高沖擊下電子線路灌封材料的緩沖機理及措施

安長俊++周家婕

摘 要電子線路灌封材料的選取首先是非常重要的，電子線路的灌封是一道非常重要的工藝，為了提高電子線路在高沖擊下，有較強的震動下，能夠可靠的工作，這就需要選擇一種電子線路灌封材料，這種材料必須具有較好的緩沖吸能效果，同時也必須具有一定的灌封工藝才能夠滿足材料的使用性能。電子線路灌封材料的緩沖，主要依靠的是能量的吸收與應力波的傳播，只有在這兩個方面進行研究，才能夠更好地研究電子線路灌封材料，為以后我國的發展作出一定的貢獻。此次論文針對電子線路灌封材料在高沖擊下的緩沖機理進行了一定的研究分析，得出了一些材料的緩沖原理，以及為了后期更好的發揮作用，所應用到的一些緩沖措施進行了描述。

【關鍵詞】高沖擊 電子線路灌封材料 緩沖機理

現在國際競爭日趨激烈，國際武器裝備朝著更加先進的方向發展，為了提高武器的先進性，現在大多數武器都追求較高的速度與大功率。在武器有較高的速度與功率的同時，也帶來了一些問題，例如速度較高時具有較高的沖擊性與振動性，武器在使用的過程中存在沖擊與振動，將會使得電子器件受損嚴重，電子器件的受損嚴重就會進一步影響到武器的精度和使用效率，為了減少在高速度與大功率的條件下對武器的精度和使用效率所造成的影響，就必須選用緩沖吸能效果比較好的電子灌封材料，從而減少這種不利的影響。

1 電子線路灌封材料的緩沖機理

電子線路灌封材料在進行緩沖的過程中，就是能量吸收的過程，利用能量稀松來減弱或隔離武器發射或撞擊目標時，電子線路所受到的，沖擊，就比如灌封材料具有較強的粘彈性，例如硅橡膠，在硅橡膠受到外界應力的沖擊下，會發生分子鏈的變形，而分子鏈之間也會產生一定的位移，在外界的沖擊力消失之后，受到變形的分子，還要恢復原形。根據能量守恒原理，此時就必須交所受的外力釋放出來，但是材料的變形不能完全地還原為起初的樣子，這時候就能夠一定的沖擊能量，此時的變形與所能能夠吸收的外界力成正比例關系。 如下圖所示可以進一步進行分析得出：

圖1為典型的低密度多孔緩沖材料的應力應變曲線，它包括3個階段：彈性變形A→B；屈服平臺B→C；材料壓實區C→D。表明材料在進入C-D區之前經過了B-C區，即材料在壓實之前經過了一個屈服平臺，說明材料具有吸能緩沖作用。而且鑒于這個平臺的比值較低，所以材料在被壓實之前不可能傳遞高于平臺的力 。

灌封材料在另一方面還能有效的將物體所受撞擊力時的應力波進行衰減，在物體受到外力沖擊的情況下，材料的彈性變形會將一部分作用力進行有效的隔離與衰減。此外電子線路灌封材料的粘彈性，也會使應力波在傳播的過程中逐漸的衰減，直至消失。有實驗曾經表明，常用灌封材料的波阻抗低，僅有鋼材的0.001-0.0001倍，在沖擊波，從彈性載體投射到灌封材料中時，應力幅值減少，約0.001-0.0001倍。圖2為某種密度聚氨酯泡沫塑料在SHPB實驗中經歷了應變率為102～103/s的沖擊時，輸入桿輸出與桿上典型的應力波形，從圖中可以看出，透射波形的長度遠遠超過入射脈沖的長度，透射波的強度福祉叫入射波的小許多，因此泡沫材料在受到外界的沖擊下，由于泡沫材料的緩沖效果使得應力波在穿過其后產生了較大的衰減。

2 電子線路灌封材料的選擇

在對電子線路灌封材料進行選擇的時候，要根據電子產品所處的環境以及電子產品將來所使用到的性能進行選擇，一定要將各種電子不同材料的性能，發揮到極點，從而滿足產品所設計的要求 。在進行灌封材料選取時，一定要選擇灌封材料必須是緩沖吸能效果好、應力波傳播衰減速度快、幅值大的材料，對于灌封材料選取，可以從下面幾個方面進行選擇。

