有較高的溫度，因此可以被拉伸。一般拉伸比為7-9倍。在拉伸的過程中，導電組分由于含有比較高的粉狀導電物，因此其連續(xù)性遭到了部分損傷，會產(chǎn)生細微的裂紋（見圖7）。

如果遇到上述二種情況，或者服裝磨損過度，導電纖維中的導電組分就會部分脫落。因此，在本案例中發(fā)現(xiàn)的導電多余物的情況，雖然是偶發(fā)，但是應該并不是特例，只是沒有被發(fā)現(xiàn)。

由此，本案例中的導電多余物的問題定位分析基本完成，該結(jié)論也通過了由多部門專家組成的評審組的認可。

四、事故教訓與防范措施

導電多余物對航天產(chǎn)品和微電子產(chǎn)品都會造成損傷，需要嚴格管控。由于現(xiàn)在市場上導電纖維生產(chǎn)廠家及品種眾多，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。雖然導電纖維中導電組分脫落的現(xiàn)象具有一定的普遍性，但是并非不可控。采取加強管理及相應的技術(shù)措施可盡可能避免發(fā)生類似的問題。

那么應該如何做呢？

1、嚴格采購標準，加強產(chǎn)品檢測。

防靜電工作服的采購方在服裝采購時除了對標相應的服裝標準外，還應該對導電纖維提出要求，杜絕使用含低熔點聚合物的導電纖維，推薦使用表面導電型導電纖維。同時要求面料在染色時不能過度減量。在驗收防靜電服時，對標GB/T 24249-2009《防靜電潔凈織物》以及FZ/T 80014-2012《潔凈室服裝 通用技術(shù)規(guī)范》的要求，測試服裝的發(fā)塵量，也可以采用膠帶粘貼的方法測試面料上是否有黑色物脫落。

2、避免防靜電工作服的過度使用。

防靜電服在穿著和洗滌時會對導電纖維造成一定的磨損，工作環(huán)境中可能使用到的酸堿及有機溶劑也會造成服裝的局部損傷。這些損傷都有可能引發(fā)服裝中導電纖維的導電組分脫落。因此，需要使用方對服裝的使用、清洗情況進行跟蹤記錄，定期檢查服裝的污染及破損情況，避免服裝過度使用。

3、采用無導電纖維的防靜電工作服。

為了完全避免可能隨機發(fā)生的導電組分脫落現(xiàn)象，建議在一些關(guān)鍵崗位，使用由閃蒸法紡粘工藝制成防靜電無紡布來制作防靜電工作服。這種服裝不含導電纖維，發(fā)塵量極低，經(jīng)過表面防靜電涂布（涂布液不含導電顆粒）后具有一定的透氣透濕性，同時也能滿足防靜電性能要求。