新型复合导电垫片的结构设计及性能研究

王 璐，王樱霖，张永力，韩继先，侯锦秋，姜睿智

(1.沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁 沈阳 110144；2.空军装备部驻沈阳地区第三军代表室，辽宁 沈阳 110144)

随着电子设备的快速发展，户外电子设备的应用越来越广泛，尤其是在恶劣环境中使用的户外电子设备，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、盐雾等进入设备内部影响设备正常工作，提高设备的环境适应性[1]。

长期以来，电子设备的密封主要采用垫片密封的形式来实现，且垫片的材料及结构设计尤为关键。导电橡胶作为密封电子设备常用的垫片，满足设备密封性和电磁屏蔽性。目前，市场上的导电橡胶垫片多以纯导电橡胶为主，虽然具有较好的屏蔽效能，但对于沿海环境，潮湿水汽形成的盐溶液会附着在电磁屏蔽橡胶和电子设备表面，导致纯导电橡胶局部容易发生电化学腐蚀[2-3]。而且电化学反应会导致电磁屏蔽界面的合金基体被腐蚀，进而造成电子设备的电磁屏蔽和环境密封失效，严重影响设备的“三防”性能和电磁兼容性能，设备环境适应性显著降低[4]。

新型复合导电垫片能弥补传统导电橡胶垫片存在的缺点。目前国内虽已有关于复合导电胶条制备方面的文献报道[5-7]，但关于复合导电垫片的制备及性能研究鲜有报道。该新型复合导电垫片由导电部分和非导电部分组成，其中非导电部分的主要功能是水汽密封，导电部分的主要功能是电磁屏蔽。因此其既具有电磁屏蔽效能，又具有较好环境适应性，可以广泛应用于电子设备中，尤其适宜于在沿海、潮湿等恶劣环境中工作的电子设备的密封。

1 复合导电垫片密封原理

复合导电垫片由导电部分和非导电部分组成，其中非导电部分选用热硫化硅橡胶，并将其置于外侧，主要功能是起水汽密封作用。导电部分选用导电硅橡胶，主要功能是实现电磁屏蔽作用，其中导电硅橡胶中导电粒子可视情选用，本文采用的是铝镀银。复合导电垫片的密封原理如图1所示。首先外侧的硅橡胶实现了水汽密封，电子设备内部不易受到外部环境的影响而保持相对较低的湿度，使得内侧的导电橡胶与装配面之间不会产生电化学腐蚀，可有效杜绝应用导电垫片而普遍存在的电化学腐蚀的发生，从而使得电子设备抗恶劣气候环境和电磁环境的适应能力得到有效保证。

在复合导电垫片中，其相对变相量(即压缩率ε)是控制其实现水汽密封的关键。其压缩率为：

(1)

式中，A1为复合导电垫片未受压时的高度；A2为复合导电垫片受压后的高度。

由于硅橡胶具有组织致密、质地柔软、回复性好等特点，在复合导电垫片中主要起到水汽密封作用，因此对于硅橡胶压缩率的控制尤为重要。当硅橡胶的压缩率ε=10%时，橡胶垫与装配面的缝隙小至0.01 mm，会存在微小的密封缝隙，水分子可在压差的作用下仍能渗透进入；当ε=20%～30%时，由于密封件的弹性及变形作用，密封硅橡胶会产生反弹力，水分子不能渗透，从而形成密封；当ε>30%时，密封质量改善不大，反而会由于疲劳而加速硅橡胶的损坏及老化，从而影响密封效果[8]。因此，对于复合导电垫片中的硅橡胶，其压缩量取20%～30%为宜。

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，使用时其压缩率要小于硅橡胶，一般取5%～15%为宜。

考虑到二者压缩率的差异，本文复合导电垫片中硅橡胶的厚度为1.2 mm，导电橡胶的厚度为1 mm，且置于硅橡胶内侧的中间位置。在安装时，使复合导电垫片的厚度压缩至0.85 mm，确保复合导电垫片上下面保持水平，且紧贴装配面，使水分子无法渗透，从而起到很好的电磁屏蔽及环境密封作用。

