一種小型化8kV級陶瓷金屬封裝氣密封組件設計

摘" 要：該文介紹為用戶設計定制的一款小型化8 kV級陶瓷金屬封裝氣密封連接器組件，基于雙層介質(zhì)同軸圓柱形電極模型進行長強分布計算，并利用ANSYS軟件對產(chǎn)品截面電場、耐振動、抗沖擊性能進行仿真分析，來驗證材料選擇和結(jié)構(gòu)設計的合理性，同時為高電壓氣密封連接器的設計提供借鑒意義。

關鍵詞：高壓組件；氣密封；陶瓷金屬封裝；抗沖擊；仿真分析

中圖分類號：TB472" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0128-04

Abstract： This paper introduces a miniaturized 8 kV ceramic-metal encapsulated hermetically sealed connector assembly designed and customized for users. The length and strength distribution calculation is carried out based on a double-layer dielectric coaxial cylindrical electrode model， and ANSYS software is used to simulate and analyze the cross-section electric field， vibration resistance and impact resistance of the product to verify the rationality of material selection and structural design， and at the same time provide reference significance for the design of high-voltage hermetically sealed connectors.

Keywords： high-pressure component; hermetic seal; ceramic-metal packaging; impact resistance; simulation analysis

小型化8 kV級陶瓷金屬封裝氣密封互連組件采用先進的耐電壓設計結(jié)構(gòu)和陶瓷絕緣體插座，具有工作電壓高、密封性好、性能穩(wěn)定可靠、安裝方便等特點，同時還具有耐低氣壓、耐氣候老化等環(huán)境適應性好的特點。用戶使用時將插座固定在機箱面板上，插頭和插座通過螺紋連接機構(gòu)，帶動接觸件插合對之間形成彈性接觸，從而實現(xiàn)電氣連接，使用示意如圖1所示。產(chǎn)品應用于真空高壓電源、X射線條紋相機等機載、艦載特種設備中高電壓信號的連接與傳輸。

1nbsp; 關鍵設計指標

介質(zhì)耐電壓：8 000 V；

密封指標：泄漏率＜10-3 Pa·cm3/s；

抗沖擊指標：＞100 g（6 ms）；

正弦振動：10～2 000 Hz（196 m/s2）。

2" 結(jié)構(gòu)設計方案

絕緣材料選取首先考慮介電強度，介電強度越高，耐電壓性能越好；其次絕緣材料要有優(yōu)異的物理和機械性能，耐高低溫性能、耐腐蝕性，以及良好的耐電暈特性[1]。產(chǎn)品的互連結(jié)構(gòu)和插合界面結(jié)構(gòu)設計如圖2所示，界面采用一軟一硬的絕緣材料，能夠?qū)崿F(xiàn)彈性壓縮，達到界面密封。根據(jù)8 000 V耐電壓設計需要，插頭采用軟質(zhì)絕緣材料硅橡膠，介質(zhì)強度達23 kV/mm，體積電阻率1015 Ω·cm，具有優(yōu)異的電絕緣性能、硬度較高、彈性回縮性好；插座絕緣體采用硬質(zhì)絕緣材料Al2O3陶瓷，介質(zhì)強度達14 kV/mm，體積電阻率1014 Ω·cm，具有優(yōu)異的耐油性、耐高溫高濕、抗輻射、耐老化性能。

2.1" 插頭結(jié)構(gòu)設計

插頭結(jié)構(gòu)如圖3所示，安裝板為絕緣支撐件，采用硅橡膠通過精密模具制造而成；連接套、殼體和擋板均采用工程塑料通過精密模具注塑成型。安裝板置于殼體內(nèi)，然后套上連接套，使用擋板進行固定，最后將插孔套管壓接再同導線進行焊接，裝入安裝板內(nèi)。該插頭整體結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，采用了導線后裝式結(jié)構(gòu)，可以在整機設備的現(xiàn)場進行安裝和維修，應用靈活。

2.2" 插座結(jié)構(gòu)設計

插座結(jié)構(gòu)如圖4所示，法蘭盤和插針使用的材料為可伐合金4J33，通過精密數(shù)控車床加工而成，可伐合金4J33又稱低膨脹磁封合金，是結(jié)合陶瓷特點研制出的陶瓷封接合金，該合金在-60～600 ℃溫度范圍內(nèi)具有與陶瓷相近的線膨脹系數(shù)[2]。殼體的材料為陶瓷，通過制坯和高溫燒結(jié)而成。法蘭盤與殼體、插針與殼體之間通過釬焊形成整體密封結(jié)構(gòu)，在它們之間的焊接區(qū)域，陶瓷殼體表面已進行過金屬化處理，有利于實現(xiàn)可靠的封焊效果。

3" 關鍵指標實現(xiàn)措施

3.1" 介質(zhì)耐電壓：8 000 V

耐電壓指標是產(chǎn)品核心指標，是保證連接器高壓傳輸?shù)年P鍵指標。當工作電壓較高時，連接器在插合界面處容易產(chǎn)生“沿面閃絡”，造成擊穿失效；如果配合界面有空氣層，那么空氣層會承受很大的電場壓力并產(chǎn)生電暈，接著被擊穿，產(chǎn)品插合界面如圖5所示。

