新型復合導電墊片的結(jié)構(gòu)設計及性能研究

王 璐，王櫻霖，張永力，韓繼先，侯錦秋，姜睿智

(1.沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧 沈陽 110144；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第三軍代表室，遼寧 沈陽 110144)

隨著電子設備的快速發(fā)展，戶外電子設備的應用越來越廣泛，尤其是在惡劣環(huán)境中使用的戶外電子設備，對設備結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應性有很高的要求。采用密封結(jié)構(gòu)形式可以有效地降低電磁干擾，防止水、潮氣、鹽霧等進入設備內(nèi)部影響設備正常工作，提高設備的環(huán)境適應性[1]。

長期以來，電子設備的密封主要采用墊片密封的形式來實現(xiàn)，且墊片的材料及結(jié)構(gòu)設計尤為關鍵。導電橡膠作為密封電子設備常用的墊片，滿足設備密封性和電磁屏蔽性。目前，市場上的導電橡膠墊片多以純導電橡膠為主，雖然具有較好的屏蔽效能，但對于沿海環(huán)境，潮濕水汽形成的鹽溶液會附著在電磁屏蔽橡膠和電子設備表面，導致純導電橡膠局部容易發(fā)生電化學腐蝕[2-3]。而且電化學反應會導致電磁屏蔽界面的合金基體被腐蝕，進而造成電子設備的電磁屏蔽和環(huán)境密封失效，嚴重影響設備的“三防”性能和電磁兼容性能，設備環(huán)境適應性顯著降低[4]。

新型復合導電墊片能彌補傳統(tǒng)導電橡膠墊片存在的缺點。目前國內(nèi)雖已有關于復合導電膠條制備方面的文獻報道[5-7]，但關于復合導電墊片的制備及性能研究鮮有報道。該新型復合導電墊片由導電部分和非導電部分組成，其中非導電部分的主要功能是水汽密封，導電部分的主要功能是電磁屏蔽。因此其既具有電磁屏蔽效能，又具有較好環(huán)境適應性，可以廣泛應用于電子設備中，尤其適宜于在沿海、潮濕等惡劣環(huán)境中工作的電子設備的密封。

1 復合導電墊片密封原理

復合導電墊片由導電部分和非導電部分組成，其中非導電部分選用熱硫化硅橡膠，并將其置于外側(cè)，主要功能是起水汽密封作用。導電部分選用導電硅橡膠，主要功能是實現(xiàn)電磁屏蔽作用，其中導電硅橡膠中導電粒子可視情選用，本文采用的是鋁鍍銀。復合導電墊片的密封原理如圖1所示。首先外側(cè)的硅橡膠實現(xiàn)了水汽密封，電子設備內(nèi)部不易受到外部環(huán)境的影響而保持相對較低的濕度，使得內(nèi)側(cè)的導電橡膠與裝配面之間不會產(chǎn)生電化學腐蝕，可有效杜絕應用導電墊片而普遍存在的電化學腐蝕的發(fā)生，從而使得電子設備抗惡劣氣候環(huán)境和電磁環(huán)境的適應能力得到有效保證。

在復合導電墊片中，其相對變相量(即壓縮率ε)是控制其實現(xiàn)水汽密封的關鍵。其壓縮率為：

(1)

式中，A1為復合導電墊片未受壓時的高度；A2為復合導電墊片受壓后的高度。

由于硅橡膠具有組織致密、質(zhì)地柔軟、回復性好等特點，在復合導電墊片中主要起到水汽密封作用，因此對于硅橡膠壓縮率的控制尤為重要。當硅橡膠的壓縮率ε=10%時，橡膠墊與裝配面的縫隙小至0.01 mm，會存在微小的密封縫隙，水分子可在壓差的作用下仍能滲透進入；當ε=20%～30%時，由于密封件的彈性及變形作用，密封硅橡膠會產(chǎn)生反彈力，水分子不能滲透，從而形成密封；當ε>30%時，密封質(zhì)量改善不大，反而會由于疲勞而加速硅橡膠的損壞及老化，從而影響密封效果[8]。因此，對于復合導電墊片中的硅橡膠，其壓縮量取20%～30%為宜。

導電橡膠由于在硅橡膠中填充了金屬顆粒，其硬度高于硅橡膠，使用時其壓縮率要小于硅橡膠，一般取5%～15%為宜。

考慮到二者壓縮率的差異，本文復合導電墊片中硅橡膠的厚度為1.2 mm，導電橡膠的厚度為1 mm，且置于硅橡膠內(nèi)側(cè)的中間位置。在安裝時，使復合導電墊片的厚度壓縮至0.85 mm，確保復合導電墊片上下面保持水平，且緊貼裝配面，使水分子無法滲透，從而起到很好的電磁屏蔽及環(huán)境密封作用。

