航天產(chǎn)品導(dǎo)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(dǎo)電多余物。在問題歸零分析中，導(dǎo)電多余物被確認為防靜電服裝中導(dǎo)電纖維導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電纖維的導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)的預(yù)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電纖維是二點外露的截面形狀，即在導(dǎo)電纖維的二個對稱外表面有導(dǎo)電組分（如圖1）。用電鏡測量，該導(dǎo)電組分的寬度大約10-11μm。剪取4mm長度的導(dǎo)電纖維，測量導(dǎo)電組分的電阻與多余物基本相同。由此，該導(dǎo)電多余物可判定為現(xiàn)場使用的防靜電工作服中導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電組分。問題定位分析至此，已經(jīng)找到了導(dǎo)電多余物是什么，進一步的分析，就是要解釋為什么導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電組分會脫落。

三、導(dǎo)電組分脫落原因分析

要分析導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電組分為什么會脫落，就需要了解什么是導(dǎo)電纖維。導(dǎo)電纖維一般指電阻小于109Ω·cm的纖維，細分的話又可分為導(dǎo)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(yīng)用中一般統(tǒng)稱為導(dǎo)電纖維。用于制作防靜電工作服的導(dǎo)電纖維主要有二種，一種是表面滲碳型，一種是復(fù)合紡絲型。表面滲碳型導(dǎo)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(dǎo)電多余物顯然不是表面滲碳型導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電組分。復(fù)合紡絲型導(dǎo)電纖維是利用復(fù)合紡絲技術(shù)，將導(dǎo)電粉末（如碳黑、金屬氧化物等）與聚酯或錦綸混合后形成導(dǎo)電母粒（即導(dǎo)電纖維中的導(dǎo)電組分），然后將導(dǎo)電母粒與基礎(chǔ)聚合物（聚酯或錦綸）熱熔后通過復(fù)合紡絲設(shè)備形成纖維。復(fù)合紡絲型導(dǎo)電纖維徹底改變了表面滲碳型導(dǎo)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(shè)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(dǎo)電纖維。

復(fù)合紡絲型導(dǎo)電纖維的基礎(chǔ)聚合物大多為聚酯或錦綸，導(dǎo)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(dǎo)電粉末不同，復(fù)合紡絲型有機導(dǎo)電纖維又有黑、灰色（導(dǎo)電粉末為碳黑）和淺色（導(dǎo)電粉末為金屬氧化物）兩種。按導(dǎo)電組分在導(dǎo)電纖維結(jié)構(gòu)中的位置不同，又可分為表面導(dǎo)電型（圖3）、部分外露型（圖4）以及并列型（圖5）。

其中，表面導(dǎo)電型由于導(dǎo)電組分全部集中在纖維外表面，因此導(dǎo)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(dǎo)電母粒生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升，超導(dǎo)炭黑及碳納米管越來越多的被用于生產(chǎn)導(dǎo)電母粒，使得導(dǎo)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(fù)合紡絲型導(dǎo)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(fù)合紡絲型導(dǎo)電纖維。

復(fù)合紡絲型導(dǎo)電纖維在實際使用中有三種情況會造成導(dǎo)電纖維中的導(dǎo)電組分脫落。

其一是過度減量。含導(dǎo)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(dǎo)電纖維結(jié)構(gòu)部分剝離。如果導(dǎo)電纖維的基礎(chǔ)聚合物是聚酯，導(dǎo)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(dǎo)電纖維，過度減量會使本就很?。ù蠹s十幾微米）的導(dǎo)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(dǎo)電母粒中需要加入15-25%左右的導(dǎo)電粉末，會使得導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電組分有可能會脫落。圖6是導(dǎo)電母粒使用聚丙烯的導(dǎo)電纖維經(jīng)染色及定型后，導(dǎo)電組分脫落的顯微照片。

其三是牽伸裂紋。復(fù)合紡絲型導(dǎo)電纖維的生產(chǎn)工藝中有一個牽伸的過程，即導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電組分由于含有比較高的粉狀導(dǎo)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(dǎo)電纖維中的導(dǎo)電組分就會部分脫落。因此，在本案例中發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電多余物的情況，雖然是偶發(fā)，但是應(yīng)該并不是特例，只是沒有被發(fā)現(xiàn)。

由此，本案例中的導(dǎo)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(xùn)與防范措施

導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電纖維中導(dǎo)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(yīng)的技術(shù)措施可盡可能避免發(fā)生類似的問題。

那么應(yīng)該如何做呢？

1、嚴格采購標(biāo)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(biāo)相應(yīng)的服裝標(biāo)準外，還應(yīng)該對導(dǎo)電纖維提出要求，杜絕使用含低熔點聚合物的導(dǎo)電纖維，推薦使用表面導(dǎo)電型導(dǎo)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(biāo)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(dǎo)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(dǎo)電纖維的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。