粘接劑對(duì)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(jì)的核心元件是石英擺部件，它包括石英擺片和兩個(gè)力矩器線圈，力矩器線圈通過(guò)粘接劑粘接到石英擺片上、下兩個(gè)表面。石英擺片為高品質(zhì)的熔融石英玻璃經(jīng)過(guò)多序加工而成，其熱膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)形式為杯型圓周開(kāi)槽，目前常用材質(zhì)為2A12鋁合金，其熱膨脹系數(shù)為22×10-6／℃。如何實(shí)現(xiàn)兩種熱膨脹系數(shù)差近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，材料特性迥異、結(jié)構(gòu)特殊的零件間可靠粘接，除了對(duì)粘接劑有一定的粘接強(qiáng)度和耐高低溫、沖擊、振動(dòng)等常規(guī)要求外，還要重點(diǎn)關(guān)注粘接劑的粘接特性、粘接劑對(duì)擺部件應(yīng)力的影響。本文重點(diǎn)從粘接劑的粘接特性和粘接劑對(duì)擺部件應(yīng)力的影響兩方面，對(duì)粘接劑進(jìn)行測(cè)試、分析，為后續(xù)各型擺部件的科研生產(chǎn)提供參考。

1 擺組件組成及工作原理

擺部件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一個(gè)石英擺片和兩個(gè)力矩器線圈組成，兩個(gè)力矩器線圈對(duì)稱地粘接到石英擺片上下表面，共同組成了敏感質(zhì)量。石英擺片結(jié)構(gòu)如圖2所示，擺舌通過(guò)撓性梁連接到外安裝環(huán)上。擺舌上、下表面鍍有電容電極金膜，敏感擺舌受加速度產(chǎn)生的位移。外安裝環(huán)設(shè)置正反各3個(gè)凸臺(tái)，形成電容間隙。工作時(shí)，擺部件可以將加速度轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的電流，通過(guò)測(cè)量該電流就可測(cè)得加速度［1-5］。

圖1 擺部件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of proof unit

圖2 石英擺片結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the quartz proof

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

差動(dòng)電容敏感器電容變化：

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

對(duì)石英加速度計(jì)而言，在受溫度變化及其他干擾作用的情況下，希望其結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)是穩(wěn)定的。 針對(duì)擺部件， 式 （1）、 式 （2）的參數(shù) l、 b、d0、AC希望是穩(wěn)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(huì)對(duì)擺部件的應(yīng)力產(chǎn)生影響，從而影響其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(zhì)上看，其膨脹系數(shù)、彈性模量溫度系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(lái)源于此。將從粘接劑的膨脹系數(shù)和玻璃化溫度點(diǎn)、彈性模量及其溫度系數(shù)幾項(xiàng)粘接特性指標(biāo)，對(duì)目前常用的幾種粘接劑進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）粘接特性的檢測(cè)

粘接劑的種類比較多，目前使用和試驗(yàn)的粘接劑有4種：1）72312單組份環(huán)氧樹(shù)脂膠；2）6101環(huán)氧樹(shù)脂膠加氧化鋁粉添加劑；3）9026雙組份環(huán)氧樹(shù)脂膠；4）992雙組份光學(xué)結(jié)構(gòu)膠。對(duì)上述各型粘接劑的熱膨脹系數(shù)、玻璃化溫度點(diǎn)和彈性模量進(jìn)行檢測(cè)［6-7］，具體數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

依據(jù)表3檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖3所示。

由圖3可計(jì)算出彈性模量溫度系數(shù)。72312粘接劑在80℃時(shí)，相對(duì)前面變化大些，不計(jì)入溫度系數(shù)計(jì)算。9026、992粘接劑在60℃～80℃時(shí)，相對(duì)前面變化大些，不計(jì)入溫度系數(shù)計(jì)算，由此彈性模量溫度系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表1 各型粘接劑的熱膨脹系數(shù)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(diǎn)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(shù)Table 4 Elastic modulus temperature coefficient of each type colloid

（2）粘接特性評(píng)價(jià)

綜合以上各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)，針對(duì)各型粘接劑的粘接特性，可以得出以下結(jié)論：

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

2）各型粘接劑的玻璃化溫度點(diǎn)從小到大為：9026→992→6101→72312，因此，72312粘接劑指標(biāo)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(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變的能力就越低，結(jié)構(gòu)尺寸越穩(wěn)定，因此，6101粘接劑指標(biāo)最佳。

4）各型粘接劑的彈性模量溫度系數(shù)從小到大為（絕對(duì)值）： 6101→992→72312→9026。 彈性模量溫度系數(shù)越小，受溫度影響結(jié)構(gòu)變形就越小，有利尺寸穩(wěn)定，因此，6101粘接劑指標(biāo)最佳。

綜合上述結(jié)論，在加速度計(jì)0℃～80℃的工作溫度范圍內(nèi)，6101型粘接劑的各項(xiàng)粘接特性最佳。

2.2 粘接劑對(duì)石英擺部件應(yīng)力影響分析

通常粘接劑薄，粘接強(qiáng)度低，應(yīng)力、變形就??；反之，應(yīng)力、變形就大。本文以擺部件為對(duì)象，對(duì)各型粘接劑進(jìn)行仿真分析，分析包括敏感檢測(cè)質(zhì)量質(zhì)心的變化（3個(gè)軸方向）、力矩器線圈部件軸向長(zhǎng)度變化和電容極板變形3個(gè)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(tǒng)一設(shè)定為0.05mm。溫度在0℃～80℃變化，對(duì)敏感質(zhì)量質(zhì)心、力矩器線圈部件位置、應(yīng)力、變形進(jìn)行分析。

（1）擺部件敏感質(zhì)量質(zhì)心變化情況

如表5和圖4所示，敏感檢測(cè)質(zhì)量質(zhì)心的變化（3個(gè)軸方向）， 這會(huì)影響式 （1）、 式 （2）中的 l和b。

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

圖4 石英擺部件質(zhì)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(yīng)用ANSYS進(jìn)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(yīng)力變化情況

粘接劑處的應(yīng)力不包含粘接應(yīng)力，只是由不同材料熱脹冷縮產(chǎn)生的變形應(yīng)力，此應(yīng)力也是導(dǎo)致?lián)闲粤禾幃a(chǎn)生應(yīng)力的原因。粘接劑處的應(yīng)力會(huì)影響電容極板的平面度，撓性梁處的應(yīng)力會(huì)使撓性梁發(fā)生變形，因此這兩處應(yīng)力越小越好，并且應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注撓性梁處的應(yīng)力。撓性梁、粘接劑處最大應(yīng)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(yīng)力Table 7 Maximum stress of flexible beam and adhesive （unit： MPa）

圖6 撓性梁、粘接劑處應(yīng)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(guò)計(jì)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(jì)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(duì)擺部件應(yīng)力影響評(píng)價(jià)

綜合本節(jié)的各項(xiàng)仿真數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

1）各型粘接劑對(duì)擺部件質(zhì)心位置的影響隨溫度變化均表現(xiàn)出各自發(fā)散性；

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

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

4）各型粘接劑對(duì)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(duì)擺片平面度的影響最小。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)4種粘接劑的各項(xiàng)粘接特性測(cè)試和對(duì)擺部件應(yīng)力影響的仿真分析，在0℃～80℃的加速度計(jì)工作溫度范圍內(nèi)，6101型粘接劑各項(xiàng)粘接特性最佳，對(duì)石英擺部件的應(yīng)力影響也最小。

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