2.1 電子灌封材料的選擇

首先要對不同種類的材料緩沖吸效果有正確的判斷，要對材料進行各種實驗分析，在進行實驗完成后要選擇材料的吸能率較高的，因為材料的吸能率高，表示材料所緩沖吸能的效果好。有時要根據實驗所得出的結果作出能量吸收圖，來幫助設計者進行直觀的觀察，從而做出正確的選擇。能量吸收圖，能夠直觀地表示出電子線路緩沖材料，在不同密度與應變率的條件下它的性能狀態 。可以用吸能曲線和能量吸收圖，表示低密度多孔材料的吸收特性，這兩種特性由實驗測得。首先測出材料應力應變曲線，曲線上屈服平臺趨勢下所圍成的面積即為材料受力過程中所吸收的能量，用E表示材料的吸能率，I表示理想吸能率，其數學表達式為：

（1）

（2）

從此公式中，我們能夠明顯的看出E、I值越大材料的吸能特性越好。所謂的吸能曲線，是指吸能效率圖和吸能理想圖，當需要綜合了緩沖材料在不同密度，應變率條件下的最佳吸能狀態點時，應借助于能量吸收圖。能量吸收圖，表示了某一密度范圍內單位體積泡沫塑料吸收的能量與峰值應力的關系，如果選擇了臨界損傷應力，能量吸收圖給出不超過應力峰值而吸收最大能量的泡沫材料的密度。圖3是給出的聚氨酯泡沫塑料的能量吸收圖，Ey為基體材料的楊氏模量。

2.2 應力波在粘彈性材料中傳播系數和衰減指數的確定

泡沫材料在應力波加載條件下的緩沖效果，由傳播系數和衰減指數表示。以一個端部受到的軸向撞擊的一維線性粘彈性桿為例，粘彈性桿在軸向應力的作用下，產生軸向應變和橫向應變，應力應變關系為 ：

（3）

式中：

Y（t）為材料的松弛模量，

V是泊松比，

r2g是截面對x軸的回轉半徑的平方；

其中桿的運動方程為：

（4）

幾何方程為：

（5）

（3）～（5）式作傅氏變換可以得到控制方程為：

（6）

式中：

（7）

ω為角頻率；

E*w為材料的復數楊氏模量。

控制方程的解為：

（8）

（9）

其中，，為某一橫截面處沿X軸正向和負向傳播的波，引起的軸向應變的傅里葉變化，可由實驗測得，在該點貼應變片，測出由于撞擊產生的互不重疊的入射波和自由端的反射波，進行傅氏變換得出。

γ（ω）是一個重要參數，反映了材料本身引起的應力波的衰減和彌散，我們將其稱為傳播系數，在傳播系數進行確定時，使用兩種方法，第一種方法是我們知道桿材料的復數模量E*w，以及桿材料的密度，波松比，截面半徑等，然后借助公示（7）計算求出，第二種方法是由實驗進行測量測得，在已知自由端處應力為零，然后我們設桿x=l，由方程（9）得出，

（10）

因此我們只要測得桿上一點處的，就可以根據不同頻率計算出γ（ω），進而可以確定桿材料的衰減指數，和波數k（w）或相數c（w）。

； （11）

； （12）

； （13）

在有應力波的條件下，電子線路的灌封材料的緩沖性能效果，是由傳播系數與衰減指數所決定的，引力波所受到的應力應變關系有一定的方程能夠正確的描述出他們的關系。電子線路灌封技術的電子器件，與所選擇的材料的熱膨脹系數如果不一致的話，就會在它們之間形成一定的內應力，此時在灌封電路降溫的同時，電子器件便會受到壓應力，就會導致電子線路發生一定的裂縫 。

2.3 填料加入量的控制

是一種典型的環氧樹脂固化物的內應力隨玻璃化轉變溫度Tg的變化示意圖。通常要求有較高的Tg以確保灌封體有良好的可靠性，特別是當灌封電路體在高溫條件下工作或可能發生熱循環的情況。試驗表明，每種混合料都有一個適當的填料濃度，在此濃度下混合料的熱膨脹系數和彈性模量都具有最佳值，既達到低應力狀態，又具有較高的Tg。通過控制填料的加入量，可以改變灌封電路體的熱膨脹系數，達到調節應力的目的。

