雷達(dá)用匯流條粉末靜電涂覆絕緣技術(shù)

梁元軍， 王 偉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇南京 210039)

0 引言

匯流條是一種單層或多層層壓結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電連接部件,具有感抗低、抗干擾、高頻濾波效果好、可靠性高、節(jié)省空間和裝配簡(jiǎn)捷等優(yōu)點(diǎn)。采用匯流條式的結(jié)構(gòu)可以大幅減少線纜連接的數(shù)量，解決電子系統(tǒng)高密度布局的難題[1-5]。從20 世紀(jì)60 年代開始，匯流條就作為饋電線在計(jì)算機(jī)、通信以及軍用電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。目前匯流條在電力系統(tǒng)、通信基站、軍工、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、能源等領(lǐng)域均得到了重要的應(yīng)用。隨著匯流條應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，各國(guó)學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了深入研究，得到了許多有意義的結(jié)論[1]。其中的一個(gè)重要方面就是匯流條的絕緣技術(shù)研究。在電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、能源等領(lǐng)域常用硅橡膠絕緣材料，如硅膠塞、膠黏劑、套管(MPG) 、包覆帶(FJRD)、灌封和防護(hù)盒等進(jìn)行絕緣防護(hù)[6-7]。在上述各領(lǐng)域其匯流條結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、集成度較低和溫升較小。而隨著雷達(dá)高集成度、輕量化的發(fā)展需求，對(duì)匯流條的設(shè)計(jì)提出了更高要求，使其具有高密度、小型化、大電流和高溫升的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)匯流條的絕緣也提出更高要求。上述的絕緣方法已不滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)、耐高溫和高可靠性等要求，急需研究?jī)?yōu)化適合雷達(dá)用匯流條高可靠絕緣的方法。

1 雷達(dá)用匯流條特點(diǎn)和絕緣要求

雷達(dá)用新型匯流條結(jié)構(gòu)(見圖1)與民用行業(yè)匯流條結(jié)構(gòu)(見圖2)相比，其具有疊層層數(shù)多、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、絕緣可靠性要求高的特點(diǎn)；同時(shí)由于高集成度、輕量化、小型化的需求，使得匯流條的負(fù)載電流更高，溫升更大，要求匯流條能在150℃下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。這些需求對(duì)匯流條的絕緣提出了更高要求。在雷達(dá)行業(yè)一般采取環(huán)氧板間隔、高分子材料薄膜層壓、絕緣套間隔、浸涂絕緣漆和常規(guī)靜電噴涂粉末涂料等方式絕緣，表1為匯流條的常見絕緣方式。綜合各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，較適宜在雷達(dá)新型匯流條中的絕緣方式為常規(guī)靜電噴涂粉末涂料。但其涂層厚度較薄，邊角覆蓋性不佳，影響匯流條的整體耐壓強(qiáng)度，需對(duì)靜電涂覆技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 雷達(dá)用新型匯流條結(jié)構(gòu)形式(疊層和單根)

圖2 民用行業(yè)匯流條結(jié)構(gòu)形式

表1 匯流條常見絕緣方式

根據(jù)新型匯流條的結(jié)構(gòu)和功能性要求，在實(shí)施絕緣過程中，需考慮的主要因素如下：

首先，雷達(dá)用匯流條結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其接頭和連接孔等處需進(jìn)行電連接，不得涂覆絕緣層。故在絕緣層涂覆時(shí)需進(jìn)行遮蔽處理，而其連接孔直徑從 2～10 mm不等，遮蔽保護(hù)工作量大。且粉末靜電涂覆需在180～200℃固化10～25 min，對(duì)遮蔽物的耐溫性提出了較高要求。故需合理設(shè)置加工工序以避免大量繁復(fù)的遮蔽保護(hù)工作。

