粘接劑對擺部件影響分析

（天津航海儀器研究所，天津300131）

0 引言

石英加速度計的核心元件是石英擺部件，它包括石英擺片和兩個力矩器線圈，力矩器線圈通過粘接劑粘接到石英擺片上、下兩個表面。石英擺片為高品質的熔融石英玻璃經過多序加工而成，其熱膨脹系數為5.4×10-7／℃。力矩器線圈由線圈骨架和線圈組成，線圈骨架的壁厚僅有0.2mm，結構形式為杯型圓周開槽，目前常用材質為2A12鋁合金，其熱膨脹系數為22×10-6／℃。如何實現兩種熱膨脹系數差近兩個數量級，材料特性迥異、結構特殊的零件間可靠粘接，除了對粘接劑有一定的粘接強度和耐高低溫、沖擊、振動等常規要求外，還要重點關注粘接劑的粘接特性、粘接劑對擺部件應力的影響。本文重點從粘接劑的粘接特性和粘接劑對擺部件應力的影響兩方面，對粘接劑進行測試、分析，為后續各型擺部件的科研生產提供參考。

1 擺組件組成及工作原理

擺部件結構如圖1所示，由一個石英擺片和兩個力矩器線圈組成，兩個力矩器線圈對稱地粘接到石英擺片上下表面，共同組成了敏感質量。石英擺片結構如圖2所示，擺舌通過撓性梁連接到外安裝環上。擺舌上、下表面鍍有電容電極金膜，敏感擺舌受加速度產生的位移。外安裝環設置正反各3個凸臺，形成電容間隙。工作時，擺部件可以將加速度轉換為與之相對應的電流，通過測量該電流就可測得加速度［1-5］。

圖1 擺部件結構Fig.1 Structure of proof unit

圖2 石英擺片結構Fig.2 Structure of the quartz proof

式中，kt為力矩器力矩系數，I為力矩器線圈通電電流，m為敏感質量，l為敏感質量質心至撓性梁的距離，α為加速度。

差動電容敏感器電容變化：

式中，ε為介電常數，AC為電容極板面積，b為擺舌最遠端至撓性梁的距離，d0為電容極板間隙，k為靜電力常數，Δα為擺偏離位移相對石英安裝環中心平面。

對石英加速度計而言，在受溫度變化及其他干擾作用的情況下，希望其結構及電氣參數是穩定的。 針對擺部件， 式 （1）、 式 （2）的參數 l、 b、d0、AC希望是穩定的。由于力矩器線圈與擺片表面使用粘接劑粘接，粘接劑會對擺部件的應力產生影響，從而影響其結構的穩定性。

2 粘接劑綜合性能的分析

2.1 粘接特性分析

從粘接劑本質上看，其膨脹系數、彈性模量溫度系數要遠遠大于石英玻璃和2A12鋁合金，石英擺部件受溫度的最大影響也來源于此。將從粘接劑的膨脹系數和玻璃化溫度點、彈性模量及其溫度系數幾項粘接特性指標，對目前常用的幾種粘接劑進行評價。

（1）粘接特性的檢測

粘接劑的種類比較多，目前使用和試驗的粘接劑有4種：1）72312單組份環氧樹脂膠；2）6101環氧樹脂膠加氧化鋁粉添加劑；3）9026雙組份環氧樹脂膠；4）992雙組份光學結構膠。對上述各型粘接劑的熱膨脹系數、玻璃化溫度點和彈性模量進行檢測［6-7］，具體數據如表1～表3所示。

依據表3檢測數據繪制曲線，如圖3所示。

由圖3可計算出彈性模量溫度系數。72312粘接劑在80℃時，相對前面變化大些，不計入溫度系數計算。9026、992粘接劑在60℃～80℃時，相對前面變化大些，不計入溫度系數計算，由此彈性模量溫度系數計算結果如表4所示。

表1 各型粘接劑的熱膨脹系數Table 1 Thermal expansion coefficient of each type colloid （unit：10-6／℃）

表2 各型粘接劑的玻璃化溫度點Table 2 Glass temperature point of each type colloid

表3 各型粘接劑的彈性模量Table 3 Elastic modulus of each type colloid（unit： MPa）

圖3 各型粘接劑的彈性模量隨溫度變化曲線Fig.3 Temperature change curve of elastic modulus

表4 各型粘接劑彈性模量溫度系數Table 4 Elastic modulus temperature coefficient of each type colloid