解決擊穿失效最有效的方式是增加爬電距離和減少插合界面的空氣隙。根據(jù)陶瓷絕緣體的規(guī)定尺寸最大限度增加接觸件間的爬電距離；同時絕緣安裝板采用軟質(zhì)的硅橡膠制成，在與插座配合時，整個配合界面可以施加一定的壓力，在界面壓力作用下，可以有效地排除電極間的氣隙連通，達到在界面上消除空氣隙的目的，以增加產(chǎn)品的耐壓性能。

首先將實際問題模型化，將連接器組件結(jié)構(gòu)等效為同軸圓柱型電模型，如圖6所示。

根據(jù)同軸圓柱型電極模型的計算公式，2層介質(zhì)中的最大場強均在內(nèi)圓柱的外表面，分別為

式中：r1為內(nèi)導體半徑；r2為安裝板半徑；r3為陶瓷絕緣體半徑；γ1為硅橡膠介電常數(shù)；γ2為陶瓷介電常數(shù)。

硅橡膠的介電常數(shù)為3.3，陶瓷的介電常數(shù)為8.5，即同軸圓柱型電極模型的計算公式中，r1=1.4，r2=2.8，r3=5，γ1=3.3，γ2=8.5，代入公式（1）和（2）中可以得到

經(jīng)計算：E1max=6.223 kV/mm，E2max=1.208 kV/mm， 即產(chǎn)品在施加耐電壓8 kVd.c.的情況下，接觸件外表面和安裝板內(nèi)表面的最大場強為 6.223 kV/mm， 遠遠低于硅橡膠的擊穿強度（23 kV/mm）；安裝板外表面和陶瓷殼體內(nèi)表面的最大場強為1.208 kV/mm，同樣遠遠低于陶瓷的擊穿強度（14 kV/mm）。計算結(jié)果表明：產(chǎn)品絕緣材料的選擇滿足耐電壓設計要求。對產(chǎn)品插合時的界面電場分布進行ANSYS仿真分析，結(jié)果如圖7所示。

仿真結(jié)果表明：接觸件外表面和安裝板內(nèi)表面的最大場強在4 961～6 447 kV/mm范圍內(nèi)；安裝板外表面和陶瓷殼體內(nèi)表面的最大場強為1 069～1 556 kV/mm范圍內(nèi)，與計算結(jié)果相符合。

3.2" 密封指標：泄漏率＜10-3 Pa·cm3/s

密封結(jié)構(gòu)的核心是陶瓷插座的密封性能，陶瓷殼體表面已進行過金屬化處理，有利于實現(xiàn)可靠的封焊效果，插針中部設計有圓形的焊盤，用以同陶瓷殼體的金屬化部分進行釬焊形成整體密封結(jié)構(gòu)。陶瓷表面牢固地形成一層金屬薄膜，從而使焊料和陶瓷實現(xiàn)直接封接的過程為一次金屬化，采用活化Mo-Mn工藝；金屬件與陶瓷釬焊后的電鍍稱為二次金屬化，通過AgCu28材料，和鍍暗鎳的金屬材料在800 ℃以上可以進行硬釬焊，結(jié)構(gòu)和工藝流程如圖8所示。釬焊是氣密封的關鍵控制點，是利用陶瓷金屬母材之間的釬料在高溫熔化，其中的活性組元與陶瓷發(fā)生化學反應，形成穩(wěn)定的反應梯度層，將2種材料結(jié)合在一起，是產(chǎn)品密封性指標的關鍵[3]。

4" 耐振動和沖擊設計

當連接器受到振動和沖擊影響時，為了保證連接器結(jié)構(gòu)強度的安全性和電接觸的可靠性，在連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計上，采用絕緣介質(zhì)，由兩端固定接觸件，并在連接器軸向結(jié)構(gòu)增加臺階，以提高可靠性。如圖9所示。

同時在ANSYS中建模對產(chǎn)品進行振動仿真[4]，仿真結(jié)果如圖10所示。

由振動模態(tài)分析結(jié)果可以看出，產(chǎn)品的一階固有頻率為5 868.4 Hz， 遠大于規(guī)定的2 000 Hz的要求，因此產(chǎn)品在振動過程中不會發(fā)生共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)可靠。

在ANSYS中建模，對產(chǎn)品施加載荷進行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示。

由沖擊分析結(jié)果可以看出在100 g的加速度載荷下，產(chǎn)品的最大形變?yōu)?.25×10-4 mm。此形變量不足以影響產(chǎn)品的性能，沖擊過程中產(chǎn)品不會發(fā)生瞬斷。

參考文獻：

[1] 蘇太東，彭長江.DH型矩形高壓連接器的設計[J].機電元件，2011，31（2）：3-6，40.

[2] 安繼儒，郭強.金屬材料手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[3] 高隴橋.陶瓷-金屬材料實用封接技術[M].3版.北京：化學工業(yè)出版社，2018.

[4] 黃志新.ANSYS Workbench 16.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2016.