伺服特種傳感器基體材料應用

熊 偉， 劉小勇， 馬亞軍， 李夢雪， 徐佳佳

(1.北京精密機電控制設備研究所，北京 100076； 2.火箭軍駐長控公司軍事代表室，北京 100076)

0 引 言

承擔火箭伺服位移測量、反饋任務的特種傳感器，設計為電位計或線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer,LVDT)式傳感器形式[1]。我國固體運載火箭發展之初，基礎工業生產水平較低，伺服特種傳感器基體材料選用的是耐溫等級較低的環氧酚醛類層壓板；進入20世紀80年代，隨著尖端科學和宇航技術的發展：高分子高性能結構的聚酰亞胺類復合材料由于其具有卓越的耐熱性、耐腐蝕性及高溫下良好的電氣物理性能[2]，而在航空航天領域廣泛應用，固體運載火箭伺服特種傳感器基體材料也開始大量選用聚酰亞胺材料。

1 伺服特種傳感器基體材料的應用現狀和物理組成

1.1 典型基體材料應用現狀

按組成成分分為環氧(環氧酚醛)類基體材料和聚酰亞胺類基體材料[3]，其中環氧酚醛類基體材料主要有環氧酚醛層壓玻璃布板3230、印制電路用覆銅箔環氧玻璃布層壓板CEPGC—32F；聚酰亞胺類基體材料主要有聚酰亞胺類層壓板YB—10，覆銅箔層壓板YB—20、可溶性聚酰亞胺模模壓塑料YS21、熱固性聚酰亞胺D7642和熱塑性聚酰亞胺NGDJ。

按外形結構分為板式結構、圓環式結構和圓柱式結構。板式結構基體，多采用覆銅箔或不覆銅的層壓板加工成型，在生產傳感器時需在其表面印制電阻膜，因此要求基體材料表面不允許有氣泡、雜質和其他明顯缺陷，邊緣應切割整齊，斷面不允許有分層和裂紋，高溫下變形量小。

圓環式結構基體材料多采用棒材或板材機加成型，生產傳感器時需在其環狀表面噴涂電阻膜，因此，要求基體材料應具有良好的可機加性，表面不允許有氣泡、雜質、裂紋和其他明顯缺陷，能夠達到較高的表面粗糙度，高溫下形變量小。

圓柱式結構基體材料多采用棒材機加成空心薄壁孔，在生產傳感器時需在其圓柱面上繞制漆包線，因此，基體材料應具有良好的可機加性，其表面不允許有氣泡、雜質和其他明顯缺陷，高溫下形變量小。

1.2 典型基體材料的物理組成及特性

環氧酚醛層壓玻璃布板3240是用無堿玻璃布浸以環氧酚醛樹脂經熱壓而成的板狀層壓制品，其主體樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂 。印制電路用覆銅箔環氧玻璃布層壓板FR—4是在溴化環氧樹脂為粘合劑，無堿編織玻璃布為增強材料的電工絕緣玻璃布層壓板的雙面或單面覆銅箔而制成的，其主體樹脂為溴化雙酚A型環氧樹脂、一般采用雙氰胺作為固化劑。由兩者的環氧樹脂分子結構[4]可知：FR—4，3240中都含有大量的苯環、C—O鍵。

聚酰亞胺類層壓板YB—10和覆銅箔層壓板YB—20是以芳香二酐、二胺為主原料，經聚合、浸漬、亞胺化、壓制等工藝而制成。熱固性聚酰亞胺D7642，采用熱固性PI(鏈烯基改性增韌的雙馬來酰亞胺)作為基體樹脂的玻璃纖維布增強的覆銅板[5]。YB—10，YB—20，D7642是以聚酰亞胺樹脂為基體，由其特征分子結構知三者中含有大量的羰基(碳氧雙鍵)、含氮五元雜環。

通過對上述幾種典型產品進行紅外光譜分析，可以比較出產品組成成份中共性與個性成份。

1)環氧酚醛層壓玻璃布板3240，樣品編號為03—72,02—62，印制電路用覆銅箔環氧玻璃布層壓板FR—4樣品編號為03—16，02—42的紅外光譜[6]如圖1所示。

圖1 2種不同年份的基材紅外光譜

樣品中編號為03—72，03—16的樣品為03年生產基材，編號02—62，02—42的樣品為02年生產基材，從圖1來看，03—72和02—62 紅外圖譜基本吻合；而03—16和02—42 紅外圖譜在1 750 cm-1處有明顯差異，同時熱分解溫度差別較大，可能在固化劑方面有所差別。

通過以上紅外光譜分析[7]結論，同種材料因生產年份不同，其性能也有所不同，使用時應綜合考慮其對傳感器產品的性能影響。

2)3種典型聚酰亞胺層壓制品的紅外光譜如圖2所示。

圖2 3種聚酰亞胺層壓板基材紅外光譜

從紅外圖上看，YB—10，YB—20及D7642在1 780 cm-1和1 722 cm-1處有聚酰亞胺2個羰基的特征吸收峰[8]，另外，在1 380 cm-1左右有酰亞胺環(C-N伸縮振動)的特征吸收峰，因此，可以判斷YB—10，YB—20與D7642相同，均為聚酰亞胺材料[9]。同時，也關注到3種譜圖之間的差異，表明3種材料在結構上仍存在不同之處。

2 工程應用中的共性問題及解決措施

隨著伺服特種傳感器產品研制進程的加快，其種類、結構形式不斷豐富，一方面面臨著應滿足使用環境要求，另一方面面臨綜合考慮其基體材料的機械加工性、電氣連接可靠性、耐溫性、耐油性、耐潮濕性等諸多問題，基體材料選用的優劣直接影響產品的性能指標，產品合格率及產品的可靠性。

