导电橡胶在电子设备密封设计中的应用

马建章，高驰名

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



导电橡胶在电子设备密封设计中的应用

马建章，高驰名

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要主要研究导电橡胶在电子设备密封设计中的选型、设计沟槽、计算压力和安装方式等。简要介绍了垫片密封的密封形式，阐述了橡胶垫片密封原理以及不同压缩量对密封性能的影响，说明了导电橡胶的种类、特点和应用范围，提出了导电橡胶安装时的注意事项。通过实例详细说明了在实际设计中如何选择导电橡胶、计算导电橡胶的换算弹性模量及应力，并设计结构件密封沟槽尺寸和螺钉直径、数量以产生足够压力保证的导电橡胶压缩量，实现密封。通过实验验证该设计方法是科学、有效的。

关键词垫片密封；橡胶密封原理；导电橡胶；橡胶垫应力

0引言

在户外使用的电子设备，由于环境恶劣，对设备结构的环境适应性有很高的要求。采用密封结构形式可以有效地降低电磁干扰，防止水、潮气、盐雾以及霉菌进入设备内部影响设备正常工作，提高设备的环境适应性。电子设备密封主要采用垫片密封的形式来实现，而垫片的选择是垫片密封设计的关键。导电橡胶作为密封电子设备常用的垫片，满足设备密封性，同时也满足电磁屏蔽性。在设计中，如何选择导电橡胶的型号、压缩量以及采用何种安装方式，是电子设备密封设计中需要面对的问题。

在目前结构设计中，对导电橡胶的选择和使用一般凭借经验，没有一套适合的计算方法，经常出现导电橡胶选型不合适、压缩量设计不合理和安装方式不正确等现象，导致了设备密封性能降低甚至失效。本文通过对导电橡胶性能特点、密封原理和橡胶弹性模量的研究提出了一套导电橡胶选型、密封沟槽的设计以及安装方法，很好地保证了设备密封性。

1垫片密封

密封电子设备结构一般可分为框架和盖板(底板、面板)2部分，框架与盖板之间常采用垫片密封。设备的密封性能主要取决于密封面形式和垫片[1]。

1.1　密封面形式

垫片密封面形式有平密封面、平沟槽密封面、凹凸密封面和榫槽密封面等。平密封面(如图1(a))结构简单、安装方便适用于低压法兰的场合。平沟槽密封面(如图1(b))耐冲击振动、能精确控制垫片压缩量、不因垫片影响装配尺寸，在密封电子设备中应用广泛。凹凸密封面(如图1(c))安装时容易对中，能防止非金属软性垫片被内压挤出，密封性能比平密封面好。榫槽密封面(如图1(d))法兰窄，易压紧，密封可靠，适用于对密封要求严格的场所[2]。

图1　垫片密封形式

1.2　垫片

垫片是一种夹持在2个独立连接件之间的材料或材料组合，具有良好的回弹性和较高的承载能力。垫片的种类很多，有橡胶垫、石棉垫、非金属垫片和金属垫片等。在密封设计中，选择垫片时要考虑工作温度、工作压力、密封介质、密封面形状和密封面粗糙度等因素[3]。

2橡胶垫片密封原理

橡胶垫片具有组织致密、质地柔软、回复性好和价格低等特点，是密封设计中常用的垫片。橡胶垫片密封主要是通过控制橡胶垫的相对变形量(简称压缩量)来达到密封的目的。如图2所示，橡胶垫未受压时的高度为H0，当橡胶垫受到压力F后的高度变为H1，其相对变形量ε=(H0-H1)/H0。