其次，為控制匯流條的電壓降，需控制局部接觸電阻，或?yàn)楸ＷC電連接處的可焊性，均需對(duì)匯流條進(jìn)行電鍍表面處理。為此，需合理安排電鍍工序，以保證絕緣涂層的外觀和附著強(qiáng)度或選擇耐液體介質(zhì)優(yōu)異的絕緣涂層。

其三，因匯流條需進(jìn)行疊裝，對(duì)涂層的邊角覆蓋性和涂層厚度的均勻性要求較高。故需合理設(shè)置涂層厚度和施工工藝。

2 粉末靜電涂覆絕緣技術(shù)

2.1 絕緣樹脂粉末的優(yōu)選

為確定適宜匯流條使用的粉末涂料，根據(jù)耐高溫性要求，從環(huán)氧樹脂粉末涂料、環(huán)氧-聚酯粉末涂料和聚酯粉末涂料中選擇了耐溫性較好的聚酯粉末涂料。根據(jù)聚酯粉末涂料不同的固化體系，選擇了綜合性能較好的異氰尿酸三縮水甘油酯(TGIC)固化的涂料和羥烷基酰胺(HAA)固化的涂料，即聚酯-TGIC型和聚酯-HAA型。在優(yōu)選試驗(yàn)中選用規(guī)格為1 mm×100 mm×100 mm的H62銅板為試驗(yàn)件，按廠商推薦的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂。然后將試驗(yàn)件在150℃連續(xù)進(jìn)行240 h的高溫試驗(yàn)，以優(yōu)選耐高溫的絕緣樹脂粉末。

試驗(yàn)結(jié)果為聚酯-TGIC型粉末涂層外觀完好，無變色現(xiàn)象；聚酯-HAA型粉末涂層在高溫試驗(yàn)后有變色現(xiàn)象，說明其長(zhǎng)期耐高溫老化性能不足。其原因是HAA中本身含有容易變色的氮元素以及其生產(chǎn)過程中殘留有含氮物質(zhì)，在高溫情況下會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成生色基團(tuán)導(dǎo)致其變色[8]。聚酯-TGIC型粉末涂層經(jīng)高溫試驗(yàn)后滿足要求，可作為雷達(dá)用匯流條的高可靠絕緣防護(hù)材料進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.2 絕緣涂層涂覆前處理技術(shù)

為保證涂層的結(jié)合力，對(duì)比試驗(yàn)了不同前處理方法對(duì)涂層附著力的影響。采用1 mm×100 mm×100 mm的H62銅板噴涂絕緣樹脂粉末后，按照“GB/T5210色漆和清漆拉開法附著力試驗(yàn)”進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表2、圖3、圖4和圖5。

表2 不同前處理方法對(duì)涂層附著力的影響

圖3 附著力與前處理方法關(guān)系圖

圖4 附著力與水膜破裂時(shí)間關(guān)系圖

圖5 附著力與表面粗糙度關(guān)系圖

由試驗(yàn)結(jié)果可見，附著力與前處理后水膜破裂時(shí)間成正相關(guān)關(guān)系。溶劑清洗的水膜破裂時(shí)間較短，是因?yàn)槿軇┲泻瑯O少量的高分子溶劑，不易揮發(fā)所致。而堿洗主要基于皂化反應(yīng)和溶解、乳化、分散作用，再輔以表面活性劑等助劑的潤(rùn)濕、滲透、乳化、加溶、分散等性能，能有效地去除油污，增加水膜破裂時(shí)間[9]。在水膜破裂時(shí)間一定的情況下，表面粗糙度越大，附著力越大。這是因?yàn)楸砻娲植诙仍酱螅苛险掣降谋砻娣e越大，附著力增加。為適應(yīng)雷達(dá)用匯流條高可靠性的要求，選用對(duì)水膜破裂時(shí)間和表面粗糙度均有顯著增強(qiáng)的堿洗噴砂法進(jìn)行正式生產(chǎn)。

2.3 優(yōu)化絕緣涂層靜電涂覆技術(shù)

