一种弹性胶粘剂在石英加速度计中的应用

郭 祎，李 纳，祝汉岐，章培成

（北京航天时代惯性仪表科技有限公司，北京100039）

一种弹性胶粘剂在石英加速度计中的应用

郭 祎，李 纳，祝汉岐，章培成

（北京航天时代惯性仪表科技有限公司，北京100039）

针对石英加速度计偏值问题，提出了摆片组粘接胶粘剂的选用原则，并应用有限元软件进行了仿真研究。分析结果表明，固化后弹性模量小的胶粘剂粘接面产生的应力较小，有利于提高石英加速度计偏值的稳定性。进一步对选用的弹性胶粘剂进行了强度检测，测试结果表明石英加速度计的偏值稳定性得到了明显改善。

胶粘剂；石英加速度计；应力；偏值

Abstract：To improve bias stability of quartz accelerometers，the paper presents a selection principle of adhesive to bond reed and coil，andmade a simulation analysis．The analysis shows that the stress of adhesivewith low elasticmodulus after curing is smaller and can help improving the stability of the quartz accelerometer bias．On the basis，the paper carry a strength test on the elastic adhesive，and the test results show that the stability of the partial stability of the quartz acceler⁃ometer is obviously improved．

Key w ords：adhesive;quartz accelerometer;stress;bias

0 引言

K0问题是提高石英挠性加速度计精度要解决的重要问题之一。K0问题，就是零偏稳定性问题［1］。在影响K0的主要因素中，摆片和胶是两个主要因素。这里主要考虑胶的因素，通过选用合适的胶，提高胶的性能，解决石英加表的连接强度和稳定性问题。

偏值可表示为所有作用与摆组件上力矩的综合作用，理想的结构是挠性梁截面完全不受到应力作用。摆片组是表芯中的重要件，骨架与石英摆片平面涂胶粘接如图1所示。实际上摆片组中，带线圈骨架与石英摆片的胶粘结构中，由于胶粘剂固化后有一定的收缩效应［2］，以及骨架和摆片材料线膨胀系数不一致，内应力和热应力始终存在。减小胶接结构中的应力和热效应，有利于减小偏值误差，提高偏值稳定性。因此，选用合适的胶粘剂非常重要。

1 摆片组粘接常用胶粘剂情况

目前，摆片组的用胶情况大致可以分为2种。

1）固化后为玻璃态的硬性胶粘剂。目前常用的是单组份环氧胶，这种胶具有较大的弹性模量，量级在109Pa～1010Pa，具有较高的粘接强度和抗疲劳强度。然而从式（1）可以看出，在温度变化过程中，这种胶粘接摆片组产生较大的热应力，会抵消一部分胶粘强度，这样不仅影响表的精度，甚至影响表的可靠性。

2）固化后在工作温度为高弹态胶粘剂。如美国某公司的硅橡胶，固化温度约为150℃，固化时间为4h。这种胶具有高弹性，弹性模量较小，量级在107Pa～108Pa。20世纪80年代，森德斯坦公司为了减小QA系列石英加表摆片组中胶粘接结构由于温度变化产生的热应力，使用具有高弹性的硅橡胶替代之前的低膨胀环氧胶粘剂（弯曲模量约为11GPa），应用于摆片组粘接中，取得了一定效果。

根据胶粘剂的选用原则，在复杂的结构中，粘接技术的应用应着眼于胶接件体系的相互匹配，而不应追求胶粘剂的某些单项优异性能［3］。在骨架与石英摆片的粘接中，骨架材料为铝合金，摆片材料为石英玻璃。由于石英玻璃的线膨胀系数为0．54×10－6，铝合金的线膨胀系数为23．6×10－6，因此在温度变化时，粘接结构会产生热应力，如式（1）所示。

式中，P为热应力，Δt为胶粘剂的固化温度与室温的差值，Δα为被粘接材料之间线膨胀系数的差值，E为胶粘剂的弹性模量，γ为泊松比。

从式（1）可以看出，胶粘结构的热应力的大小与温度的变化、材料的线膨胀系数差、材料的弹性模量成正比，并与泊松比有关［4］。因此，降低热应力的有效途径一是采用低固化温度胶粘剂以降低温度差；二是采用模量低、延伸率高的胶粘剂以减小E。

