某電子設(shè)備的天線罩和涂層熱膨脹匹配研究

陳正江，黃 巍，楊 偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

某電子設(shè)備的天線罩和涂層熱膨脹匹配研究

陳正江，黃 巍，楊 偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

為了提高某電子設(shè)備的天線罩在高溫環(huán)境下工作的可靠性，確保涂層不脫落，文中結(jié)合工程實(shí)際，利用ANSYS建立參數(shù)化有限元模型，對(duì)天線罩及表面涂層進(jìn)行瞬態(tài)分析及熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到天線罩溫度與時(shí)間的關(guān)系及涂層粘接面剪切應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)涂層發(fā)生脫落時(shí)的最大剪切應(yīng)力對(duì)涂層的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化編程計(jì)算，確定了涂層的熱膨脹系數(shù)范圍，為選擇匹配的天線罩涂層提供了理論依據(jù)，保證涂層在一定溫度與一定時(shí)間內(nèi)不開(kāi)裂脫落。

天線罩；涂層；ANSYS；熱膨脹；匹配

引 言

長(zhǎng)時(shí)間處于高溫工作環(huán)境下的電子設(shè)備作為技術(shù)含量極高的工業(yè)產(chǎn)品，對(duì)耐高溫涂層的性能指標(biāo)和質(zhì)量的要求日趨嚴(yán)格，而涂層質(zhì)量的優(yōu)劣除了體現(xiàn)在其自身產(chǎn)品質(zhì)量的好壞之外，還體現(xiàn)在其與基體材料相結(jié)合、相匹配的程度上。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在涂層與此類設(shè)備之間的結(jié)合機(jī)理、熱應(yīng)力變化、新型涂層材料等方面進(jìn)行了研究，以提高涂層與設(shè)備的結(jié)合性能[1-3]。但是目前在涂層與設(shè)備相互匹配性方面的研究較少，而電子設(shè)備的天線罩表面涂層對(duì)天線的透波能力和隔熱能力有直接影響。在高溫環(huán)境下工作時(shí)，天線罩和涂層會(huì)同時(shí)受到熱輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流等作用而發(fā)生熱膨脹。當(dāng)涂層與天線罩結(jié)合界面的剪切應(yīng)力超過(guò)粘接強(qiáng)度時(shí)，涂層可能開(kāi)裂甚至脫落，造成天線罩失去涂層保護(hù)，使設(shè)備工作不正常、不可靠。本文研究的主要目的在于找出涂層與天線罩之間的熱匹配數(shù)據(jù)，從而確定安全條件下的涂層熱膨脹系數(shù)范圍，保證設(shè)備能夠可靠工作。

1 分析基礎(chǔ)及失效評(píng)定準(zhǔn)則

1.1 分析基礎(chǔ)

本文主要針對(duì)天線罩溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，確定涂層熱膨脹系數(shù)合理范圍。其中熱分析分為穩(wěn)態(tài)熱分析及瞬態(tài)熱分析。穩(wěn)態(tài)熱分析的溫度向量{T}通過(guò)下面的矩陣方程解得：

K(T)·T=Q(T)

(1)

式中：K傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；T為節(jié)點(diǎn)溫度向量；Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量。

瞬態(tài)傳熱過(guò)程指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過(guò)程，其中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯的變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為：

(2)

1.2 失效評(píng)定準(zhǔn)則

通過(guò)熱應(yīng)力耦合仿真得到零件與涂層之間的粘接面剪切應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，以此來(lái)判斷整個(gè)過(guò)程中是否會(huì)達(dá)到極限粘接強(qiáng)度。當(dāng)超過(guò)極限粘接強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生涂層脫落的現(xiàn)象，判定為涂層失效。

2 結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 幾何模型

設(shè)備由石英陶瓷天線罩和隔熱表面涂層組成，涂層依靠自身粘合力附著在陶瓷材料上表面。天線罩圓盤底部直徑為120 mm，半球形球面頂部直徑為100 mm，罩體平均厚度為8 mm，涂層厚度約為3 mm。為實(shí)現(xiàn)涂層的熱膨脹系數(shù)等值的參數(shù)化，利用ANSYS DesignModeler模塊建立三維模型。實(shí)際中涂層未脫離時(shí)與天線罩之間不存在相對(duì)位移，可以認(rèn)為兩者固聯(lián)且無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，因此在ANSYS中對(duì)涂層與石英陶瓷之間采用綁定(bond)接觸，兩者之間不會(huì)產(chǎn)生分離。同時(shí)為了得到受熱膨脹后的剪切應(yīng)力，接觸方程采用拉格朗日方程，非對(duì)稱接觸。在接觸面與目標(biāo)面的選取上，將材料偏軟的零件設(shè)置為接觸面較為合適，因此選擇涂層一側(cè)的界面為接觸面，最終接觸的結(jié)果也將在這一側(cè)顯示，如圖1所示。

