雷達用匯流條粉末靜電涂覆絕緣技術

梁元軍， 王 偉

(南京電子技術研究所， 江蘇南京 210039)

0 引言

匯流條是一種單層或多層層壓結構的導電連接部件,具有感抗低、抗干擾、高頻濾波效果好、可靠性高、節(jié)省空間和裝配簡捷等優(yōu)點。采用匯流條式的結構可以大幅減少線纜連接的數(shù)量，解決電子系統(tǒng)高密度布局的難題[1-5]。從20 世紀60 年代開始，匯流條就作為饋電線在計算機、通信以及軍用電子設備中得到了廣泛應用。目前匯流條在電力系統(tǒng)、通信基站、軍工、交通運輸系統(tǒng)、能源等領域均得到了重要的應用。隨著匯流條應用領域的不斷拓展，各國學者也對其進行了深入研究，得到了許多有意義的結論[1]。其中的一個重要方面就是匯流條的絕緣技術研究。在電力系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、能源等領域常用硅橡膠絕緣材料，如硅膠塞、膠黏劑、套管(MPG) 、包覆帶(FJRD)、灌封和防護盒等進行絕緣防護[6-7]。在上述各領域其匯流條結構相對簡單、集成度較低和溫升較小。而隨著雷達高集成度、輕量化的發(fā)展需求，對匯流條的設計提出了更高要求，使其具有高密度、小型化、大電流和高溫升的特點，這些特點對匯流條的絕緣也提出更高要求。上述的絕緣方法已不滿足復雜結構、耐高溫和高可靠性等要求，急需研究優(yōu)化適合雷達用匯流條高可靠絕緣的方法。

1 雷達用匯流條特點和絕緣要求

雷達用新型匯流條結構(見圖1)與民用行業(yè)匯流條結構(見圖2)相比，其具有疊層層數(shù)多、結構形式復雜、絕緣可靠性要求高的特點；同時由于高集成度、輕量化、小型化的需求，使得匯流條的負載電流更高，溫升更大，要求匯流條能在150℃下長期可靠運行。這些需求對匯流條的絕緣提出了更高要求。在雷達行業(yè)一般采取環(huán)氧板間隔、高分子材料薄膜層壓、絕緣套間隔、浸涂絕緣漆和常規(guī)靜電噴涂粉末涂料等方式絕緣，表1為匯流條的常見絕緣方式。綜合各種方式的優(yōu)缺點，較適宜在雷達新型匯流條中的絕緣方式為常規(guī)靜電噴涂粉末涂料。但其涂層厚度較薄，邊角覆蓋性不佳，影響匯流條的整體耐壓強度，需對靜電涂覆技術進行優(yōu)化。

圖1 雷達用新型匯流條結構形式(疊層和單根)

圖2 民用行業(yè)匯流條結構形式

表1 匯流條常見絕緣方式

根據(jù)新型匯流條的結構和功能性要求，在實施絕緣過程中，需考慮的主要因素如下：

首先，雷達用匯流條結構復雜，其接頭和連接孔等處需進行電連接，不得涂覆絕緣層。故在絕緣層涂覆時需進行遮蔽處理，而其連接孔直徑從 2～10 mm不等，遮蔽保護工作量大。且粉末靜電涂覆需在180～200℃固化10～25 min，對遮蔽物的耐溫性提出了較高要求。故需合理設置加工工序以避免大量繁復的遮蔽保護工作。

其次，為控制匯流條的電壓降，需控制局部接觸電阻，或為保證電連接處的可焊性，均需對匯流條進行電鍍表面處理。為此，需合理安排電鍍工序，以保證絕緣涂層的外觀和附著強度或選擇耐液體介質(zhì)優(yōu)異的絕緣涂層。

其三，因匯流條需進行疊裝，對涂層的邊角覆蓋性和涂層厚度的均勻性要求較高。故需合理設置涂層厚度和施工工藝。

2 粉末靜電涂覆絕緣技術

2.1 絕緣樹脂粉末的優(yōu)選

為確定適宜匯流條使用的粉末涂料，根據(jù)耐高溫性要求，從環(huán)氧樹脂粉末涂料、環(huán)氧-聚酯粉末涂料和聚酯粉末涂料中選擇了耐溫性較好的聚酯粉末涂料。根據(jù)聚酯粉末涂料不同的固化體系，選擇了綜合性能較好的異氰尿酸三縮水甘油酯(TGIC)固化的涂料和羥烷基酰胺(HAA)固化的涂料，即聚酯-TGIC型和聚酯-HAA型。在優(yōu)選試驗中選用規(guī)格為1 mm×100 mm×100 mm的H62銅板為試驗件，按廠商推薦的工藝參數(shù)進行噴涂。然后將試驗件在150℃連續(xù)進行240 h的高溫試驗，以優(yōu)選耐高溫的絕緣樹脂粉末。

