導(dǎo)電桿灌封膠絕緣強(qiáng)度提升工藝方法研究及其應(yīng)用

胡銀蘋，李彥博，康 軍，楊 洋，陳松屾，田永勝，尚 峰，白嵐升，郭 柳，賈海云

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

引 言

精密導(dǎo)電裝置[1]是一種傳遞電流及其信號的裝置，它將電流及其信號由一個靜止的部件傳遞到另一個轉(zhuǎn)動的部件。它的工作原理是通過彈性電刷絲在導(dǎo)電環(huán)槽內(nèi)的滑動接觸實現(xiàn)電信號的傳輸，具有型號系列多、結(jié)構(gòu)緊湊、接觸電阻穩(wěn)定、環(huán)間絕緣強(qiáng)度高、轉(zhuǎn)動力矩小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點。導(dǎo)電裝置被廣泛應(yīng)用于尖端軍事領(lǐng)域，如戰(zhàn)略導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和飛機(jī)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中及導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、雷達(dá)、地面車輛的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。

由于精密導(dǎo)電裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，致使滑環(huán)間距較小，最小的環(huán)間距僅為0.15mm，這對滑環(huán)之間的灌封膠的粘接性能、機(jī)加性能、絕緣性能都有比較高的要求。

高集成度導(dǎo)電裝置需在相對濕度≤69%下滿足250V（DC）時≥250MΩ 的絕緣要求，在70%～90%的相對濕度下滿足100V（DC）時≥50MΩ 的絕緣要求，且具備高濕環(huán)境長時期穩(wěn)定工作的能力。但在一定潮濕環(huán)境下，導(dǎo)電裝置易發(fā)生絕緣阻值下降，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。當(dāng)前，導(dǎo)電裝置在慣導(dǎo)系統(tǒng)研制生產(chǎn)、長期儲存和工作時絕緣性能下降問題極為突出，而其主要問題體現(xiàn)在導(dǎo)電桿上，因此提升導(dǎo)電桿灌封膠的絕緣強(qiáng)度對于精密導(dǎo)電裝置性能的提升是至關(guān)重要的。

導(dǎo)電桿灌封膠的力學(xué)性能、物理性能、粘接強(qiáng)度、線脹系數(shù)等參數(shù)均能滿足精密導(dǎo)電裝置的使用需求，但是絕緣性能還有待提高，尤其是厚度小于0.2mm 的膠層頻繁出現(xiàn)雨季時絕緣下降問題。導(dǎo)電桿灌封膠主要由以下幾種組分配制而成：環(huán)氧樹脂主劑+甲基四氫苯酐固化劑+叔胺促進(jìn)劑+硅微粉填料。經(jīng)分析引起導(dǎo)電桿高濕度環(huán)境下絕緣電阻降低的主要原因為硅微粉吸潮，硅微粉填料作為改善導(dǎo)電桿灌封膠線脹系數(shù)的重要組成不可替代，但可通過特殊工藝方法降低其吸潮能力。

1 理論分析

1.1 硅微粉簡介

硅微粉是由天然石英，經(jīng)水洗，破碎，研磨（水磨，氣磨，光電磨，介質(zhì)球磨等）、提純（物理法，化學(xué)法）、風(fēng)選或液浮選分級等多道工藝加工而成的粉體材料。因此硅微粉是特定晶型結(jié)構(gòu)的二氧化硅，化學(xué)式SiO2。

硅微粉[2]有較大的表面活性，在界面上與環(huán)氧基團(tuán)形成遠(yuǎn)大于范德華力的作用力，有利于硅微粉與環(huán)氧樹脂之間的應(yīng)力傳遞，提高了承載載荷的能力，且能夠大幅降低灌封膠的線脹系數(shù)，因此硅微粉對于導(dǎo)電桿灌封膠是必不可缺少的。

硅微粉主要成分為二氧化硅，二氧化硅粒徑越小，越有利于填充體系結(jié)合。但實際在灌封膠工藝中，二氧化硅越細(xì)，越容易結(jié)團(tuán)，不容易分散，填料在灌封膠中分散不均，必須提高溶劑的用量;但如果粒徑太大，在膠液灌封過程中易產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致硅微粉在膠液中分布不均。目前工藝上選用500 目硅微粉。