2 試驗

2.1 復合導電墊片的制備

復合導電墊片的制備工藝路線如圖2所示，首先沖壓出導電墊圈，再在導電墊圈的外圓處涂覆一層熱硫化膠粘劑，然后在室溫下放置20～30 min，待完全干燥后，再把導電墊圈放入模具中央，以熱硫化的方式將其與硅橡膠復合在一起，制備完成的復合導電墊片如圖3所示。其中非導電部分的硅橡膠四角處分別有一個固定安裝孔，通過螺栓可與裝配面之間固接。

2.2 試驗方法

2.2.1 耐鹽霧試驗

電化學腐蝕是導電橡膠失效的重要原因之一，兩金屬間發(fā)生電化學腐蝕的必要條件如下：1)必須存在足夠的電位差；2)2種金屬相互接觸；3)金屬之間存在電解液[9]。

鹽霧腐蝕是一種常見且最具有破壞性的大氣腐蝕，鹽霧是指氯化鈉的大氣，它的主要腐蝕成分是海洋中的氯化物鹽氯化鈉，主要來源于海洋和內(nèi)地鹽堿地區(qū)。

為了研究復合導電墊片的耐鹽霧性能，模擬復合導電墊片在鹽霧條件下與安裝面板接觸時發(fā)生電化學腐蝕現(xiàn)象，制備如下試驗件：由聚四氟乙烯制作的上下絕緣塊，由不銹鋼制作的螺釘螺母，表面鍍覆軍綠鎘的鋁合金安裝板。為防止鹽霧試驗時鹽水從螺釘螺母中進入，兩端用橡膠墊進行密封，試驗件如圖4所示。將試驗件放置在符合標準GJB 150.11A—2009規(guī)定的鹽霧環(huán)境中進行500 h的鹽霧試驗，要求NaCl濃度(質(zhì)量分數(shù))為5%，pH值為6.5～7.2，連續(xù)噴霧24 h后，在15～35 ℃、相對濕度50%的條件下干燥24 h，每隔48 h觀察金屬鍍層和復合導電墊片是否發(fā)生腐蝕。

2.2.2 接觸電阻試驗

為測量復合導電墊片的接觸電阻，將復合導電墊片放置于殼體與安裝面板之間，并用螺釘螺母進行緊固，其中殼體、安裝面板及螺釘螺母均選用不銹鋼06Cr19Ni10。為保證復合導電墊片與殼體和安裝面板完全貼合，實現(xiàn)良好的導通并將因壓縮量造成的誤差降至最低，通過緊固4個螺釘，并用游標卡尺測量復合導電墊片的厚度，使其厚度壓縮至0.85 mm。使用微歐計測量面板上1點位置與殼體尾部端面之間的接觸電阻(見圖5)。分別對模壓前的導電墊片、模壓后的復合導電墊片和鹽霧試驗后復合導電墊片的接觸電阻進行測量，對比分析模壓制備及鹽霧試驗對其電性能是否產(chǎn)生影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 耐電化學腐蝕性能

由于鹽霧環(huán)境中含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學反應。同時，氯離子有一定的水合能力，易被吸附在金屬表面的間隙、裂縫中，取代氧化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活性表面，從而使得金屬表面發(fā)生腐蝕[10]。通過觀察接觸面的光潔度變化，可以直觀地發(fā)現(xiàn)電化學腐蝕情況。圖6所示為鋁合金鍍軍綠鎘和復合導電墊片的鹽霧試驗前后表面腐蝕情況對比圖，由圖6可知，經(jīng)過500 h鹽霧試驗后，軍綠鎘鍍層和復合導電墊片的表面均未出現(xiàn)腐蝕、麻點、龜裂、起泡、剝落等現(xiàn)象，表明復合導電墊片具有優(yōu)異的環(huán)境密封性和耐電化學腐蝕性。

3.2 電性能

為了對比復合導電墊片模壓前后及鹽霧試驗前后的接觸電阻是否發(fā)生變化，分別對其接觸電阻進行檢測，檢測結(jié)果見表1。由表1可知，模壓前后及鹽霧試驗前后，復合導電墊片的接觸電阻無明顯變化，說明經(jīng)模壓制備及鹽霧試驗后，對其電性能無影響，表明該復合導電墊片具有優(yōu)異的電性能和耐電化學腐蝕能力。

表1 接觸電阻檢測結(jié)果

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)采用模壓的方式制備出一種新型復合導電墊片，該復合導電墊片可耐鹽霧500 h，且經(jīng)模壓制備及鹽霧試驗后，其接觸電阻幾乎保持不變，表明復合導電墊片在保證屏蔽性能的同時具備優(yōu)異的耐電化學腐蝕性能。

2)由硅橡膠和導電橡膠集成復合形式的“復合導電墊片”也可根據(jù)實際需要設計為多種形狀，如矩形、圓形等。

3)由于復合導電墊片中大部分材料為非導電的硅橡膠，所以在實現(xiàn)密封屏蔽效能的同時也降低了制作成本，可推廣應用于惡劣環(huán)境中工作的電子產(chǎn)品上。