光學(xué)組件反射鏡開(kāi)裂原因分析

(1. 中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院， 洛陽(yáng) 471000； 2. 洛陽(yáng)船舶材料研究所， 洛陽(yáng) 471000)

光學(xué)組件是紅外導(dǎo)引頭的重要組成部分，拋物柱面反射鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)反射鏡)則是光學(xué)組件的重要組成部分[1]。DG-4光學(xué)結(jié)構(gòu)膠(簡(jiǎn)稱(chēng)DG-4)因具有優(yōu)良的光學(xué)性能、黏接性能和耐老化性能，得到了廣泛的應(yīng)用[2]。光學(xué)組件中的探測(cè)器為環(huán)氧樹(shù)脂膠封裝成型，通過(guò)DG-4黏接在反射鏡的光學(xué)玻璃上。編號(hào)為1701批次的光學(xué)組件裝配完成后，經(jīng)高低溫(-50～70 ℃)沖擊試驗(yàn)10次后多臺(tái)反射鏡出現(xiàn)裂紋。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該批光學(xué)組件4個(gè)子批的故障率分別為21.1%，17.8%，23.4%，18.5%，平均故障率為20.2%。筆者通過(guò)一系列理化檢驗(yàn)對(duì)反射鏡的開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析，找出了反射鏡開(kāi)裂的原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

使用LEICA S6D型體視顯微鏡對(duì)拆解下來(lái)的開(kāi)裂反射鏡進(jìn)行觀察，如圖1所示?？梢?jiàn)反射鏡外表面無(wú)損傷，裂紋主要分布于反射鏡與探測(cè)器的黏接部位。

圖1 開(kāi)裂反射鏡宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked reflector

1.2 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

DG-4為雙組分環(huán)氧膠，A組分為環(huán)氧樹(shù)脂，B組分為胺類(lèi)固化劑。A，B的質(zhì)量比為1～2∶1，固化條件為室溫放置48 h或60 ℃保溫4 h。

將DG-4按照A，B組分質(zhì)量比為1∶1，1.5∶1，2∶1的配比制成兩組剪切強(qiáng)度試樣，在60 ℃保溫4 h進(jìn)行固化。按照GB/T 7124-2008《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定(剛性材料對(duì)剛性材料)》，使用INSTRON 5581型電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果分別為32.4，35.1，24.0 MPa。

1.3 硬度測(cè)試

將DG-4按照A，B組分質(zhì)量比為1∶1，1.5∶1，2∶1的配比制成兩組硬度測(cè)試試樣，一組室溫放置48 h進(jìn)行固化，另一組60 ℃保溫4 h進(jìn)行固化。按照GB/T 2411-2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》，使用TIME TH210型邵氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果分別為73，78，73 HD。

對(duì)故障批次1701批、無(wú)故障批次1601批及1602批黏接反射鏡留存的DG-4膠樣進(jìn)行邵氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果分別為77，74，73HD。

按照GB/T 7962.18-2010《無(wú)色光學(xué)玻璃測(cè)試方法 第18部分：克氏硬度》，使用SHMADZU HMV-G型顯微硬度計(jì)，對(duì)1701批，1601批以及1602批產(chǎn)品的反射鏡進(jìn)行硬度測(cè)試。載荷為1.96 N，測(cè)得3批反射鏡的硬度分別為560，534，545 HK。

1.4 線膨脹系數(shù)試驗(yàn)

將DG-4按照A，B組分質(zhì)量比為1.5∶1的配比制成規(guī)格為φ8 mm×10 mm的試樣，使用TA TMA Q400型線膨脹測(cè)試儀進(jìn)行線膨脹系數(shù)測(cè)試，結(jié)果如圖2所示?？梢?jiàn)在20～50 ℃時(shí)，DG-4的線膨脹系數(shù)約為80 μm·(m·℃)-1。

圖2 DG-4的熱膨脹曲線Fig.2 Thermal expansion curve of DG-4

2 分析與討論

該批次光學(xué)組件中反射鏡開(kāi)裂的原因可分為內(nèi)在因素和外在因素，內(nèi)在因素為反射鏡的自身缺陷，外在因素可分為外部應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力。對(duì)3個(gè)批次光學(xué)組件中反射鏡的尺寸、折射率、色散系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，由表1可見(jiàn)故障批次1701批與無(wú)故障批次1601批及1602批的測(cè)試結(jié)果無(wú)明顯差異，說(shuō)明反射鏡質(zhì)量穩(wěn)定，排除反射鏡自身缺陷導(dǎo)致反射鏡開(kāi)裂的可能性。