圖1 天線罩模型

2.2 材料數(shù)據(jù)

天線罩基體材料為石英陶瓷，表面涂層為具有隔熱性能的非金屬材料，常溫下石英陶瓷和涂層材料特性見(jiàn)表1，在ANSYS中通過(guò)直接定義方式添加新材料并設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)。

表1 材料特性表

3 有限元熱仿真計(jì)算

本文研究中熱分析單元采用SOLID70，用于計(jì)算溫度分布；結(jié)構(gòu)單元使用SOLID185，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布；接觸面單元采用CONTA174、TARGE170，用于計(jì)算粘接面應(yīng)力。利用ANSYS多區(qū)域掃掠方法進(jìn)行自動(dòng)區(qū)域劃分后得到完全六面體網(wǎng)格，同時(shí)保證網(wǎng)格質(zhì)量，如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

外界環(huán)境溫度由20 ℃上升至300 ℃，溫度-時(shí)間梯度為4.7 ℃/s，60 s后達(dá)到300 ℃，之后環(huán)境溫度基本保持不變。設(shè)備與環(huán)境的熱交換主要通過(guò)對(duì)流方式實(shí)現(xiàn)，分析中建立的對(duì)流方程為：

q=hA(Tsurface-Tambient)

(3)

式中：q為對(duì)流熱量；h為對(duì)流系數(shù)，計(jì)算中取常用的空氣對(duì)流系數(shù)5 W/(m2·℃)；Tsurface為零件對(duì)流表面的溫度；Tambient為環(huán)境溫度。

溫度變化曲線如圖3所示，在環(huán)境溫度上升過(guò)程中，天線罩溫度變化與時(shí)間成正比，同時(shí)，天線罩最高溫度比環(huán)境溫度滯后4 s左右達(dá)到相同。當(dāng)60 s時(shí)刻環(huán)境溫度到達(dá)300 ℃，整個(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近環(huán)境溫度，此后溫度維持在300 ℃不變，溫升達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖3 溫度-時(shí)間曲線

選取60 s時(shí)刻的溫度分布如圖4所示，天線罩頂部到底部溫度逐漸降低，表明熱流主要從天線罩底部與安裝架連接部位向外傳導(dǎo)。

圖4 溫度分布

通過(guò)ANSYS中多場(chǎng)耦合分析，將前一個(gè)物理場(chǎng)分析的結(jié)果作為后一個(gè)物理場(chǎng)分析的輸入條件進(jìn)行計(jì)算，即將上述所有時(shí)刻點(diǎn)的溫度分布結(jié)果輸入到結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，如圖5所示。

圖5 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析步驟

粘接面最大剪切應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 粘接面最大剪切應(yīng)力變化曲線

選取60 s時(shí)刻的粘接面剪切應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

圖7 剪切應(yīng)力分布

粘接面的剪切應(yīng)力在整個(gè)過(guò)程中呈現(xiàn)線性變化。當(dāng)環(huán)境溫度到達(dá)300 ℃后，天線罩結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，粘接面剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，涂層最易出現(xiàn)開(kāi)裂脫落現(xiàn)象。

4 涂層熱膨脹系數(shù)參數(shù)化分析

為了獲得安全條件下涂層的熱膨脹系數(shù)范圍，需要將涂層的熱膨脹系數(shù)參數(shù)化，以確定其與粘接面剪切應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，從而得出當(dāng)粘接面剪切應(yīng)力在1 MPa(粘接強(qiáng)度)時(shí)熱膨脹系數(shù)的取值范圍。

本文通過(guò)ANSYS APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)涂層的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化編程，部分命令流如下：