基于上述分析，本文选用了一种弹性结构胶粘剂。此胶粘剂为双组分糊状，高弹性，适用于金属胶接，工作温度为－55℃～60℃，剪切强度为15．9MPa，广泛应用于航空航天领域。

2 摆片组胶粘有限元分析

采用有限元法可以较精确地计算出内应力的大小、分布和应力集中点［5⁃6］。为分析摆片组粘接结构受力情况，运用有限元软件建立了有限元模型［7⁃8］。

2.1 模型简化与建立

为简化模型，进行了以下内容假设：

1）骨架、摆片、胶均为各向同性材料；

2）忽略骨架切口形状；

3）假设固化后胶粘剂为弹性体，忽略各结构件塑性变形；

4）粘接面涂胶完全均匀，厚度完全一致；5）忽略摆片面形和骨架粘接面面形影响。将模型简化为轴对称二维平面应力模型，如图2所示。

2.2 结果分析

在温差为100℃条件下的计算结果经过平面旋转成的模型的应力云图如图3所示，从图3中可以看出胶层内圈应力较小，外圈边缘附近应力最大，该部位容易发生破坏。

（1）胶粘剂弹性模量对应力的影响

本文对不同弹性模量 0．5GPa、1．0GPa、1．5GPa、2．0GPa的胶粘剂进行模型计算，从计算结果中发现，胶粘剂弹性模量越大，粘接面的分布应力也越大，具体如图4所示。

（2）胶粘剂膨胀系数对应力的影响

本文对具有不同热膨胀系数10PPM、50PPM和100PPM的胶粘剂进行模型计算，从计算结果中发现，胶粘剂对径向应力的影响较大，膨胀系数越大胶粘剂受到的压应力也就越大，如图5（a）所示。而对轴向应力和切向应力基本无影响，如图5（b）、图5（c）所示。这是因为摆片组粘接胶层厚度较薄为0．02mm，因此在轴向方向产生的热变形较小。从图5（d）等效应力图来看，采用低膨胀系数的胶粘剂有利于降低粘接应力。

3 胶粘剂强度实验

针对弹性胶进行了耐高低温实验，实验方案和结果如表1所示。由实验结果可知：弹性胶的剪切力、强度和能承受的最大加速度均优于单组份环氧胶。

表1 两种胶粘剂耐高低温实验数据Table 1 Tem perature test data of two kinds of adhesive

续表

4 实验结果

在采用新的弹性较好的弹性胶粘接摆组件后，对6只样机进行了模型方程参数标定和温度系数测试，测试数据如表2所示。从表2中可以看出，K0的温度系数均在15μg／℃以下，对085＃、044＃进行了为期2个月的稳定性测试，数据如表3所示，从测试结果看，K0、K1、K2和δp在两个月内的数据均在10以下。

表2 温度系数测试数据Table 2 Test data of temperature coefficient

表3 085＃和044＃两个月长稳测试数据Table 3 Two months stability testing of 085＃and 044＃

5 结论

本文针对石英加速度计出现的偏值问题，对摆片组用胶粘剂进行了深入研究。研究发现在温度变化环境下，采用弹性模量小、热膨胀系数小的胶粘剂能显著减小粘接面的热应力，提高石英加速度计的偏值稳定性，降低偏值温度系数。

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App lication of Elastic Adhesive in Quartz Accelerom eters

GUO Yi，LINa，ZHU Han⁃qi，ZHANG Pei⁃cheng
（Beijing Aerospace Times Inertial Instruments Technology Company，Beijing 100039）

U666．1

A

1674⁃5558（2017）02⁃01269

10．3969／j．issn．1674⁃5558．2017．04．008

郭祎，女，硕士，动力机械及工程专业，高级工程师，研究方向为石英挠性加速度计。

2016⁃04⁃20