為保證絕緣樹脂粉末絕緣涂層的邊角覆蓋性，從而保證匯流條的整體耐壓強(qiáng)度，同時(shí)考慮匯流條的疊裝要求，需選擇適宜的絕緣厚涂層。但在靜電粉末噴涂中，要完成這種厚涂層的噴涂很難實(shí)現(xiàn)。一方面帶負(fù)電荷的粉末在靜電場(chǎng)的作用下, 沿電力線方向均勻地吸附在帶正電荷的工件表面, 同時(shí)隨著粉末聚集厚度的增加, 工件表面粉末負(fù)電荷數(shù)量的積累, 又形成了新的電場(chǎng)。該電場(chǎng)大于工件正電場(chǎng)對(duì)粉末的吸引力而排斥不斷飛來的粉末, 使涂層厚度受到影響。故在常規(guī)噴涂中一般只能形成50～100 μm厚度左右的涂層[10]。為此，需改進(jìn)靜電噴涂工藝。

在厚涂層的成型中，通常采用熱浸涂流化床的工藝。將工件先預(yù)熱再浸涂，很容易實(shí)現(xiàn)厚涂層的粉末涂覆。但熱浸涂流化床工藝形成的涂層均勻性差，外觀裝飾性不佳。為此，可結(jié)合熱浸涂流化床工藝和靜電噴涂工藝的優(yōu)點(diǎn)，在靜電噴涂時(shí)，先將匯流條進(jìn)行預(yù)熱，工件表面涂層受熱后阻值減小, 被中和的粉末負(fù)電荷數(shù)量多, 實(shí)施靜電噴涂后, 吸附和沾附在工件表面上的粉末厚度就能夠得到有效增加，同時(shí)保證涂層的均勻性和外觀裝飾性。

在可能影響涂層厚度的各因素中，除預(yù)熱溫度外，還有靜電噴涂的各參數(shù)，如靜電高壓、供粉壓力、霧化壓力和噴射距離等。

為確定各因素對(duì)涂層厚度的影響，進(jìn)行3因素2水平的正交試驗(yàn)。試驗(yàn)指標(biāo)為涂層厚度；試驗(yàn)因子選擇可能對(duì)涂層厚度影響較大的預(yù)熱溫度、靜電高壓和供粉壓力。其他因子如霧化壓力和噴射距離可能對(duì)涂層厚度的影響不顯著。因?yàn)殪F化壓力主要決定粉末的霧化均勻度，適當(dāng)增大霧化壓力能夠保持粉末涂層的厚度均勻，但過高會(huì)使送粉部件快速磨損；適當(dāng)降低霧化壓力能夠提高粉末的覆蓋能力，但過低容易使送粉部件堵塞。噴射距離對(duì)粉末的上漆效率影響較大，距離過近容易產(chǎn)生放電，擊穿粉末涂層；過遠(yuǎn)會(huì)增加粉末用量和降低生產(chǎn)效率。故試驗(yàn)中將其他工藝參數(shù)進(jìn)行固定。具體為霧化壓力：0.4 MPa；噴射距離：250 mm；匯流條厚度：4 mm；固化溫度：180℃；固化時(shí)間：20 min。各因子的水平、組合和試驗(yàn)結(jié)果見表3、圖6、圖7和圖8。

表3 正交試驗(yàn)表

圖6 涂層厚度與預(yù)熱溫度關(guān)系圖

圖7 涂層厚度與靜電高壓關(guān)系圖

圖8 涂層厚度與供粉壓力關(guān)系圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，工件預(yù)熱溫度對(duì)涂層厚度的影響最顯著，溫度越高厚度越厚；靜電高壓的影響較高，電壓越高涂層越厚；供粉壓力的影響最小。根據(jù)Minitab軟件量化分析結(jié)果(見表4和表5)，預(yù)熱溫度和靜電高壓對(duì)厚度的貢獻(xiàn)率為78.34%，回歸方程為

δ=-1 228.75+7.575T+3.237 5V

(1)

