伺服特种传感器基体材料应用

熊 伟， 刘小勇， 马亚军， 李梦雪， 徐佳佳

(1.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076； 2.火箭军驻长控公司军事代表室，北京 100076)

0 引 言

承担火箭伺服位移测量、反馈任务的特种传感器，设计为电位计或线性可变差动变压器(linear variable differential transformer,LVDT)式传感器形式[1]。我国固体运载火箭发展之初，基础工业生产水平较低，伺服特种传感器基体材料选用的是耐温等级较低的环氧酚醛类层压板；进入20世纪80年代，随着尖端科学和宇航技术的发展：高分子高性能结构的聚酰亚胺类复合材料由于其具有卓越的耐热性、耐腐蚀性及高温下良好的电气物理性能[2]，而在航空航天领域广泛应用，固体运载火箭伺服特种传感器基体材料也开始大量选用聚酰亚胺材料。

1 伺服特种传感器基体材料的应用现状和物理组成

1.1 典型基体材料应用现状

按组成成分分为环氧(环氧酚醛)类基体材料和聚酰亚胺类基体材料[3]，其中环氧酚醛类基体材料主要有环氧酚醛层压玻璃布板3230、印制电路用覆铜箔环氧玻璃布层压板CEPGC—32F；聚酰亚胺类基体材料主要有聚酰亚胺类层压板YB—10，覆铜箔层压板YB—20、可溶性聚酰亚胺模模压塑料YS21、热固性聚酰亚胺D7642和热塑性聚酰亚胺NGDJ。

按外形结构分为板式结构、圆环式结构和圆柱式结构。板式结构基体，多采用覆铜箔或不覆铜的层压板加工成型，在生产传感器时需在其表面印制电阻膜，因此要求基体材料表面不允许有气泡、杂质和其他明显缺陷，边缘应切割整齐，断面不允许有分层和裂纹，高温下变形量小。

圆环式结构基体材料多采用棒材或板材机加成型，生产传感器时需在其环状表面喷涂电阻膜，因此，要求基体材料应具有良好的可机加性，表面不允许有气泡、杂质、裂纹和其他明显缺陷，能够达到较高的表面粗糙度，高温下形变量小。

圆柱式结构基体材料多采用棒材机加成空心薄壁孔，在生产传感器时需在其圆柱面上绕制漆包线，因此，基体材料应具有良好的可机加性，其表面不允许有气泡、杂质和其他明显缺陷，高温下形变量小。

1.2 典型基体材料的物理组成及特性

环氧酚醛层压玻璃布板3240是用无碱玻璃布浸以环氧酚醛树脂经热压而成的板状层压制品，其主体树脂为环氧树脂、酚醛树脂 。印制电路用覆铜箔环氧玻璃布层压板FR—4是在溴化环氧树脂为粘合剂，无碱编织玻璃布为增强材料的电工绝缘玻璃布层压板的双面或单面覆铜箔而制成的，其主体树脂为溴化双酚A型环氧树脂、一般采用双氰胺作为固化剂。由两者的环氧树脂分子结构[4]可知：FR—4，3240中都含有大量的苯环、C—O键。

聚酰亚胺类层压板YB—10和覆铜箔层压板YB—20是以芳香二酐、二胺为主原料，经聚合、浸渍、亚胺化、压制等工艺而制成。热固性聚酰亚胺D7642，采用热固性PI(链烯基改性增韧的双马来酰亚胺)作为基体树脂的玻璃纤维布增强的覆铜板[5]。YB—10，YB—20，D7642是以聚酰亚胺树脂为基体，由其特征分子结构知三者中含有大量的羰基(碳氧双键)、含氮五元杂环。

通过对上述几种典型产品进行红外光谱分析，可以比较出产品组成成份中共性与个性成份。

1)环氧酚醛层压玻璃布板3240，样品编号为03—72,02—62，印制电路用覆铜箔环氧玻璃布层压板FR—4样品编号为03—16，02—42的红外光谱[6]如图1所示。

图1 2种不同年份的基材红外光谱

样品中编号为03—72，03—16的样品为03年生产基材，编号02—62，02—42的样品为02年生产基材，从图1来看，03—72和02—62 红外图谱基本吻合；而03—16和02—42 红外图谱在1 750 cm-1处有明显差异，同时热分解温度差别较大，可能在固化剂方面有所差别。

通过以上红外光谱分析[7]结论，同种材料因生产年份不同，其性能也有所不同，使用时应综合考虑其对传感器产品的性能影响。

2)3种典型聚酰亚胺层压制品的红外光谱如图2所示。

图2 3种聚酰亚胺层压板基材红外光谱

从红外图上看，YB—10，YB—20及D7642在1 780 cm-1和1 722 cm-1处有聚酰亚胺2个羰基的特征吸收峰[8]，另外，在1 380 cm-1左右有酰亚胺环(C-N伸缩振动)的特征吸收峰，因此，可以判断YB—10，YB—20与D7642相同，均为聚酰亚胺材料[9]。同时，也关注到3种谱图之间的差异，表明3种材料在结构上仍存在不同之处。

2 工程应用中的共性问题及解决措施

随着伺服特种传感器产品研制进程的加快，其种类、结构形式不断丰富，一方面面临着应满足使用环境要求，另一方面面临综合考虑其基体材料的机械加工性、电气连接可靠性、耐温性、耐油性、耐潮湿性等诸多问题，基体材料选用的优劣直接影响产品的性能指标，产品合格率及产品的可靠性。

