新型復(fù)合導(dǎo)電墊片的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能研究

王 璐，王櫻霖，張永力，韓繼先，侯錦秋，姜睿智

(1.沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110144；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第三軍代表室，遼寧 沈陽 110144)

隨著電子設(shè)備的快速發(fā)展，戶外電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在惡劣環(huán)境中使用的戶外電子設(shè)備，對設(shè)備結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性有很高的要求。采用密封結(jié)構(gòu)形式可以有效地降低電磁干擾，防止水、潮氣、鹽霧等進入設(shè)備內(nèi)部影響設(shè)備正常工作，提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性[1]。

長期以來，電子設(shè)備的密封主要采用墊片密封的形式來實現(xiàn)，且墊片的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為關(guān)鍵。導(dǎo)電橡膠作為密封電子設(shè)備常用的墊片，滿足設(shè)備密封性和電磁屏蔽性。目前，市場上的導(dǎo)電橡膠墊片多以純導(dǎo)電橡膠為主，雖然具有較好的屏蔽效能，但對于沿海環(huán)境，潮濕水汽形成的鹽溶液會附著在電磁屏蔽橡膠和電子設(shè)備表面，導(dǎo)致純導(dǎo)電橡膠局部容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕[2-3]。而且電化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致電磁屏蔽界面的合金基體被腐蝕，進而造成電子設(shè)備的電磁屏蔽和環(huán)境密封失效，嚴重影響設(shè)備的“三防”性能和電磁兼容性能，設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性顯著降低[4]。

新型復(fù)合導(dǎo)電墊片能彌補傳統(tǒng)導(dǎo)電橡膠墊片存在的缺點。目前國內(nèi)雖已有關(guān)于復(fù)合導(dǎo)電膠條制備方面的文獻報道[5-7]，但關(guān)于復(fù)合導(dǎo)電墊片的制備及性能研究鮮有報道。該新型復(fù)合導(dǎo)電墊片由導(dǎo)電部分和非導(dǎo)電部分組成，其中非導(dǎo)電部分的主要功能是水汽密封，導(dǎo)電部分的主要功能是電磁屏蔽。因此其既具有電磁屏蔽效能，又具有較好環(huán)境適應(yīng)性，可以廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，尤其適宜于在沿海、潮濕等惡劣環(huán)境中工作的電子設(shè)備的密封。

1 復(fù)合導(dǎo)電墊片密封原理

復(fù)合導(dǎo)電墊片由導(dǎo)電部分和非導(dǎo)電部分組成，其中非導(dǎo)電部分選用熱硫化硅橡膠，并將其置于外側(cè)，主要功能是起水汽密封作用。導(dǎo)電部分選用導(dǎo)電硅橡膠，主要功能是實現(xiàn)電磁屏蔽作用，其中導(dǎo)電硅橡膠中導(dǎo)電粒子可視情選用，本文采用的是鋁鍍銀。復(fù)合導(dǎo)電墊片的密封原理如圖1所示。首先外側(cè)的硅橡膠實現(xiàn)了水汽密封，電子設(shè)備內(nèi)部不易受到外部環(huán)境的影響而保持相對較低的濕度，使得內(nèi)側(cè)的導(dǎo)電橡膠與裝配面之間不會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，可有效杜絕應(yīng)用導(dǎo)電墊片而普遍存在的電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，從而使得電子設(shè)備抗惡劣氣候環(huán)境和電磁環(huán)境的適應(yīng)能力得到有效保證。

在復(fù)合導(dǎo)電墊片中，其相對變相量(即壓縮率ε)是控制其實現(xiàn)水汽密封的關(guān)鍵。其壓縮率為：

(1)

式中，A1為復(fù)合導(dǎo)電墊片未受壓時的高度；A2為復(fù)合導(dǎo)電墊片受壓后的高度。

由于硅橡膠具有組織致密、質(zhì)地柔軟、回復(fù)性好等特點，在復(fù)合導(dǎo)電墊片中主要起到水汽密封作用，因此對于硅橡膠壓縮率的控制尤為重要。當(dāng)硅橡膠的壓縮率ε=10%時，橡膠墊與裝配面的縫隙小至0.01 mm，會存在微小的密封縫隙，水分子可在壓差的作用下仍能滲透進入；當(dāng)ε=20%～30%時，由于密封件的彈性及變形作用，密封硅橡膠會產(chǎn)生反彈力，水分子不能滲透，從而形成密封；當(dāng)ε>30%時，密封質(zhì)量改善不大，反而會由于疲勞而加速硅橡膠的損壞及老化，從而影響密封效果[8]。因此，對于復(fù)合導(dǎo)電墊片中的硅橡膠，其壓縮量取20%～30%為宜。

導(dǎo)電橡膠由于在硅橡膠中填充了金屬顆粒，其硬度高于硅橡膠，使用時其壓縮率要小于硅橡膠，一般取5%～15%為宜。

考慮到二者壓縮率的差異，本文復(fù)合導(dǎo)電墊片中硅橡膠的厚度為1.2 mm，導(dǎo)電橡膠的厚度為1 mm，且置于硅橡膠內(nèi)側(cè)的中間位置。在安裝時，使復(fù)合導(dǎo)電墊片的厚度壓縮至0.85 mm，確保復(fù)合導(dǎo)電墊片上下面保持水平，且緊貼裝配面，使水分子無法滲透，從而起到很好的電磁屏蔽及環(huán)境密封作用。