图2　橡胶密封原理

实践证明，当ε=10%时，橡胶垫与装配面的缝隙小至0.01 mm，但水分子仍然能渗透，当压力F继续增大，相对变形量ε为20%~30%时，由于橡胶垫的弹性及变形作用，橡胶垫紧贴装配面，水分子无法渗透，从而形成密封。如果进一步增大压力F，当相对变形量ε>30%后，密封质量改善不大，反而会由于疲劳破坏而加速橡胶损坏甚至破裂，影响密封效果。因此，在密封设计中，橡胶的相对变形量ε一般取20%~30%为宜。设计中应当注意的是，橡胶的变形不仅与所加的压力有关，与温度、变形程度、受压时间以及材料本身的邵氏硬度等多因素有关，所以其变形与应力并非直线关系[4]。

导电橡胶由于在硅橡胶中填充了金属颗粒，其硬度高于硅橡胶，使用时其压缩量要小于硅橡胶，矩形导电橡胶一般取5%～15%为宜。

3导电橡胶的种类、选择及安装

导电橡胶是将玻璃镀银、铝镀银和银等导电颗粒均匀分布在硅橡胶中，通过压力使导电颗粒接触，达到良好的导电性能。具有良好的电磁密封和水气密封能力，在一定压力下能够提供良好的导电性能，广泛应用于航天、航空、舰船和兵器等具有密封性和电磁屏蔽性的电子设备中[5]。

3.1　导电橡胶的种类

导电橡胶中填充的金属颗粒不同，其性能和适用场合也不同。模压型玻璃镀银导电橡胶适用于大范围的EMI应用，提供可靠的低成本屏蔽；纯银导电橡胶有多种硬度和合成物，能防霉菌，适用于低压到中压的场合；铜镀银导电橡胶具有最大导电性，屏蔽效果最好；镍镀银导电橡胶具有抗腐蚀剂性，能提供比较高的屏蔽效果；铝镀银导电橡胶成本低廉，具有最高的导电性，电化腐蚀最小，重量比较轻，对机箱接头和缝隙提供极好的水气密封；石墨镀镍导电橡胶具有较高的导电性，用于要求宽频屏蔽和环境密封的场合[6]。

常用导电橡胶的截面形状有：矩形、管形、圆形和中空D形等，也可以根据需要加工成特殊形状。矩形橡胶与结构件接触面积大，相同压缩量需要的压力最大；管形和中空D形橡胶相同压缩量需要的压力最小。

3.2　导电橡胶的选择和安装

设计时要根据结构件的基体材料选择不同填充物的导电橡胶，使导电橡胶与设备的接触面达到电化学兼容。如果尺寸允许，尽量使用较厚的垫，这样允许结构件有更大的加工误差。导电橡胶由于在硅橡胶中添加了金属颗粒，导致其硬度、弹性模量和强度等物理性能不同于普通的硅橡胶，因此设计时需要根据相应手册的要求和设备实际情况选择合适的压缩量。

安装导电橡胶时要注意以下事项：

① 导电橡胶要安装在不易被损坏的位置，安装时金属表面一定要清洁、导电；

② 尽量采用沟槽的安装方式，便于固定导电橡胶、控制压缩量；沟槽的宽度要足够，保证导电橡胶压缩时侧面能自由伸展；

③ 结构件刚度要足够，紧固后结构件不能因导电橡胶弹力的作用产生明显变形，影响密封和屏蔽性能；

④ 选择合适的螺钉直径和间距，使结构件有足够的压力保证导电橡胶达到预期形变，合适的螺钉间距也可以防止结构件发生明显变形；

⑤ 导电橡胶在沟槽内安装时，一般用导电胶粘贴固定，其缺点是：增加成本，导电胶涂抹不均匀会导致橡胶垫高度不同，影响密封，导电胶老化会导致屏蔽效能降低。建议用非导电胶在螺钉孔穿过的地方滴一小滴，粘胶的地方不导电，但通过螺钉与导电橡胶和结构件接触，仍然能起到导电的作用。

