光學組件反射鏡開裂原因分析

(1. 中國空空導彈研究院， 洛陽 471000； 2. 洛陽船舶材料研究所， 洛陽 471000)

光學組件是紅外導引頭的重要組成部分，拋物柱面反射鏡(簡稱反射鏡)則是光學組件的重要組成部分[1]。DG-4光學結構膠(簡稱DG-4)因具有優良的光學性能、黏接性能和耐老化性能，得到了廣泛的應用[2]。光學組件中的探測器為環氧樹脂膠封裝成型，通過DG-4黏接在反射鏡的光學玻璃上。編號為1701批次的光學組件裝配完成后，經高低溫(-50～70 ℃)沖擊試驗10次后多臺反射鏡出現裂紋。經統計，該批光學組件4個子批的故障率分別為21.1%，17.8%，23.4%，18.5%，平均故障率為20.2%。筆者通過一系列理化檢驗對反射鏡的開裂原因進行了分析，找出了反射鏡開裂的原因并提出了相應的改進措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

使用LEICA S6D型體視顯微鏡對拆解下來的開裂反射鏡進行觀察，如圖1所示?？梢姺瓷溏R外表面無損傷，裂紋主要分布于反射鏡與探測器的黏接部位。

圖1 開裂反射鏡宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked reflector

1.2 剪切強度試驗

DG-4為雙組分環氧膠，A組分為環氧樹脂，B組分為胺類固化劑。A，B的質量比為1～2∶1，固化條件為室溫放置48 h或60 ℃保溫4 h。

將DG-4按照A，B組分質量比為1∶1，1.5∶1，2∶1的配比制成兩組剪切強度試樣，在60 ℃保溫4 h進行固化。按照GB/T 7124-2008《膠粘劑 拉伸剪切強度的測定(剛性材料對剛性材料)》，使用INSTRON 5581型電子拉力試驗機對試樣進行剪切強度試驗，結果分別為32.4，35.1，24.0 MPa。

1.3 硬度測試

將DG-4按照A，B組分質量比為1∶1，1.5∶1，2∶1的配比制成兩組硬度測試試樣，一組室溫放置48 h進行固化，另一組60 ℃保溫4 h進行固化。按照GB/T 2411-2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》，使用TIME TH210型邵氏硬度計對試樣進行硬度測試，結果分別為73，78，73 HD。

對故障批次1701批、無故障批次1601批及1602批黏接反射鏡留存的DG-4膠樣進行邵氏硬度試驗，結果分別為77，74，73HD。

按照GB/T 7962.18-2010《無色光學玻璃測試方法 第18部分：克氏硬度》，使用SHMADZU HMV-G型顯微硬度計，對1701批，1601批以及1602批產品的反射鏡進行硬度測試。載荷為1.96 N，測得3批反射鏡的硬度分別為560，534，545 HK。

1.4 線膨脹系數試驗

將DG-4按照A，B組分質量比為1.5∶1的配比制成規格為φ8 mm×10 mm的試樣，使用TA TMA Q400型線膨脹測試儀進行線膨脹系數測試，結果如圖2所示?？梢娫?0～50 ℃時，DG-4的線膨脹系數約為80 μm·(m·℃)-1。

圖2 DG-4的熱膨脹曲線Fig.2 Thermal expansion curve of DG-4

2 分析與討論

該批次光學組件中反射鏡開裂的原因可分為內在因素和外在因素，內在因素為反射鏡的自身缺陷，外在因素可分為外部應力和內部應力。對3個批次光學組件中反射鏡的尺寸、折射率、色散系數進行測試，由表1可見故障批次1701批與無故障批次1601批及1602批的測試結果無明顯差異，說明反射鏡質量穩定，排除反射鏡自身缺陷導致反射鏡開裂的可能性。

表1 反射鏡光學性能測試結果Tab.1 Optical properties test results of reflector

DG-4在固化過程中因體積以及黏彈性變化會產生固化應力[3-4],其固化過程中的固化應力不斷增大，完全固化后，應力達到最大值，會對被黏物體產生影響。在光學組件膠接時，收縮性膠黏劑如DG-4的固化應力形成作用在反射鏡上的拉應力，此為其中一種內部應力。在經歷高溫(或低溫)時，由于膠與反射鏡的膨脹系數不同，溫度變化過程中，膠與被黏物體間存在一定熱應力，溫度變化越快，熱應力越大。熱應力為作用在反射鏡上的另一種內部應力。

采用體視顯微鏡觀察到反射鏡外表面無任何損傷，裂紋出現在反射鏡通過DG-4與探測器黏接的表面。任何外部應力作用在反射鏡上，造成反射鏡內表面產生裂紋，必然會在受力點產生損傷。而該反射鏡外表面無任何損傷，說明反射鏡的開裂不是外部應力引起的。

剪切強度試驗與硬度測試結果表明，DG-4的A,B組分質量配比不同時，DG-4的剪切強度與硬度都不相同。A，B組分質量比為1.5∶1時的剪切強度與硬度最大。1701批反射鏡黏接留存膠樣的硬度比1601，1602批的略大。由此可知，1701批反射鏡黏接所用DG-4中A，B組分的實際質量比約為1.5∶1。此時，DG-4的剪切強度與硬度較大，對反射鏡產生的殘余固化拉應力也較大。

環氧樹脂與探測器上其他組件材料的線膨脹系數不同，易導致組件內部產生熱應力從而影響探測器的使用壽命[5]。DG-4在20～50 ℃時的線膨脹系數約為80 μm·(m·℃)-1，即8×10-5℃-1。反射鏡的材料為ZK-10光學玻璃,其線膨脹因數為10-6℃-1[6]，遠小于DG-4的線膨脹因數。DG-4固化后與反射鏡直接接觸，由于線膨脹因數不同，在高低溫沖擊試驗過程中DG-4會對反射鏡產生較大的熱應力[7-8]。與反射鏡黏接的探測器為環氧樹脂封裝組件，同類材料的線膨脹因數相近，故在溫度沖擊試驗過程中DG-4對探測器的熱應力較小。當光學組件由70 ℃轉至-50 ℃時，急速降溫導致DG-4對反射鏡產生較大熱應力，其與固化應力共同作用，將反射鏡拉傷，產生裂紋，裂紋在循環熱應力作用下不斷擴展[9]。

3 結論及建議

反射鏡與探測器通過DG-4黏接，DG-4配比不當導致反射鏡受到較大的固化應力；并且DG-4與反射鏡的線膨脹因數相差較大，高低溫沖擊試驗時，急速升降溫使得DG-4對反射鏡產生較大的熱應力，固化應力和熱應力的共同作用導致反射鏡開裂。

建議將DG-4中A，B組分的質量比調整為2∶1，并增加3次低速率升降溫操作使熱應力得到釋放，避免故障的再次發生。