納米SiO2對E-51環氧膠黏劑粘固直插鉭電容的界面應力影響研究

周鵬偉，顏志毅，劉濤，王珂，吳彥妮，張家霖

（上海空間電源研究所，上海 200245）

前言

由于具有粘接通用性好，粘接強度高等優點，環氧膠黏劑被廣泛應用在航天、航空等工業領域以及日常生活中，具有“萬能膠”之稱[1,2]。QJ 3215-2005[3]中5.1.2章節中表明“軸向引線元器件每根引線承重大于7 g，徑向引線元器件每根引線承重大于3.5 g，且設計文件中沒有規定其他固定方式的元器件”，需要使用膠黏劑進行粘固。在諸多航天產品研制過程中，為了加強產品中大質量、大體積的元器件在力學環境下的適應能力，提高產品的可靠性，常用E-51環氧膠黏劑進行對元器件和緊固件進行粘固，利用膠黏劑與基體材料之間界面通過機械咬合、靜電吸附以及化學鍵和等形式，使得兩種材料界面能夠強力持久地粘接。雖然以基料+固化劑雙組份為反應成分的E-51環氧膠黏劑配置操作簡單，但是該膠黏劑呈現一般呈現硬脆、內應力大等特性，斷裂能和斷裂韌性低，不耐沖擊和熱沖擊。因此，為了提高E-51環氧膠黏劑的界面粘接性能以及材料韌性，不少研究者們提出可以通過向E-51體系中添加納米顆粒作為強化相實現增韌改性[2,4-6]。其中，納米SiO2顆粒則是最常用的改性填料[1,7-9]，其分子結構中含有大量不同鍵合狀態的羥基和不飽和的殘鍵，其分子結構呈三維鏈狀結構。這種結構可以與樹脂相應基團發生鍵合作用，從而能夠大大改善材料的強度和硬度；并且顆粒由于自身尺寸小，當采用合適的方式與樹脂復合時，其具有較高的流動性，將分布在高分子鍵的空隙之中，可使納米粒子/樹脂復合材料的韌性、強度、延展性均得到大幅提高。此外，航天產品在發射之前需要經過熱環境試驗的驗證，由于環氧膠黏劑、元器件、印制板等材料之間的熱膨脹系數的差異，導致在溫變環境中材料形變差異，從而形成的熱應力是導致膠黏劑失效的主要原因。此外，熱應力的產生還與環氧膠黏劑粘固元器件高度密切相關[10]。目前，QJ 3215-2005[3]中明確“直插元器件的環氧膠粘固高度應為1/4～1/2倍元器件本體高度”，但未見相關研究對元器件的點膠高度進行分析討論，同時納米SiO2顆粒改性后環氧膠黏劑粘固元器件的應力狀態同樣鮮見報道。

本研究工作通過向E-51環氧體系添加納米SiO2顆粒，研究添加納米SiO2顆粒對E-51環氧膠黏劑的界面粘接性能的影響，然后對改性前后E-51環氧膠黏劑的物性參數進行檢測分析，最后以直插鉭電容為研究對象，通過ANSYS仿真模擬不同點膠高度以及添加納米SiO2顆粒對E-51環氧膠黏劑粘固鉭電容在高低溫環境中的應力分布影響。

1 試驗準備

1.1 E-51復合環氧膠黏劑的配置

1）填料烘烤：為了減少顆粒表面吸附的水分和氣體，添加前對納米SiO2進行烘烤，烘烤溫度（100～300）℃，時間1 h，然后隨爐冷卻到室溫。

2）稱量：稱取基料15 g，固化劑12 g，按照質量配比，稱取偶聯劑1.0 wt %，納米SiO215 wt %。

3）物料混合：用玻璃攪拌棒將稱取的基料、固化劑、偶聯劑、納米SiO2倒入一次性杯子中進行混合攪拌。

4）在有效時間120 min內備用，制備試件。

1.2 環氧膠黏劑界面粘接性能測試

按照GB/T 7124中要求制備膠黏劑界面粘接性能測試試件，兩片金屬片為一組，尺寸為100×25×2 mm，金屬片材料選用高強鋁合金。拉伸速率5±1 mm/min。