4设计实例

便携式通信设备在户外使用，要求满足：水下1 m处浸泡2 h无渗漏，同时具有电磁屏蔽性，需要对其进行密封设计。设备机壳外形尺寸为236 mm×155 mm×53 mm，由盒体和底板组成，材质为防锈铝。盒体与底板之间采用平沟槽形式的垫片密封。设计时根据导电橡胶特点和适用范围，选择合适的种类，计算其压缩量，并设计密封沟槽尺寸。计算橡胶垫应力，对紧固盒体与盖板的螺钉进行受力分析。选择螺钉的直径，根据选用螺钉的机械性能和受力分析计算需用螺钉数量，对螺钉进行合理布局。

4.1　垫片的选择

设备在户外使用，要具有电磁屏蔽性、防腐蚀性、重量轻和易携带等特点，其结构件基体材料为防锈铝，因此采用成本低廉、比重轻和体电阻小的铝镀银硅橡胶作为其垫片。由于设备试验环境为水下1.5 m，设备内部和外部有一定的压力差，因此只有橡胶垫与结构件接触面积和压力足够大时才能保证密封。在压缩量相同的前提下，矩形橡胶垫与结构件接触面积和压力最大，故选用截面为矩形的导电橡胶条。考虑外形尺寸、盒体壁厚、设备美观性和螺钉的机械性能等多方面因素，使用直径为M3的不锈钢螺钉作为盒体和盖板的紧固件。为保证螺钉能将压力有效的作用于橡胶条上，在橡胶条中间打孔，使螺钉穿透橡胶条，根据螺钉直径、盒体壁厚和盒体安装密封条处的厚度，选择矩形橡胶条截面的宽度和高度为：B0=6.35 mm，高度H0=2.36 mm，其邵氏硬度为65，与金属的摩擦系数f=0.6，体积V=10 329.24 mm3，支撑面面积S支=4 376.8 mm2,侧面总面积S侧=3436.92 C。

4.2　结构件沟槽的设计

手册推荐铝镀银硅橡胶变形量ε=6%，由于设备要在水下浸泡，适当增加橡胶垫的压缩量，保证在一定水压下仍然能够实现密封，根据经验选取ε=9%。

平沟槽密封面要求法兰面硬接触，因此密封槽的高度就是橡胶垫变形后的高度，根据变形量ε计算密封槽的高度H1=H0×(1-ε)=2.15 mm。

假设导电橡胶为不可压缩的，则变形前的截面积与变形后的截面积相等，计算密封槽的宽度B1：B1=(H0×B0)÷H1=(2.36×6.35)÷2.15=6.97 mm。取B1=7.2 mm。

变形后支撑面面积近似为：

S=V÷H1=10 329.24÷2.15=4 804.3 mm2。

4.3　计算橡胶垫应力

导电橡胶的弹性模量为：E=3G(假设导电橡胶不可压缩)，G为剪切模量。

橡胶的剪切模量与硬度有以下关系[7]：

式中，HA为邵氏硬度。则

在橡胶密封垫的实际计算中，对于单向变形一般采用巴尔涅夫-哈扎诺维奇方程来计算应力与应变关系[8]。

EP=(1+2×f×φ)×E，

φ=S支÷S侧。

式中，EP为换算弹性模量；φ为形状系数。

橡胶垫的形状系数φ： φ=S支÷S侧=4 376.8÷3 436.92=1.27。

换算弹性模量EP=(1+2×f×φ)×E=(1+2×0.6×1.27)×4.78=12.06 MPa。

计算盒体和底板紧固后橡胶垫的应力σ为：

橡胶垫对盖板的弹力为：

F=σ×S=1.11×106×4 804.3×10-6=5 332.77 N。

4.4　计算螺钉受力

盖板的受力平衡，则橡胶垫对盖板的弹力与螺钉对盖板的作用力相等，若盖板用n个螺钉紧固，则每个螺钉受到盖板的反作用力，即螺钉受到的拉伸力为：P=F÷n。

则单个螺钉受到的合力为：∑F=F0+F′=0.2F′+F′=1.2F′=1.2P。单个螺钉受到的合力∑F应小于螺钉所允许承受的最大拉力FMAX，即∑F≤FMAX。

