PBT玻纖復(fù)合材料電子連接器彎曲變形分析

鄧克儉 ，夏姍姍，劉 濱

（廣州賽寶認(rèn)證中心服務(wù)有限公司，廣東廣州 510610）

電連接器作為一種基礎(chǔ)電器元件,用于實(shí)現(xiàn)電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設(shè)備之間的電連接,在航天、電子、通信等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。一個(gè)復(fù)雜的航天系統(tǒng)要求有數(shù)以千計(jì)的各類電連接器,例如執(zhí)行某產(chǎn)品發(fā)射任務(wù),僅地面設(shè)備就需各種電連接器3400多套。電連接器要求在各種惡劣的環(huán)境、各種苛刻的條件下可靠地溝通電路、傳遞信息來實(shí)現(xiàn)特定的功能,其可靠性直接影響到重大裝備等工程系統(tǒng)能否可靠地工作。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前各種系統(tǒng)的失效或故障現(xiàn)象中有70%是由元器件的失效而產(chǎn)生的,在這其中又有40%是由電連接器的失效而產(chǎn)生的，因此，電連接器已被列為國內(nèi)外公認(rèn)的四種可靠性較差的元件之一,其可靠性也成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，在系統(tǒng)中其他電子元器件可靠性水平不斷提高的今天，連接器的可靠性成為制約系統(tǒng)可靠性提升的一個(gè)重要因素[1]。

在電連接器的可靠性分析方面,與其他電子元器件(例如裝備設(shè)備等)相比，其失效模式不僅取決于電氣性能,也在很大程度上取決于其機(jī)械性能,往往呈多重分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,并且由于非恒定的失效率，連接器失效機(jī)理有多因素影響且比較復(fù)雜,也存在著結(jié)構(gòu)件的形變等導(dǎo)致的失效。本文針對電子連接器彎曲案例從基礎(chǔ)材料方面具體分析了PBT+15%連接器彎曲形變較大的原因。連接器具體失效信息如下：PBT+15%的玻纖材料注塑生產(chǎn)出來的產(chǎn)品在經(jīng)過波峰焊后彎曲0.2mm～0.5mm，彎曲度彎曲形變較大，PBT+30%玻纖材料注塑生產(chǎn)出來的產(chǎn)品經(jīng)過波峰焊后彎曲度在0.2mm左右，沒超過0.3mm限值。

1 分析過程

1.1 外觀觀察

樣品典型失效外觀如圖1所示，圖1中連接器上下分為1、2兩部分，發(fā)生彎曲形變的為上面的1號部分，1號部分中部發(fā)生圖示箭頭方向的凸起，導(dǎo)致1、2兩部分之間存在較大縫隙。目測觀察樣品PBT+15%玻纖和樣品PBT+30%玻纖，結(jié)果如圖2所示 。

圖1 樣品失效現(xiàn)象照片F(xiàn)ig.1 Photo of sample failure phenomenon

圖2 連接器外觀照片F(xiàn)ig.2 Photo of the connector

1.2 熱力學(xué)分析

選擇相同的測試條件對PBT+15%玻纖產(chǎn)品和PBT+30%玻纖產(chǎn)品的不同位置進(jìn)行熱分析。結(jié)果如圖3～圖6及表1～表3所示。由PBT+15%玻纖產(chǎn)品和PBT+30%玻纖產(chǎn)品的三個(gè)位置熔點(diǎn)分布可知，PBT+15%玻纖產(chǎn)品的不同位置在成型過程中存在一定的溫度分布。計(jì)算方差和均方差來衡量熔點(diǎn)分布的均勻性，可見相同條件下的第二次升溫三個(gè)位置熔點(diǎn)的均方差和方差均較小，而反映產(chǎn)品熱歷史的第一次升溫三個(gè)位置熔點(diǎn)的均方差和方差較大，可見產(chǎn)品在模具內(nèi)的成型過程中，成型環(huán)境并不均一，而PBT+15%玻纖產(chǎn)品的方差、均方差均大于PBT+30%玻纖產(chǎn)品，相比之下，PBT+15%玻纖產(chǎn)品不同位置的成型條件均一性更差。熱焓分析結(jié)果顯示PBT+15%玻纖熱焓高于PBT+30%玻纖，可知PBT+15%玻纖產(chǎn)品的結(jié)晶度高于PBT+30%玻纖產(chǎn)品，高結(jié)晶度易引起較大收縮。由于玻纖為無機(jī)材料，硬度和強(qiáng)度較高，線性膨脹系數(shù)低，在PBT內(nèi)部一方面可起到增強(qiáng)作用，另一方面可降低產(chǎn)品整體的收縮以及膨脹形變，增加產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，由于PBT+30%玻纖填料含量較高，故其尺寸穩(wěn)定性較好，PBT+15%玻纖由于較高結(jié)晶度和較低含量玻纖而導(dǎo)致較大的內(nèi)應(yīng)力和較差的抗形變性能。