表1 反射鏡光學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Optical properties test results of reflector

DG-4在固化過(guò)程中因體積以及黏彈性變化會(huì)產(chǎn)生固化應(yīng)力[3-4],其固化過(guò)程中的固化應(yīng)力不斷增大，完全固化后，應(yīng)力達(dá)到最大值，會(huì)對(duì)被黏物體產(chǎn)生影響。在光學(xué)組件膠接時(shí)，收縮性膠黏劑如DG-4的固化應(yīng)力形成作用在反射鏡上的拉應(yīng)力，此為其中一種內(nèi)部應(yīng)力。在經(jīng)歷高溫(或低溫)時(shí)，由于膠與反射鏡的膨脹系數(shù)不同，溫度變化過(guò)程中，膠與被黏物體間存在一定熱應(yīng)力，溫度變化越快，熱應(yīng)力越大。熱應(yīng)力為作用在反射鏡上的另一種內(nèi)部應(yīng)力。

采用體視顯微鏡觀察到反射鏡外表面無(wú)任何損傷，裂紋出現(xiàn)在反射鏡通過(guò)DG-4與探測(cè)器黏接的表面。任何外部應(yīng)力作用在反射鏡上，造成反射鏡內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋，必然會(huì)在受力點(diǎn)產(chǎn)生損傷。而該反射鏡外表面無(wú)任何損傷，說(shuō)明反射鏡的開(kāi)裂不是外部應(yīng)力引起的。

剪切強(qiáng)度試驗(yàn)與硬度測(cè)試結(jié)果表明，DG-4的A,B組分質(zhì)量配比不同時(shí)，DG-4的剪切強(qiáng)度與硬度都不相同。A，B組分質(zhì)量比為1.5∶1時(shí)的剪切強(qiáng)度與硬度最大。1701批反射鏡黏接留存膠樣的硬度比1601，1602批的略大。由此可知，1701批反射鏡黏接所用DG-4中A，B組分的實(shí)際質(zhì)量比約為1.5∶1。此時(shí)，DG-4的剪切強(qiáng)度與硬度較大，對(duì)反射鏡產(chǎn)生的殘余固化拉應(yīng)力也較大。

環(huán)氧樹(shù)脂與探測(cè)器上其他組件材料的線膨脹系數(shù)不同，易導(dǎo)致組件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力從而影響探測(cè)器的使用壽命[5]。DG-4在20～50 ℃時(shí)的線膨脹系數(shù)約為80 μm·(m·℃)-1，即8×10-5℃-1。反射鏡的材料為ZK-10光學(xué)玻璃,其線膨脹因數(shù)為10-6℃-1[6]，遠(yuǎn)小于DG-4的線膨脹因數(shù)。DG-4固化后與反射鏡直接接觸，由于線膨脹因數(shù)不同，在高低溫沖擊試驗(yàn)過(guò)程中DG-4會(huì)對(duì)反射鏡產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力[7-8]。與反射鏡黏接的探測(cè)器為環(huán)氧樹(shù)脂封裝組件，同類(lèi)材料的線膨脹因數(shù)相近，故在溫度沖擊試驗(yàn)過(guò)程中DG-4對(duì)探測(cè)器的熱應(yīng)力較小。當(dāng)光學(xué)組件由70 ℃轉(zhuǎn)至-50 ℃時(shí)，急速降溫導(dǎo)致DG-4對(duì)反射鏡產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，其與固化應(yīng)力共同作用，將反射鏡拉傷，產(chǎn)生裂紋，裂紋在循環(huán)熱應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展[9]。

3 結(jié)論及建議

反射鏡與探測(cè)器通過(guò)DG-4黏接，DG-4配比不當(dāng)導(dǎo)致反射鏡受到較大的固化應(yīng)力；并且DG-4與反射鏡的線膨脹因數(shù)相差較大，高低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，急速升降溫使得DG-4對(duì)反射鏡產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，固化應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致反射鏡開(kāi)裂。

建議將DG-4中A，B組分的質(zhì)量比調(diào)整為2∶1，并增加3次低速率升降溫操作使熱應(yīng)力得到釋放，避免故障的再次發(fā)生。