考虑到可能需要补充拧紧及扭转剪应力的作用，实际单个螺钉受到的合力比∑F要大，根据经验将∑F增加30%，则有：1.3∑F≤FMAX,即∑F≤FMAX÷1.3。

4.5　设计螺钉数量和间距

紧固盒体和盖板的螺钉为M3×10,性能等级为A2-50。查国标，其条件屈服强度为：σs=210 N/mm2，应力截面积[10]为：AS=5.03 mm2。

考虑安全系数，其许用应力为：

计算螺钉能承受的最大拉力FMAX：

FMAX=[σ]×AS=175×5.03=800.25 N。

则螺钉受到的合力为:

∑F≤FMAX÷1.3=800.25÷1.3=677.12 N。

单个螺钉受到盖板的反作用力，即拉伸力为：

P=∑F÷1.2≤677.12÷1.2=564.27N。

至少需要用的螺钉个数为：

n≥F÷P=5 332.77÷564.27=9.45，取n=10。

根据计算结果，选择10个M3的螺钉进行紧固。根据设备外形，将10个螺钉布局如下：长边设计3个螺钉，间距为90 mm，居中对称；短边上设计2个螺钉，间距为80 mm，居中对称。盒体密封槽形状及螺钉布局如图3所示。

图3　GPS控制测量示意

按此方案对设备进行密封设计，多次按要求进行实验，均没有发生渗漏现象，表明该设备的密封设计是合理、有效的。

5结束语

导电橡胶的种类和密封形式多种多样，在进行设备密封设计时，应根据设备结构形式以及其应用环境、形状和大小来选择合适导电橡胶种类、截面尺寸和密封结构形式，力争做到既简单经济又可靠实用。在很多情况下，设备不仅对密封性、电磁兼容性有要求，发热量大的设备也要具有良好的散热性，因此要求设计人员在密封设计的同时也要进行热设计和电磁兼容设计，这也增加了密封设计的难度，设计人员要加强这3个方面的综合设计能力。

参考文献

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[2]机械工程师手册编委会．机械工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2007：377-379.

[3]魏龙．密封技术[M].北京：化学工业出版社，2009：6-18.

[4]生建友．电子设备密封设计[J].电子工业专用设备，2004(4)：46-50.

[5]耿新玲，刘君，任玉柱，等．导电硅橡胶研究进展[J].航空材料学报，2006 (26)：283-288.

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[7]户原春彦．防振橡胶及其应用[M].牟传文，译.北京:中国铁道出版社,1982:293-295.

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[9]陈立德．机械设计基础(第2版)[M] .北京:高等教育出版社,2004:89-100.

[10]GB/T3098.6-2000.紧固件机械性能—不锈钢螺栓螺钉和螺柱[S],2000.

马建章男，(1982—)，工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。

高驰名男，(1982—)，工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。

Application of Conductive Rubber in Electronic

Equipment Sealing Design

MA Jian-zhang,GAO Chi-ming

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe method of choosing conductive rubber,designing the seal grooves,calculating the pressure and fixing the conductive rubber is mainly studied in this paper.The gasket sealing type is simply introduced.This paper expounds the rubber seal principle and the influence of different compressive deformation on sealing.Based on the characteristic and application range of various kinds of conductive rubber,the points for attention of fixing conductive rubber are put forward.Taking a portable communication device as an example,it explicates the method of choosing conductive rubber and calculating the conversion elastic modulus and stress of conductive rubber.The seal grooves are designed and the diameter and amounts of bolt are calculated in order to generate enough press and make sure conductive rubber compression amount.The experimental results show that the method is scientific and effective.

Key wordsgasket seal;rubber seal principle;conductive rubber;gasket stress

作者简介

基金项目：高校合作基金资助项目(KX132600033)。

收稿日期：2015-03-05

中图分类号TH136

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0074-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.20

引用格式：马建章，高驰名.导电橡胶在电子设备密封设计中的应用[J].无线电工程，2015，45(6)：74-77.