1.3 高低溫循環試驗條件

①溫度范圍：（-40～80）℃；

②變溫率（箱內空氣溫度變化的平均速率）：5～10 ℃ /min；

③一個循環周期：4 h，其中高溫停留1.5 h、低溫停留2 h；

④循環次數：12.5次循環

⑤允差：低溫（0～-4）℃、高溫（0～+4）℃

1.4 模擬準備

印制板材料參數、元器件本體材料參數、引腳材料參數咨詢廠家或查詢相關文獻獲得，如表1所示。

表1 材料的物性參數

2 結果分析與討論

2.1 納米SiO2對E-51環氧膠黏劑粘接性能的影響

從圖1中可以看出，添加的SiO2顆粒的尺寸在100 nm以內。從EDS面分布掃描圖（圖2）中可以看出，添加后SiO2顆粒在E-51環氧膠黏劑體系中均勻分散，無明顯團聚出現。通過粘接性能測試可知（見圖3），原始E-51環氧膠黏劑的初始粘接強度約為11.4 MPa，位移量小于1 mm。相較于原來E-51環氧膠黏劑，添加15 wt %納米SiO2界面粘接強度達到22 MPa，位移量為2.24 mm，由此可見，納米SiO2在環氧樹脂本體中起到明顯增強增韌作用，這與文獻[7,8]報道結果相一致。

圖1 納米SiO2的SEM照片及相應的EDS數據

圖2 添加15 wt %納米SiO2改性后環氧膠黏劑的EDS Mapping圖片

圖3 原始E-51和添加納米SiO2后復合E-51環氧膠黏劑界面粘接性能對比

2.2 改性前后環氧膠黏劑粘固元器件在高低溫循環下的應力分布模擬

表2所示的納米SiO2顆粒改性前后E-51環氧膠黏劑的物性參數檢測結果匯總表。首先從表中可以看出，相較于改性前E-51環氧膠黏劑，改性后復合E-51環氧膠黏劑不僅玻璃化轉變溫度提高了近8 ℃，而且熱膨脹系數（玻璃化轉變溫度以內）也降低了，理論上這將顯然有助于降低高低溫環境過程中的熱應力，從而改善膠黏劑的適應能力。

表2 環氧樹脂物性參數檢測結果匯總表

圖4所示的不同點膠高度下環氧膠黏劑粘固直插鉭電容的仿真模型。圖5所示的在點膠高度為1/4元器件本體高度時不同環氧膠黏劑在高低溫環境中粘固直插鉭電容的應力分布。首先從直插鉭電容在高低溫環境中的應力分布圖（見圖5）中可以看出膠黏劑的最大應力主要分布在與印制板的粘接界面，這與產品中常見的質量問題狀態相吻合。表3列出了不同點膠高度下兩種環氧膠黏劑粘固直插鉭電容在高低溫環境中的最大應力值及分布位置。從表3中可以看出，隨著點膠高度從1/4倍器件本體增加到1/2倍器件本體，膠黏劑本體應力變化不大；但是繼續增加至1倍器件本體時，膠黏劑本體應力增大8～9 %，即1倍器件本體點膠高度情況下環氧膠黏劑可靠性存在下降的可能性。由此可見，環氧膠黏劑粘固鉭電容的點膠高度合適范圍可以確認為1/4倍～1/2倍器件本體，這與QJ 3215標準規范中的粘固要求相吻合。

圖4 不同點膠高度下環氧膠黏劑粘固直插鉭電容的仿真模型

圖5 點膠高度為1/4倍器件本體環氧膠黏劑粘固鉭電容在高低溫環境下應力分布模擬

此外，相較于改性前E-51環氧膠黏劑點膠加固鉭電容情況，添加了SiO2納米顆粒的復合E-51環氧膠黏劑可以改善應力分布，使得膠黏劑本體及與印制板的界面應力整體降低10 %左右，從而提高環氧膠黏劑與印制板界面的粘接可靠性。

3 結論

本研究工作針對E-51環氧膠黏劑為主要研究對象，通過添加15 wt%納米SiO2顆粒實現E-51膠黏劑界面粘接性能顯著增強，可將界面粘接性能提升75 %以上，并且有效提高E-51環氧膠黏劑的玻璃化轉變溫度，降低其熱膨脹系數。通過ANSYS仿真軟件對改性前后環氧粘固直插鉭電容在不同點膠高度條件下在高低溫環境下的應力分布狀態，分析確認直插鉭電容的最佳點膠高度為1/4～1/2倍元器件高度，并且納米SiO2顆粒改性后的E-51環氧膠黏劑能夠有效緩解界面最大應力，降低約10 %，由此可見，改性后環氧膠黏劑可以有效提高產品在力、熱環境中的可靠性。