3 電子線路灌封材料的緩沖措施

在武器彈丸發生作用的時候，如果引線電路沒有正確的緩沖措施，這個時候一旦彈丸開始發生作用就會發生劇烈的振動，設備中的元器件在受到這個劇烈的振動后，因為受力的情況，這就會導致設備中的元器件受到很大程度的損壞，眾所周知元器件在武器中的作用是不可忽視的，它關乎著整個武器能否正確的發揮作用的全部過程，一旦設備中的元器件受到一定程度的損壞，甚至是微弱的損壞這將會進一步影響到程序輸出過程中的錯誤，所以為了防止元器件受到損失導致程序輸出錯誤的發生。所以為了保護設備中的元器件不受到外界力的沖擊時所損壞某些器件，影響設備的準確率，這就必須通過以下途徑來進行電子線路緩沖。

（1）電子元器件一定要選用具有抗高過載能力的，抗高過載能力的電子元器件在受到外界沖擊時，能夠有較強的自我抵抗能力，防止電子元器件因為受到外部的，撞擊，導致自身的某些線路斷開，甚至是焊點脫落，抗高過載能力能夠保護電子元器件，保證電子元器件在高沖擊下具有一定的使用壽命。

（2）電子元器件在電路板上要有一定合理的布局，使得他們在電路板上的質量分布均勻。元器件的質量中心，盡量為電路板的中心位置，防止在運動過程中，會因為離心力而受到損害。電子元器件一旦受到離心力的作用，將會受到巨大的損害，電子元器件的質量中心如果偏離電路板的中心位置，這在離心力的作用下會嚴重的導致其某些器件，在旋轉運行過程中受到質量偏移問題，導致因為離心力的作用將某些元器件而甩落。

（3）有一些質量較大的電子元器件，他們在電路板上印刷時，要采用固定的結構，必須要將引線進行捆扎，并根據一定的距離進行捆綁固定，這是因為這些較重的元器件與離心力作用發生時會導致其脫落，由前面可知，離心力將會導致電子元器件的線路斷裂或者是元器件的斷腳、脫焊等都有可能發生，所以為了防止電子元器件在離心力的作用下發生這種問題，一定要將電路板在進行印刷時將其固定，用導線或者線束及電纜進行捆扎，這樣就能夠有效地保障電子元器件受到離心力作用，發生斷線或者是脫焊的問題存在。

（4）電子線路灌封材料還必須具有一定的工藝性，工藝性較好的灌封材料才能夠根據罐封裝形式，走線等來保證灌封的質量，避免產生固化應力。電子線路灌封材料中電子模塊元器件，在封裝時它的形式各不相同，而且電子模塊元器件的大小也不同，因此它的封裝形式是不同的。而且有一部分是相互重疊的，這部分重疊的地方，他們的線路走向是十分密集的，為了保證電子線路灌封的質量，這就要求灌封材料在，常溫下具有較好的流動性，較強的固化收縮率，借此來避免產生固化應力，減小進電子模塊元器件的損傷。

（5）引信承受的過載超過50000g重力加速度時，比如在彈丸侵徹混凝土或鋼板時，電路圖需要用兩級緩沖，其中第一級采用灌封材料，將電路模塊固化與鋁制殼體內，該殼體固定在由V型或W型鋼性緩沖彈簧組成的二級緩沖體上，當過載超過某一極限時，剛性彈簧產生較大的塑性變形，達到減小過載峰值的作用。

4 結論

高沖擊下電子線路灌封材料是比較關鍵的制作材料。本文通過以上對電子線路灌封材料的緩沖機理進行了分析研究，得出了電子線路灌封材料，是由于灌封材料具有一定的能量吸收能力，其次還具有能力衰減與彌散的能力。后面又根據灌封材料的性能進行了灌封材料的選取，根據電器元件的不同，使用性能與工作環境進行材料的選擇。文章的最后又對電子元器件的緩沖措施進行了一定的論述，為了保護電子線路在高沖擊下受到破壞，需要選用具有較高的抗過載能力，，還要求電子元件有合理的質量分布，還要講究電子元器件灌封材料的工藝性，對于質量較大的電子元件進行元件的捆綁等措施。因此電子元件進行得出了要想將武器的速度與功率進行提高，就必要要將武器中的電子元器件采取一定的保護措施，與選擇措施。從而保證電子元器件在使用的過程中不會存在問題導致失敗。

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作者簡介

安長俊（1983-），男，江蘇省揚州市人。碩士學位。講師。現為江海職業技術學院信息工程系教師，主要從事電氣與電子技術研究。

周家婕（1983-），女，江蘇省江都區人。碩士學位。實驗師。現為江海職業技術學院信息工程系實驗教師，主要從事電工與電子技術教學與研究。

作者單位

江海職業技術學院 江蘇省揚州市 225000