試驗結果為聚酯-TGIC型粉末涂層外觀完好，無變色現(xiàn)象；聚酯-HAA型粉末涂層在高溫試驗后有變色現(xiàn)象，說明其長期耐高溫老化性能不足。其原因是HAA中本身含有容易變色的氮元素以及其生產(chǎn)過程中殘留有含氮物質(zhì)，在高溫情況下會發(fā)生反應生成生色基團導致其變色[8]。聚酯-TGIC型粉末涂層經(jīng)高溫試驗后滿足要求，可作為雷達用匯流條的高可靠絕緣防護材料進行進一步試驗。

2.2 絕緣涂層涂覆前處理技術

為保證涂層的結合力，對比試驗了不同前處理方法對涂層附著力的影響。采用1 mm×100 mm×100 mm的H62銅板噴涂絕緣樹脂粉末后，按照“GB/T5210色漆和清漆拉開法附著力試驗”進行測試，試驗結果見表2、圖3、圖4和圖5。

表2 不同前處理方法對涂層附著力的影響

圖3 附著力與前處理方法關系圖

圖4 附著力與水膜破裂時間關系圖

圖5 附著力與表面粗糙度關系圖

由試驗結果可見，附著力與前處理后水膜破裂時間成正相關關系。溶劑清洗的水膜破裂時間較短，是因為溶劑中含極少量的高分子溶劑，不易揮發(fā)所致。而堿洗主要基于皂化反應和溶解、乳化、分散作用，再輔以表面活性劑等助劑的潤濕、滲透、乳化、加溶、分散等性能，能有效地去除油污，增加水膜破裂時間[9]。在水膜破裂時間一定的情況下，表面粗糙度越大，附著力越大。這是因為表面粗糙度越大，涂料粘附的表面積越大，附著力增加。為適應雷達用匯流條高可靠性的要求，選用對水膜破裂時間和表面粗糙度均有顯著增強的堿洗噴砂法進行正式生產(chǎn)。

2.3 優(yōu)化絕緣涂層靜電涂覆技術

為保證絕緣樹脂粉末絕緣涂層的邊角覆蓋性，從而保證匯流條的整體耐壓強度，同時考慮匯流條的疊裝要求，需選擇適宜的絕緣厚涂層。但在靜電粉末噴涂中，要完成這種厚涂層的噴涂很難實現(xiàn)。一方面帶負電荷的粉末在靜電場的作用下, 沿電力線方向均勻地吸附在帶正電荷的工件表面, 同時隨著粉末聚集厚度的增加, 工件表面粉末負電荷數(shù)量的積累, 又形成了新的電場。該電場大于工件正電場對粉末的吸引力而排斥不斷飛來的粉末, 使涂層厚度受到影響。故在常規(guī)噴涂中一般只能形成50～100 μm厚度左右的涂層[10]。為此，需改進靜電噴涂工藝。

在厚涂層的成型中，通常采用熱浸涂流化床的工藝。將工件先預熱再浸涂，很容易實現(xiàn)厚涂層的粉末涂覆。但熱浸涂流化床工藝形成的涂層均勻性差，外觀裝飾性不佳。為此，可結合熱浸涂流化床工藝和靜電噴涂工藝的優(yōu)點，在靜電噴涂時，先將匯流條進行預熱，工件表面涂層受熱后阻值減小, 被中和的粉末負電荷數(shù)量多, 實施靜電噴涂后, 吸附和沾附在工件表面上的粉末厚度就能夠得到有效增加，同時保證涂層的均勻性和外觀裝飾性。

在可能影響涂層厚度的各因素中，除預熱溫度外，還有靜電噴涂的各參數(shù)，如靜電高壓、供粉壓力、霧化壓力和噴射距離等。

為確定各因素對涂層厚度的影響，進行3因素2水平的正交試驗。試驗指標為涂層厚度；試驗因子選擇可能對涂層厚度影響較大的預熱溫度、靜電高壓和供粉壓力。其他因子如霧化壓力和噴射距離可能對涂層厚度的影響不顯著。因為霧化壓力主要決定粉末的霧化均勻度，適當增大霧化壓力能夠保持粉末涂層的厚度均勻，但過高會使送粉部件快速磨損；適當降低霧化壓力能夠提高粉末的覆蓋能力，但過低容易使送粉部件堵塞。噴射距離對粉末的上漆效率影響較大，距離過近容易產(chǎn)生放電，擊穿粉末涂層；過遠會增加粉末用量和降低生產(chǎn)效率。故試驗中將其他工藝參數(shù)進行固定。具體為霧化壓力：0.4 MPa；噴射距離：250 mm；匯流條厚度：4 mm；固化溫度：180℃；固化時間：20 min。各因子的水平、組合和試驗結果見表3、圖6、圖7和圖8。