（2）粘接特性評價

綜合以上各項測試數據，針對各型粘接劑的粘接特性，可以得出以下結論：

1）各型粘接劑的熱膨脹系數從小到大為：6101→72312→992→9026，6101型粘接劑的熱膨脹系數相對最小。

2）各型粘接劑的玻璃化溫度點從小到大為：9026→992→6101→72312，因此，72312粘接劑指標最佳。

3）各型粘接劑的彈性模量從小到大為：9026→992→72312→6101。彈性模量越大抵抗應力產生應變的能力就越低，結構尺寸越穩定，因此，6101粘接劑指標最佳。

4）各型粘接劑的彈性模量溫度系數從小到大為（絕對值）： 6101→992→72312→9026。 彈性模量溫度系數越小，受溫度影響結構變形就越小，有利尺寸穩定，因此，6101粘接劑指標最佳。

綜合上述結論，在加速度計0℃～80℃的工作溫度范圍內，6101型粘接劑的各項粘接特性最佳。

2.2 粘接劑對石英擺部件應力影響分析

通常粘接劑薄，粘接強度低，應力、變形就小；反之，應力、變形就大。本文以擺部件為對象，對各型粘接劑進行仿真分析，分析包括敏感檢測質量質心的變化（3個軸方向）、力矩器線圈部件軸向長度變化和電容極板變形3個方面。裝配中，粘接劑的厚度一般控制在0.02mm～0.05mm，為了方便分析，粘接劑的厚度統一設定為0.05mm。溫度在0℃～80℃變化，對敏感質量質心、力矩器線圈部件位置、應力、變形進行分析。

（1）擺部件敏感質量質心變化情況

如表5和圖4所示，敏感檢測質量質心的變化（3個軸方向）， 這會影響式 （1）、 式 （2）中的 l和b。

表5 敏感質量質心變化Table 5 Changes in the center mass of the proof mass（unit： mm）

圖4 石英擺部件質心隨溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curve of the centre mass of the quartz proof unit

（2）力矩器線圈軸向變化情況

應用ANSYS進行力矩器軸向位置變化的仿真分析，如表6和圖5所示。

表6 力矩器線圈軸向位置變化Table 6 Axial position changes of torquer coil（unit： mm）

圖5 力矩器線圈部件軸向位置隨溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve of axial position

（3）撓性梁、粘接劑處應力變化情況

粘接劑處的應力不包含粘接應力，只是由不同材料熱脹冷縮產生的變形應力，此應力也是導致撓性梁處產生應力的原因。粘接劑處的應力會影響電容極板的平面度，撓性梁處的應力會使撓性梁發生變形，因此這兩處應力越小越好，并且應該重點關注撓性梁處的應力。撓性梁、粘接劑處最大應力及變化曲線如表7和圖6所示。

表7 撓性梁、粘接劑處最大應力Table 7 Maximum stress of flexible beam and adhesive （unit： MPa）

圖6 撓性梁、粘接劑處應力隨溫度變化曲線Fig.6 Temperature change curve of stress in flexible beam and adhesive

（4）電容極板平面度變化情況

電容極板平面度是通過計算擺舌平面的最大位移值與最小位移值之間的差值得出的。因此，粘接劑處的擺舌位移總是參與電容極板平面度的計算。石英擺片電容極板平面度變化及曲線如表8和圖7所示。

表8 石英擺片電容極板平面度變化Table 8 Changes in the capacitor plate flatness of quartz swing plate （unit： mm）

圖7 石英擺片電容極板平面度隨溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curve of the capacitance plate flatness

（5）粘接劑對擺部件應力影響評價

綜合本節的各項仿真數據，可以得出以下結論：

1）各型粘接劑對擺部件質心位置的影響隨溫度變化均表現出各自發散性；

2）各型粘接劑的對力矩器線圈部件軸向位置的影響隨溫度變化趨勢非常接近，沒有明顯差異；

3）各型粘接劑對擺片撓性梁處應力的影響隨溫度變化程度小于粘接劑處的應力變化，綜合比較，6101型粘接劑對擺片撓性梁和粘接劑處產生的應力都最小，效果最佳；

4）各型粘接劑對擺片平面度的影響隨溫度變化，在40℃后的差異明顯變大，綜合比較，6101型粘接劑對擺片平面度的影響最小。

3 結論

經過對4種粘接劑的各項粘接特性測試和對擺部件應力影響的仿真分析，在0℃～80℃的加速度計工作溫度范圍內，6101型粘接劑各項粘接特性最佳，對石英擺部件的應力影響也最小。

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