但是硅微粉極性強(qiáng)，具有親水性，以硅微粉作為填料得到的灌封膠在高濕環(huán)境下易因吸潮而導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低。

綜上所述，硅微粉能夠降低導(dǎo)電桿灌封膠的線脹系數(shù)，且能夠提高承載載荷的能力，對于導(dǎo)電桿灌封膠性能的提升是必不可少的，但是也正因為硅微粉的引入，導(dǎo)致導(dǎo)電桿灌封膠在高濕環(huán)境下絕緣強(qiáng)度的降低，因此對硅微粉進(jìn)行改性處理對于提高灌封膠的絕緣性能是十分必要的。

1.2 硅微粉改性處理

硅烷偶聯(lián)劑已被廣泛應(yīng)用于多行業(yè)，以提高膠液的疏水性，如利用硅烷偶聯(lián)劑對聚醚樹脂進(jìn)行改性處理[3]以改善其水密封性；使用γ- 氨丙基三乙氧基硅烷對硅微粉進(jìn)行表面改性[4,5]以制備高絕緣性聚乙烯復(fù)合材料；采用KBM-573 硅烷偶聯(lián)劑對球形硅微粉表面進(jìn)行水解改性[6]以提高其耐熱性。

硅烷偶聯(lián)劑[7,8]比較成熟的作用機(jī)理是化學(xué)鍵結(jié)合理論，其與硅微粉的反應(yīng)過程如圖1。該反應(yīng)過程分為四步，第一步是硅烷偶聯(lián)劑中與Si 相連的3個水解基團(tuán)與水反應(yīng)，生成硅醇；第二步是硅醇之間脫水，縮合成Si—OH 的低聚硅氧烷；第三步是低聚硅氧烷的Si—OH 與硅微粉表面上的OH 反應(yīng)，形成氫鍵；第四步是在加熱的過程中產(chǎn)生縮合、脫水及固化反應(yīng)，達(dá)到與硅微粉形成牢固的共價鍵結(jié)合的目的，剩下的兩個Si—OH 或者與其它硅烷偶聯(lián)劑中的Si—OH 縮合，或者保持游離狀態(tài)。

圖1 硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉的反應(yīng)流程圖Fig.1 The reaction flow chart of silane coupling agent and silicon micro powder

綜上所述，硅烷偶聯(lián)劑應(yīng)用于硅微粉表面改性處理的效果應(yīng)是十分理想的。既可將硅微粉親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H有機(jī)性表面，還可提高有機(jī)高分子材料對其粉體的潤濕性，并通過官能團(tuán)使硅微粉與有機(jī)高分子材料實現(xiàn)牢固的共價鍵界面結(jié)合。

本文采用硅烷偶聯(lián)劑KH-560 對硅微粉進(jìn)行改性處理。

2 硅微粉改性處理及疏水效果

2.1 硅微粉改性處理工藝方法

按比例將硅烷試劑、去離子水、無水乙醇溶液混合配制成硅烷水溶液，滴加少量乙酸，調(diào)節(jié)水溶液pH 值，加熱硅烷水溶液至80℃，恒溫攪拌反應(yīng)1h 后備用。將硅微粉加入硅烷水溶液中充分混合均勻，10min 后將硅烷水溶液進(jìn)行過濾，將過濾得到的潮濕硅微粉放入鼓風(fēng)干燥箱中，100℃恒溫加熱1h，隨箱冷卻后將硅微粉塊研磨為粉狀物，通過過篩得到目數(shù)合格的改性處理硅微粉。

2.2 硅微粉改性處理效果

為了對比硅微粉改性處理的效果，將兩個對比試驗進(jìn)行驗證。

1）分別向改性處理硅微粉和普通硅微粉上滴加水滴，查看其效果；

2）分別將改性處理硅微粉和普通硅微粉倒入清水中，查看其沉降情況；

結(jié)果如圖2、圖3 所示：

圖2 硅微粉滴水對比試驗Fig.2 The silicon micro powder dripping water contrast test

圖3 硅微粉沉降對比試驗Fig.3 The silicon micro powder sedimentation contrast test

通過上圖可以發(fā)現(xiàn)，向普通硅微粉上滴水，水滴快速滲入硅微粉中，將普通硅微粉倒入清水中，硅微粉迅速沉入水底；而向改性處理硅微粉上滴水，水滴形成圓球狀靜止在硅微粉上，將改性硅微粉倒入清水中，硅微粉因憎水性而漂浮在清水表面上，經(jīng)1h 后，硅微粉仍未沉降，漂浮在水面上。