!*******建立參數(shù)*******

thickness=3e-3 !隔熱層厚度

diameter=100e-3

h1=31.5e-3

h2=40.3e-3

rad=6e-3

dens1=410 !涂層密度

dens2=1650 !石英陶瓷密度

alpx1=1.46e-6 !涂層熱膨脹系數(shù)

alpx2=1.5e-6 !石英陶瓷熱膨脹系數(shù)

c1=0.94 !涂層比熱

c2=0.91 !石英陶瓷比熱

ex1=5.3e8 !涂層彈模

ex2=1.8e10 !石英陶瓷彈模

!******定義材料參數(shù)*******

/prep7

mp,ex,1,ex1 !調(diào)用參數(shù)建立材料模型

mp,prxy,1,prxy

mp,dens,1,dens1

mp,kxx,1,kxx1

mp,c,1,c1

mp,alpx,1,alpx1

將涂層熱膨脹系數(shù)設(shè)置為輸入?yún)?shù)，將整個(gè)導(dǎo)熱過(guò)程中粘接面最大剪切應(yīng)力作為輸出參數(shù)。設(shè)定涂層熱膨脹系數(shù)的范圍為1×10-8～4.5×10-6m/K，采用中心復(fù)合差分法選取在設(shè)定區(qū)域內(nèi)的樣本點(diǎn)，程序通過(guò)樣本點(diǎn)計(jì)算輸出參數(shù)的取值，如圖8所示。

圖8 樣本點(diǎn)結(jié)果

得到樣本點(diǎn)后，利用ANSYS DesignXplorer響應(yīng)面分析可以得到輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間的函數(shù)曲線，采用完全二階多項(xiàng)式法擬合函數(shù)關(guān)系，如圖9所示。

圖9 輸入輸出參數(shù)曲線

從圖中可以看到，由于石英陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)為1.5×10-6m/K，當(dāng)涂層的熱膨脹系數(shù)接近石英陶瓷材料熱膨脹系數(shù)時(shí)，粘接面剪切應(yīng)力較小，越遠(yuǎn)離則應(yīng)力越大，兩者的匹配性越差。同時(shí)，當(dāng)涂層的熱膨脹系數(shù)小于3.7×10-6m/K時(shí)，粘接面的最大剪切應(yīng)力小于1 MPa，屬于安全范圍，在使用過(guò)程中不易出現(xiàn)開(kāi)裂失效。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究分析了在特定高溫環(huán)境下，天線罩和涂層受熱膨脹后發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化，導(dǎo)致涂層脫落的過(guò)程。利用ANSYS準(zhǔn)確構(gòu)建分析模型和定義邊界條件，選擇合理的分析方法，確定了涂層的熱膨脹系數(shù)范圍，為天線罩和涂層在特定溫度下的變化情況提供了詳細(xì)的分析數(shù)據(jù)，有利于設(shè)計(jì)者了解具體情況并正確選擇與天線罩匹配的涂層，保證涂層在一定溫度與一定時(shí)間內(nèi)不開(kāi)裂脫落，設(shè)備工作可靠。

[1] 劉海定, 曹旭東, 賀文海, 等. 吸波涂層界面結(jié)合機(jī)理(I)：涂層力學(xué)性能影響因素分析[J]. 功能材料, 2007, 38(7): 1045-1048.

[2] 李金龍, 熊化兵, 羅俊, 等. 氣密性陶瓷封裝內(nèi)熱應(yīng)力的ANSYS分析[J]. 微電子學(xué), 2012, 42(1): 130-133, 140.

[3] 鄭蕾, 郭洪波, 郭磊, 等. 新一代超高溫?zé)嵴贤繉友芯縖J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2012, 32(6): 14-24.

[4] 趙敦殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[5] 楊志剛, 胡振東. 冷卻器在瞬態(tài)工況下的溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程, 2013, 22(1): 33-36.

陳正江(1977-)，男，工程師，主要從事電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析工作。

Research on Thermal Expansion Matching of Radome and Coating for an Electronic Equipment

CHEN Zheng-jiang，HUANG Wei，YANG Wei

(The30thResearchInstituteofCETC,Chengdu610041,China)

In order to improve the functional reliability of the radome of an electronic equipment in high-temperature environment and ensure that coating will not shed, this paper creates parametric finite element model by ANSYS and carries out transient state analysis and thermal-structural coupling analysis for radome and coating with engineering practice considered. Relationships between radome temperature and time, shearing-stress of bonding surface of coating and time are obtained. Based on the maximum shearing-stress of coating when it is shedding, the coefficient of thermal expansion is calculated by parametric programming and its range of value is determined. It provides theoretical foundation for choosing matching radome coating and make sure that coating will not shed and split in certain temperature range and certain period of time.

radome; coating; ANSYS; thermal expansion; matching

2014-12-31

TN820.8+1

A

1008-5300(2015)02-0055-04