表3 正交試驗表

圖6 涂層厚度與預熱溫度關系圖

圖7 涂層厚度與靜電高壓關系圖

圖8 涂層厚度與供粉壓力關系圖

由試驗結果可知，工件預熱溫度對涂層厚度的影響最顯著，溫度越高厚度越厚；靜電高壓的影響較高，電壓越高涂層越厚；供粉壓力的影響最小。根據(jù)Minitab軟件量化分析結果(見表4和表5)，預熱溫度和靜電高壓對厚度的貢獻率為78.34%，回歸方程為

δ=-1 228.75+7.575T+3.237 5V

(1)

式中：δ為涂層厚度，μm；T為預熱溫度，℃；V為靜電高壓，kV。

表4 擬合因子：涂層厚度與預熱溫度、靜電高壓

表5 涂層厚度的系數(shù)估計

2)R-Sq為貢獻率，用于判斷因素對結果的影響大小。

2.4 匯流條加工工藝流程優(yōu)化

匯流條的加工工序一般包括機械加工、靜電涂覆和電鍍等工序，而靜電涂覆包括堿洗、遮蔽保護、噴砂、預熱、靜電涂覆、固化等工序。

為避免連接孔大量繁復的遮蔽保護工作，采用在機加工工序中將不涂覆的孔預留加工余量，靜電涂覆后將預留余量的孔擴孔至設計要求。

根據(jù)以上分析，靜電涂覆部位需進行噴砂前處理，且涂覆后需高溫固化和機加工擴孔。故非涂覆部位的電鍍應安排在靜電涂覆、機械加工擴孔后進行，以保證電鍍層的外觀和完整性。

據(jù)此確定匯流條加工工序：機械加工→堿洗→遮蔽保護→噴砂→預熱→靜電涂覆→固化→機械加工→電鍍。

2.5 匯流條絕緣涂層性能測試

性能測試試驗中，選用規(guī)格為1 mm×100 mm×100 mm的H62銅板和圖1樣式的單根匯流條作為試驗件，按上述試驗確定的絕緣涂層材料、靜電噴涂工藝參數(shù)和匯流條加工工藝流程進行加工。加工完畢后按相關試驗方法進行考核，試驗方法和測試結果見表6。

表6 絕緣涂層性能測試結果

由試驗結果可知，選定的聚酯-TGIC型粉末涂層經(jīng)各種性能測試后，均滿足要求，可作為雷達用匯流條的高可靠絕緣防護材料。

3 絕緣涂層匯流條應用情況

采用改進涂層工藝后的匯流條，已在多型產(chǎn)品中應用。相比其他工藝制造的匯流條，具有如下特點：

1) 優(yōu)異的絕緣性能。由于表面絕緣層為完整包覆且附著優(yōu)良的厚涂層，即使有小動物、粉塵和潮氣進入，也不會造成絕緣失效。特別是對于疊層匯流條，在減小外形尺寸的同時也具有優(yōu)異的絕緣性能。

2) 增強了匯流條的耐腐蝕性。沿海地區(qū)的鹽霧及濕熱對金屬有很強的腐蝕作用，厚的粉末涂層具有極好的耐腐蝕性和耐酸堿性，有效地解決了匯流條的腐蝕問題。

3) 提升了匯流條的可靠性。由于匯流條包覆完整且絕緣性能優(yōu)異，增加了爬電距離，有效降低了污閃、凝露閃絡等故障，能保證在惡劣環(huán)境中長時間運行，提升了匯流條的可靠性。

4 結束語

本文通過分析雷達用匯流條的特點和絕緣要求，提出了采用靜電涂覆絕緣樹脂粉末的方法實現(xiàn)匯流條的絕緣，并通過絕緣樹脂粉末的優(yōu)選、改進靜電噴涂工藝和優(yōu)化匯流條加工工藝流程等方法實現(xiàn)了匯流條的批量生產(chǎn)。

為適應現(xiàn)代雷達用匯流條更高集成度、更輕量化的要求，后續(xù)工作需進一步提高匯流條絕緣層的可靠性和耐高溫性能。