2.1 機械加工性

伺服系統用特種傳感器板式基材機械加工相對簡單，常見問題為基體分層、工作面布紋顯露。解決辦法通常在訂貨要求中增加不可有布紋顯露、不可有纖維暴露。纖維上的樹脂覆蓋層不能小于6 μm。

伺服系統用特種傳感器圓環式基材因其外形復雜，主要要求其具有良好的機械加工性，典型材料的產品性能為：實密度為(1 350±50)kg/m3；成型收縮率(25～340 ℃)為0.3 %；吸水率為0.5 %；長期使用溫度范圍為-200～245 ℃；拉伸強度大于等于85 MPa；彎曲強度大于等于150 MPa；壓縮強度大于等于120 MPa；沖擊強度大于等于20 kJ/m2；介電常數小于等于3.4；表面電阻系數大于等于1 014 Ω。

工程實踐中常見問題是因機加中進給速度及切削量控制不好，造成開裂等現象。解決辦法：通常注明基材的老化溫度，在工藝中明確其進給速度及切削量。工序間穿插進行去除加工應力的老化處理，及時去除因機械加工帶來的產品加工應力[10]，防止材料出現開裂現象。

伺服系統用特種傳感器圓柱式基材機械加工因其薄壁細長孔及內、外孔同軸度要求高的特點，基體材料選用充分考慮各種力學性能參數。主要問題是，工作面表面質量差，內外孔同軸度差。解決辦法是，通過采用專業的加工工裝和合適的工藝方法，保證其表面質量和加工精度。

2.2 電氣連接可靠性

伺服系統用特種傳感器中一類是利用基材的銅箔經腐蝕后作為信號引出，其銅箔的抗剝強度將直接影響傳感器的電氣連接性。

工程實踐中，最常見的問題是覆銅箔層壓板表面銅箔在腐蝕后部分起翹，脫落。抗剝強度表明銅箔與復合基材的結合強度，如果抗剝強度太低，銅箔蝕刻成線路后，線路容易脫落。對于1.0 mm以上厚度的基材，所附銅箔厚度為35 μm，經過288 ℃，10s熱處理后，其抗剝強度一般應高于0.8 N/mm，而對某種表面銅箔失效起翹材料進行測試，其抗剝強度只有0.4 N/mm。

如表1所示，覆銅箔層壓板FR—4和熱固性聚酰亞胺D7642覆銅箔剝離強度明顯高于YB—20覆銅箔聚酰亞胺層壓板。YB—20的銅箔抗剝強度很低，銅箔與樹脂的界面結合很差。考慮到電氣連接可靠性，應優先選用覆銅箔層壓板FR—4(使用環境溫度較低時選用)和熱固性聚酰亞胺D7642(使用環境溫度較低時選用)。

表1 幾種典型覆銅箔材料性能參數對比

2.3 耐溫性

伺服系統用特種傳感器基材選用時應充分考慮其工作環境中溫度等級要求，應具有寬溫域工作特點，幾種典型材料的高溫性能指標如表2所示。

表2 幾種典型材料溫度性能對比

玻璃化轉變溫度，是樹脂從玻璃態到高彈態的轉變溫度。玻璃化轉變溫度以上，樹脂表現出橡膠的特性，復合材料的剛性會明顯降低，容易受外力影響而變形。從以上測試結果判斷，FR—4，3240 2種材料在120 ℃以上高溫環境中力學性能會大幅下降；而YB—10，YB—20，D7642理論上能在200 ℃下保持良好的力學性能。熱分解溫度是表征材料耐熱性的一個指標。熱分解溫度越高，材料的耐熱性越好。YB—10，YB—20，D7642的耐熱性明顯高于FR—4，3240。

2.4 耐油性

耐油性與材料的極性、結晶度、交聯度及空間位阻有很大關系。極性大、結晶度或交聯密度高、空間位阻大，則材料的耐油性越好。雙馬來酰亞胺樹脂與環氧樹脂相比，分子結構中含有極性較高的羰基、含氮五元雜環，另外固化產物的交聯度更高、空間位阻更大，因此，其耐油性更好。幾種典型材料的耐油性表現排序如下：D7642優于YB—10(YB—20)優于3240優于FR—4。

2.5 耐潮濕性

就復合材料而言，樹脂對增強材料的浸潤性不佳，界面結合差，會導致氧、潮氣等沿空洞侵入基材界面，長期作用后會嚴重影響復合材料的機械及電氣性能[11]。

對3種典型材料進行400倍顯微斷面分析，如圖3所示，可以看出，YB—10和YB—20材料樹脂與玻璃紗間界面浸潤差造成基材內部空洞很多，而D7642材料樹脂與玻璃紗間界面浸潤很好基材內部空洞較少，耐潮濕性能較好。單純考慮材料的耐潮濕性，應優先選用熱固性聚酰亞胺D7642。

圖3 3種典型材料的400倍顯微斷面分析

3 結 論

綜合考慮各種環境條件對固體運載火箭伺服特種位移傳感器的基材選用是至關重要的，就材料本身而言，耐候性主要與分子結構中的不飽和鍵(主要是碳碳雙鍵)、不穩定環/鍵、主鏈雜原子有關，同時也與結晶度或交聯密度等有關。雙馬來酰亞胺具有特征五元酰亞胺環結構，鍵能高、結構穩定，苯環密度相對較低，因此，對光、氧、熱、潮氣等的抵抗能力強；而3240，FR—4中所用的環氧或酚醛樹脂樹脂含較多C—O鍵、苯環結構，對光、氧、熱、潮氣的抵抗能力相對較差。

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