2 試驗

2.1 復(fù)合導(dǎo)電墊片的制備

復(fù)合導(dǎo)電墊片的制備工藝路線如圖2所示，首先沖壓出導(dǎo)電墊圈，再在導(dǎo)電墊圈的外圓處涂覆一層熱硫化膠粘劑，然后在室溫下放置20～30 min，待完全干燥后，再把導(dǎo)電墊圈放入模具中央，以熱硫化的方式將其與硅橡膠復(fù)合在一起，制備完成的復(fù)合導(dǎo)電墊片如圖3所示。其中非導(dǎo)電部分的硅橡膠四角處分別有一個固定安裝孔，通過螺栓可與裝配面之間固接。

2.2 試驗方法

2.2.1 耐鹽霧試驗

電化學(xué)腐蝕是導(dǎo)電橡膠失效的重要原因之一，兩金屬間發(fā)生電化學(xué)腐蝕的必要條件如下：1)必須存在足夠的電位差；2)2種金屬相互接觸；3)金屬之間存在電解液[9]。

鹽霧腐蝕是一種常見且最具有破壞性的大氣腐蝕，鹽霧是指氯化鈉的大氣，它的主要腐蝕成分是海洋中的氯化物鹽氯化鈉，主要來源于海洋和內(nèi)地鹽堿地區(qū)。

為了研究復(fù)合導(dǎo)電墊片的耐鹽霧性能，模擬復(fù)合導(dǎo)電墊片在鹽霧條件下與安裝面板接觸時發(fā)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，制備如下試驗件：由聚四氟乙烯制作的上下絕緣塊，由不銹鋼制作的螺釘螺母，表面鍍覆軍綠鎘的鋁合金安裝板。為防止鹽霧試驗時鹽水從螺釘螺母中進入，兩端用橡膠墊進行密封，試驗件如圖4所示。將試驗件放置在符合標(biāo)準(zhǔn)GJB 150.11A—2009規(guī)定的鹽霧環(huán)境中進行500 h的鹽霧試驗，要求NaCl濃度(質(zhì)量分數(shù))為5%，pH值為6.5～7.2，連續(xù)噴霧24 h后，在15～35 ℃、相對濕度50%的條件下干燥24 h，每隔48 h觀察金屬鍍層和復(fù)合導(dǎo)電墊片是否發(fā)生腐蝕。

2.2.2 接觸電阻試驗

為測量復(fù)合導(dǎo)電墊片的接觸電阻，將復(fù)合導(dǎo)電墊片放置于殼體與安裝面板之間，并用螺釘螺母進行緊固，其中殼體、安裝面板及螺釘螺母均選用不銹鋼06Cr19Ni10。為保證復(fù)合導(dǎo)電墊片與殼體和安裝面板完全貼合，實現(xiàn)良好的導(dǎo)通并將因壓縮量造成的誤差降至最低，通過緊固4個螺釘，并用游標(biāo)卡尺測量復(fù)合導(dǎo)電墊片的厚度，使其厚度壓縮至0.85 mm。使用微歐計測量面板上1點位置與殼體尾部端面之間的接觸電阻(見圖5)。分別對模壓前的導(dǎo)電墊片、模壓后的復(fù)合導(dǎo)電墊片和鹽霧試驗后復(fù)合導(dǎo)電墊片的接觸電阻進行測量，對比分析模壓制備及鹽霧試驗對其電性能是否產(chǎn)生影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 耐電化學(xué)腐蝕性能

由于鹽霧環(huán)境中含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。同時，氯離子有一定的水合能力，易被吸附在金屬表面的間隙、裂縫中，取代氧化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活性表面，從而使得金屬表面發(fā)生腐蝕[10]。通過觀察接觸面的光潔度變化，可以直觀地發(fā)現(xiàn)電化學(xué)腐蝕情況。圖6所示為鋁合金鍍軍綠鎘和復(fù)合導(dǎo)電墊片的鹽霧試驗前后表面腐蝕情況對比圖，由圖6可知，經(jīng)過500 h鹽霧試驗后，軍綠鎘鍍層和復(fù)合導(dǎo)電墊片的表面均未出現(xiàn)腐蝕、麻點、龜裂、起泡、剝落等現(xiàn)象，表明復(fù)合導(dǎo)電墊片具有優(yōu)異的環(huán)境密封性和耐電化學(xué)腐蝕性。

3.2 電性能

為了對比復(fù)合導(dǎo)電墊片模壓前后及鹽霧試驗前后的接觸電阻是否發(fā)生變化，分別對其接觸電阻進行檢測，檢測結(jié)果見表1。由表1可知，模壓前后及鹽霧試驗前后，復(fù)合導(dǎo)電墊片的接觸電阻無明顯變化，說明經(jīng)模壓制備及鹽霧試驗后，對其電性能無影響，表明該復(fù)合導(dǎo)電墊片具有優(yōu)異的電性能和耐電化學(xué)腐蝕能力。

表1 接觸電阻檢測結(jié)果

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)采用模壓的方式制備出一種新型復(fù)合導(dǎo)電墊片，該復(fù)合導(dǎo)電墊片可耐鹽霧500 h，且經(jīng)模壓制備及鹽霧試驗后，其接觸電阻幾乎保持不變，表明復(fù)合導(dǎo)電墊片在保證屏蔽性能的同時具備優(yōu)異的耐電化學(xué)腐蝕性能。

2)由硅橡膠和導(dǎo)電橡膠集成復(fù)合形式的“復(fù)合導(dǎo)電墊片”也可根據(jù)實際需要設(shè)計為多種形狀，如矩形、圓形等。

3)由于復(fù)合導(dǎo)電墊片中大部分材料為非導(dǎo)電的硅橡膠，所以在實現(xiàn)密封屏蔽效能的同時也降低了制作成本，可推廣應(yīng)用于惡劣環(huán)境中工作的電子產(chǎn)品上。