通過上述兩個對比試驗，可以發(fā)現(xiàn)與普通硅微粉相比，改性處理硅微粉的憎水效果是十分明顯的。

3 改性處理硅微粉對灌封膠影響

3.1 膠樣絕緣性能試驗

將改性處理后的填料灌封成膠樣制備成厚度為1.0mm，直徑為10cm 的薄片狀圓片，在高阻計和擊穿強(qiáng)度檢測儀器上對絕緣性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 膠樣絕緣電阻性能對比Table 1 The comparison of insulation resistance performance of glue-like samples

表2 擊穿強(qiáng)度性能對比Table 2 The comparison of breakdown strength performance

由表1、2 可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過表面改性處理的填料配制的導(dǎo)電桿灌封膠膠樣體積電阻率和表面電阻率較使用原填料的膠樣顯著提高，使用改性處理填料的膠樣體積電阻較使用原填料的膠樣提高了3～15 倍，表面電阻提高了1.5～3 倍，抗擊穿強(qiáng)度性能及機(jī)械性能較使用原填料稍高。

3.2 膠樣機(jī)械強(qiáng)度檢測

應(yīng)用不同填料配制得到的導(dǎo)電桿灌封膠機(jī)械強(qiáng)度對比數(shù)據(jù)見表5。

由表3 可以發(fā)現(xiàn)：使用改性處理硅微粉配制的膠樣與原硅微粉配制的膠樣的機(jī)械強(qiáng)度相當(dāng)，無不良影響。

表3 導(dǎo)電桿灌封膠配置填料的機(jī)械強(qiáng)度Table 3 The mechanical strength of conductive rod potting adhesive with filler

4 改性處理硅微粉導(dǎo)電桿的高濕絕緣性能試驗

根據(jù)上述測試結(jié)果可知，改性處理硅微粉能夠大幅提高導(dǎo)電桿灌封膠的絕緣性能，分別使用原導(dǎo)電桿灌封膠中的普通硅微粉和改性處理的硅微粉進(jìn)行灌封制作導(dǎo)電桿試驗樣件。

使用改性處理的硅微粉灌制4 件導(dǎo)電桿組件，編號分別為1#、2#、3#、4#。用該4 件導(dǎo)電桿組件進(jìn)行高濕度條件下絕緣性能試驗，試驗條件及數(shù)據(jù)見表4。

表4 改性處理硅微粉灌封的導(dǎo)電桿組件絕緣性能試驗數(shù)據(jù)Table 4 The insulation performance test data of conductive rod assembly potted with modified silicon micro powder

使用原導(dǎo)電桿灌封膠中的普通硅微粉灌制4件導(dǎo)電桿組件，編號分別為5#、6#、7#、8#。對該4 件導(dǎo)電桿組件進(jìn)行前文同等高濕度條件下的絕緣性能試驗，試驗條件及數(shù)據(jù)見表5，因?qū)щ姉U環(huán)數(shù)較多，本文所列數(shù)據(jù)僅選取環(huán)間絕緣阻值最小值。

表5 普通硅微粉灌封的導(dǎo)電桿組件絕緣性能試驗數(shù)據(jù)Table 5 The insulation performance test data of conductive rod assembly potted with ordinary silicon micro powder

由表4 和表5 可知，硅微粉改性處理工藝方法可顯著提升灌封膠在潮濕環(huán)境下的絕緣性能，用該種填料配置的灌封膠生產(chǎn)的導(dǎo)電桿組件在90%的高濕度環(huán)境下， 環(huán)間絕緣性能可以達(dá)到220MΩ@250V。

5 結(jié) 論

硅烷偶聯(lián)劑對于硅微粉的表面改性處理是十分有效的，能夠?qū)⒐栉⒎鄣挠H水性改為親有機(jī)性且疏水。

利用硅烷偶聯(lián)劑對硅微粉進(jìn)行表面改性處理的工藝方法能夠明顯提升導(dǎo)電桿灌封膠的耐潮濕絕緣性能，使導(dǎo)電桿在90%的環(huán)境濕度下仍然能夠達(dá)到220MΩ@250V 的要求，且對灌封膠的機(jī)械強(qiáng)度無不良影響。