2 试验

2.1 复合导电垫片的制备

复合导电垫片的制备工艺路线如图2所示，首先冲压出导电垫圈，再在导电垫圈的外圆处涂覆一层热硫化胶粘剂，然后在室温下放置20～30 min，待完全干燥后，再把导电垫圈放入模具中央，以热硫化的方式将其与硅橡胶复合在一起，制备完成的复合导电垫片如图3所示。其中非导电部分的硅橡胶四角处分别有一个固定安装孔，通过螺栓可与装配面之间固接。

2.2 试验方法

2.2.1 耐盐雾试验

电化学腐蚀是导电橡胶失效的重要原因之一，两金属间发生电化学腐蚀的必要条件如下：1)必须存在足够的电位差；2)2种金属相互接触；3)金属之间存在电解液[9]。

盐雾腐蚀是一种常见且最具有破坏性的大气腐蚀，盐雾是指氯化钠的大气，它的主要腐蚀成分是海洋中的氯化物盐氯化钠，主要来源于海洋和内地盐碱地区。

为了研究复合导电垫片的耐盐雾性能，模拟复合导电垫片在盐雾条件下与安装面板接触时发生电化学腐蚀现象，制备如下试验件：由聚四氟乙烯制作的上下绝缘块，由不锈钢制作的螺钉螺母，表面镀覆军绿镉的铝合金安装板。为防止盐雾试验时盐水从螺钉螺母中进入，两端用橡胶垫进行密封，试验件如图4所示。将试验件放置在符合标准GJB 150.11A—2009规定的盐雾环境中进行500 h的盐雾试验，要求NaCl浓度(质量分数)为5%，pH值为6.5～7.2，连续喷雾24 h后，在15～35 ℃、相对湿度50%的条件下干燥24 h，每隔48 h观察金属镀层和复合导电垫片是否发生腐蚀。

2.2.2 接触电阻试验

为测量复合导电垫片的接触电阻，将复合导电垫片放置于壳体与安装面板之间，并用螺钉螺母进行紧固，其中壳体、安装面板及螺钉螺母均选用不锈钢06Cr19Ni10。为保证复合导电垫片与壳体和安装面板完全贴合，实现良好的导通并将因压缩量造成的误差降至最低，通过紧固4个螺钉，并用游标卡尺测量复合导电垫片的厚度，使其厚度压缩至0.85 mm。使用微欧计测量面板上1点位置与壳体尾部端面之间的接触电阻(见图5)。分别对模压前的导电垫片、模压后的复合导电垫片和盐雾试验后复合导电垫片的接触电阻进行测量，对比分析模压制备及盐雾试验对其电性能是否产生影响。

3 结果与分析

3.1 耐电化学腐蚀性能

由于盐雾环境中含有的氯离子穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应。同时，氯离子有一定的水合能力，易被吸附在金属表面的间隙、裂缝中，取代氧化层中的氧，把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物，使钝化态表面变成活性表面，从而使得金属表面发生腐蚀[10]。通过观察接触面的光洁度变化，可以直观地发现电化学腐蚀情况。图6所示为铝合金镀军绿镉和复合导电垫片的盐雾试验前后表面腐蚀情况对比图，由图6可知，经过500 h盐雾试验后，军绿镉镀层和复合导电垫片的表面均未出现腐蚀、麻点、龟裂、起泡、剥落等现象，表明复合导电垫片具有优异的环境密封性和耐电化学腐蚀性。

3.2 电性能

为了对比复合导电垫片模压前后及盐雾试验前后的接触电阻是否发生变化，分别对其接触电阻进行检测，检测结果见表1。由表1可知，模压前后及盐雾试验前后，复合导电垫片的接触电阻无明显变化，说明经模压制备及盐雾试验后，对其电性能无影响，表明该复合导电垫片具有优异的电性能和耐电化学腐蚀能力。

表1 接触电阻检测结果

4 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)采用模压的方式制备出一种新型复合导电垫片，该复合导电垫片可耐盐雾500 h，且经模压制备及盐雾试验后，其接触电阻几乎保持不变，表明复合导电垫片在保证屏蔽性能的同时具备优异的耐电化学腐蚀性能。

2)由硅橡胶和导电橡胶集成复合形式的“复合导电垫片”也可根据实际需要设计为多种形状，如矩形、圆形等。

3)由于复合导电垫片中大部分材料为非导电的硅橡胶，所以在实现密封屏蔽效能的同时也降低了制作成本，可推广应用于恶劣环境中工作的电子产品上。