2.1 机械加工性

伺服系统用特种传感器板式基材机械加工相对简单，常见问题为基体分层、工作面布纹显露。解决办法通常在订货要求中增加不可有布纹显露、不可有纤维暴露。纤维上的树脂覆盖层不能小于6 μm。

伺服系统用特种传感器圆环式基材因其外形复杂，主要要求其具有良好的机械加工性，典型材料的产品性能为：实密度为(1 350±50)kg/m3；成型收缩率(25～340 ℃)为0.3 %；吸水率为0.5 %；长期使用温度范围为-200～245 ℃；拉伸强度大于等于85 MPa；弯曲强度大于等于150 MPa；压缩强度大于等于120 MPa；冲击强度大于等于20 kJ/m2；介电常数小于等于3.4；表面电阻系数大于等于1 014 Ω。

工程实践中常见问题是因机加中进给速度及切削量控制不好，造成开裂等现象。解决办法：通常注明基材的老化温度，在工艺中明确其进给速度及切削量。工序间穿插进行去除加工应力的老化处理，及时去除因机械加工带来的产品加工应力[10]，防止材料出现开裂现象。

伺服系统用特种传感器圆柱式基材机械加工因其薄壁细长孔及内、外孔同轴度要求高的特点，基体材料选用充分考虑各种力学性能参数。主要问题是，工作面表面质量差，内外孔同轴度差。解决办法是，通过采用专业的加工工装和合适的工艺方法，保证其表面质量和加工精度。

2.2 电气连接可靠性

伺服系统用特种传感器中一类是利用基材的铜箔经腐蚀后作为信号引出，其铜箔的抗剥强度将直接影响传感器的电气连接性。

工程实践中，最常见的问题是覆铜箔层压板表面铜箔在腐蚀后部分起翘，脱落。抗剥强度表明铜箔与复合基材的结合强度，如果抗剥强度太低，铜箔蚀刻成线路后，线路容易脱落。对于1.0 mm以上厚度的基材，所附铜箔厚度为35 μm，经过288 ℃，10s热处理后，其抗剥强度一般应高于0.8 N/mm，而对某种表面铜箔失效起翘材料进行测试，其抗剥强度只有0.4 N/mm。

如表1所示，覆铜箔层压板FR—4和热固性聚酰亚胺D7642覆铜箔剥离强度明显高于YB—20覆铜箔聚酰亚胺层压板。YB—20的铜箔抗剥强度很低，铜箔与树脂的界面结合很差。考虑到电气连接可靠性，应优先选用覆铜箔层压板FR—4(使用环境温度较低时选用)和热固性聚酰亚胺D7642(使用环境温度较低时选用)。

表1 几种典型覆铜箔材料性能参数对比

2.3 耐温性

伺服系统用特种传感器基材选用时应充分考虑其工作环境中温度等级要求，应具有宽温域工作特点，几种典型材料的高温性能指标如表2所示。

表2 几种典型材料温度性能对比

玻璃化转变温度，是树脂从玻璃态到高弹态的转变温度。玻璃化转变温度以上，树脂表现出橡胶的特性，复合材料的刚性会明显降低，容易受外力影响而变形。从以上测试结果判断，FR—4，3240 2种材料在120 ℃以上高温环境中力学性能会大幅下降；而YB—10，YB—20，D7642理论上能在200 ℃下保持良好的力学性能。热分解温度是表征材料耐热性的一个指标。热分解温度越高，材料的耐热性越好。YB—10，YB—20，D7642的耐热性明显高于FR—4，3240。

2.4 耐油性

耐油性与材料的极性、结晶度、交联度及空间位阻有很大关系。极性大、结晶度或交联密度高、空间位阻大，则材料的耐油性越好。双马来酰亚胺树脂与环氧树脂相比，分子结构中含有极性较高的羰基、含氮五元杂环，另外固化产物的交联度更高、空间位阻更大，因此，其耐油性更好。几种典型材料的耐油性表现排序如下：D7642优于YB—10(YB—20)优于3240优于FR—4。

2.5 耐潮湿性

就复合材料而言，树脂对增强材料的浸润性不佳，界面结合差，会导致氧、潮气等沿空洞侵入基材界面，长期作用后会严重影响复合材料的机械及电气性能[11]。

对3种典型材料进行400倍显微断面分析，如图3所示，可以看出，YB—10和YB—20材料树脂与玻璃纱间界面浸润差造成基材内部空洞很多，而D7642材料树脂与玻璃纱间界面浸润很好基材内部空洞较少，耐潮湿性能较好。单纯考虑材料的耐潮湿性，应优先选用热固性聚酰亚胺D7642。

图3 3种典型材料的400倍显微断面分析

3 结 论

综合考虑各种环境条件对固体运载火箭伺服特种位移传感器的基材选用是至关重要的，就材料本身而言，耐候性主要与分子结构中的不饱和键(主要是碳碳双键)、不稳定环/键、主链杂原子有关，同时也与结晶度或交联密度等有关。双马来酰亚胺具有特征五元酰亚胺环结构，键能高、结构稳定，苯环密度相对较低，因此，对光、氧、热、潮气等的抵抗能力强；而3240，FR—4中所用的环氧或酚醛树脂树脂含较多C—O键、苯环结构，对光、氧、热、潮气的抵抗能力相对较差。

参考文献:

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