表2 樣品熔點(diǎn)（第二次升溫）分析Table 2 Analysis of melting point of samples (second temperature rise)

表3 樣品（第一次升溫）熔融焓分析Table 3 Analysis of melt enthalpy of samples (first temperature rise)

圖3 樣品的熱分析測試位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermal analysis test of samples

圖4 樣品PBT+15%玻纖以及PBT+30%玻纖3個(gè)位置的第一次升溫DSC曲線圖Fig.4 DSC curves of PBT+15% glass fiber and PBT+30%glass fiber at 3 positions for the first temperature rise

圖5 樣品PBT+15%玻纖以及PBT+30%玻纖3個(gè)位置的第二次升溫DSC曲線圖Fig.5 DSC curves of PBT+15% glass fiber and PBT+30%glass fiber at 3 positions for the second temperature rise

圖6 樣品PBT+15%玻纖以及PBT+30%玻纖的3個(gè)位置的第一次升溫DSC熱焓分析圖Fig.6 DSC enthalpy analysis diagram for the first temperature rise at 3 positions of PBT+15% glass fiber and PBT+30% glass fiber

1.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

對兩種產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試，具體測試條件為：28℃～100℃，升溫速率4℃/min，升溫至100℃后保持3h，結(jié)果如圖9所示。由應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，隨著溫度的升高，兩種樣品均存在膨脹效應(yīng)，達(dá)到100℃后，樣品的應(yīng)變基本保持穩(wěn)定不變。PBT+30%玻纖的四個(gè)位置應(yīng)變均為正值，即處于拉伸狀態(tài)，而根據(jù)應(yīng)變曲線來看，應(yīng)變值的排序?yàn)?0＞11＞12＞9，即圖7～圖9中所示位置，10＞9表明PBT+30%玻纖樣品的右側(cè)為中間向上凸起，而11＞12表明左側(cè)為中間向下凹陷，主要引起應(yīng)變的為底部平面位置，在平面上存在向上和向下的兩種方向相反的應(yīng)變，相互抵消，故而應(yīng)變較小，與失效現(xiàn)象吻合較好；PBT+15%玻纖的四個(gè)位置應(yīng)變均為正值，即處于拉伸狀態(tài)，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線來看，應(yīng)變值的排序?yàn)?4＞16＞13＞15，即右側(cè)16＞15中間向下凹陷，左側(cè)14＞13中間向下凹陷，左右兩側(cè)均為向下凹陷，則合力向下凹陷形變大，造成樣品的較大彎曲應(yīng)變。由圖9可知，整體上PBT+15%玻纖樣品上四個(gè)位置的應(yīng)變均大于PBT+30%玻纖樣品的相應(yīng)位置，也表明PBT+15%玻纖產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性較差。

圖7 PBT+15%玻纖產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變測試位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the stress-strain test position of PBT+15% glass fiber products

圖8 PBT+30%玻纖產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變測試位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of the stress-strain test position of PBT+30% glass fiber products

圖9 應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果示意及應(yīng)力形變曲線圖Fig.9 Schematic diagram of stress-strain test results and stress-strain curve

1.4 掃描電鏡分析（SEM & EDS分析）

對樣品液氮脆斷后利用SEM觀察其內(nèi)部填料分布，代表性SEM照片如圖10～圖11所示。由SEM照片可知，PBT+15%玻纖產(chǎn)品的填料分布較為稀疏分散，斷面較為平整，而PBT+30%玻纖斷面的填料分布密集，脆斷面較為粗糙，且在靠近表皮的邊緣位置可觀察到玻纖的較多取向（注塑的高度剪切作用產(chǎn)生取向），玻纖取向分布可增強(qiáng)材料抗彎曲應(yīng)力的能力。

圖10 樣品PBT+15%玻纖產(chǎn)品脆斷面的SEM結(jié)果Fig.10 SEM results of brittle section of PBT+15% glass fiber products

圖11 樣品PBT+30%玻纖脆斷面的SEM結(jié)果Fig.11 SEM results of brittle section of PBT+30% glass fiber samples

2 結(jié)論

PBT+15%玻纖產(chǎn)品玻纖含量低，在材料內(nèi)部較為分散，其尺寸穩(wěn)定性較差；成型過程中，PBT+15%玻纖注塑件內(nèi)部結(jié)晶度較高且模具內(nèi)部成型環(huán)境不同導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，低溫下內(nèi)應(yīng)力被凍結(jié)，高溫下內(nèi)部應(yīng)力釋放導(dǎo)致產(chǎn)品收縮產(chǎn)生較大彎曲。