式中：δ為涂層厚度，μm；T為預(yù)熱溫度，℃；V為靜電高壓，kV。

表4 擬合因子：涂層厚度與預(yù)熱溫度、靜電高壓

表5 涂層厚度的系數(shù)估計(jì)

2)R-Sq為貢獻(xiàn)率，用于判斷因素對(duì)結(jié)果的影響大小。

2.4 匯流條加工工藝流程優(yōu)化

匯流條的加工工序一般包括機(jī)械加工、靜電涂覆和電鍍等工序，而靜電涂覆包括堿洗、遮蔽保護(hù)、噴砂、預(yù)熱、靜電涂覆、固化等工序。

為避免連接孔大量繁復(fù)的遮蔽保護(hù)工作，采用在機(jī)加工工序中將不涂覆的孔預(yù)留加工余量，靜電涂覆后將預(yù)留余量的孔擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)以上分析，靜電涂覆部位需進(jìn)行噴砂前處理，且涂覆后需高溫固化和機(jī)加工擴(kuò)孔。故非涂覆部位的電鍍應(yīng)安排在靜電涂覆、機(jī)械加工擴(kuò)孔后進(jìn)行，以保證電鍍層的外觀和完整性。

據(jù)此確定匯流條加工工序：機(jī)械加工→堿洗→遮蔽保護(hù)→噴砂→預(yù)熱→靜電涂覆→固化→機(jī)械加工→電鍍。

2.5 匯流條絕緣涂層性能測(cè)試

性能測(cè)試試驗(yàn)中，選用規(guī)格為1 mm×100 mm×100 mm的H62銅板和圖1樣式的單根匯流條作為試驗(yàn)件，按上述試驗(yàn)確定的絕緣涂層材料、靜電噴涂工藝參數(shù)和匯流條加工工藝流程進(jìn)行加工。加工完畢后按相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行考核，試驗(yàn)方法和測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 絕緣涂層性能測(cè)試結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，選定的聚酯-TGIC型粉末涂層經(jīng)各種性能測(cè)試后，均滿足要求，可作為雷達(dá)用匯流條的高可靠絕緣防護(hù)材料。

3 絕緣涂層匯流條應(yīng)用情況

采用改進(jìn)涂層工藝后的匯流條，已在多型產(chǎn)品中應(yīng)用。相比其他工藝制造的匯流條，具有如下特點(diǎn)：

1) 優(yōu)異的絕緣性能。由于表面絕緣層為完整包覆且附著優(yōu)良的厚涂層，即使有小動(dòng)物、粉塵和潮氣進(jìn)入，也不會(huì)造成絕緣失效。特別是對(duì)于疊層匯流條，在減小外形尺寸的同時(shí)也具有優(yōu)異的絕緣性能。

2) 增強(qiáng)了匯流條的耐腐蝕性。沿海地區(qū)的鹽霧及濕熱對(duì)金屬有很強(qiáng)的腐蝕作用，厚的粉末涂層具有極好的耐腐蝕性和耐酸堿性，有效地解決了匯流條的腐蝕問題。

3) 提升了匯流條的可靠性。由于匯流條包覆完整且絕緣性能優(yōu)異，增加了爬電距離，有效降低了污閃、凝露閃絡(luò)等故障，能保證在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，提升了匯流條的可靠性。

4 結(jié)束語

本文通過分析雷達(dá)用匯流條的特點(diǎn)和絕緣要求，提出了采用靜電涂覆絕緣樹脂粉末的方法實(shí)現(xiàn)匯流條的絕緣，并通過絕緣樹脂粉末的優(yōu)選、改進(jìn)靜電噴涂工藝和優(yōu)化匯流條加工工藝流程等方法實(shí)現(xiàn)了匯流條的批量生產(chǎn)。

為適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)用匯流條更高集成度、更輕量化的要求，后續(xù)工作需進(jìn)一步提高匯流條絕緣層的可靠性和耐高溫性能。