熊 偉， 劉小勇， 馬亞軍， 李夢雪， 徐佳佳

(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076； 2.火箭軍駐長控公司軍事代表室，北京 100076)

0 引 言

承擔(dān)火箭伺服位移測量、反饋任務(wù)的特種傳感器，設(shè)計(jì)為電位計(jì)或線性可變差動(dòng)變壓器(linear variable differential transformer,LVDT)式傳感器形式[1]。我國固體運(yùn)載火箭發(fā)展之初，基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)水平較低，伺服特種傳感器基體材料選用的是耐溫等級(jí)較低的環(huán)氧酚醛類層壓板；進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著尖端科學(xué)和宇航技術(shù)的發(fā)展：高分子高性能結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺類復(fù)合材料由于其具有卓越的耐熱性、耐腐蝕性及高溫下良好的電氣物理性能[2]，而在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，固體運(yùn)載火箭伺服特種傳感器基體材料也開始大量選用聚酰亞胺材料。

1 伺服特種傳感器基體材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和物理組成

1.1 典型基體材料應(yīng)用現(xiàn)狀

按組成成分分為環(huán)氧(環(huán)氧酚醛)類基體材料和聚酰亞胺類基體材料[3]，其中環(huán)氧酚醛類基體材料主要有環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板3230、印制電路用覆銅箔環(huán)氧玻璃布層壓板CEPGC—32F；聚酰亞胺類基體材料主要有聚酰亞胺類層壓板YB—10，覆銅箔層壓板YB—20、可溶性聚酰亞胺模模壓塑料YS21、熱固性聚酰亞胺D7642和熱塑性聚酰亞胺NGDJ。

按外形結(jié)構(gòu)分為板式結(jié)構(gòu)、圓環(huán)式結(jié)構(gòu)和圓柱式結(jié)構(gòu)。板式結(jié)構(gòu)基體，多采用覆銅箔或不覆銅的層壓板加工成型，在生產(chǎn)傳感器時(shí)需在其表面印制電阻膜，因此要求基體材料表面不允許有氣泡、雜質(zhì)和其他明顯缺陷，邊緣應(yīng)切割整齊，斷面不允許有分層和裂紋，高溫下變形量小。

圓環(huán)式結(jié)構(gòu)基體材料多采用棒材或板材機(jī)加成型，生產(chǎn)傳感器時(shí)需在其環(huán)狀表面噴涂電阻膜，因此，要求基體材料應(yīng)具有良好的可機(jī)加性，表面不允許有氣泡、雜質(zhì)、裂紋和其他明顯缺陷，能夠達(dá)到較高的表面粗糙度，高溫下形變量小。

圓柱式結(jié)構(gòu)基體材料多采用棒材機(jī)加成空心薄壁孔，在生產(chǎn)傳感器時(shí)需在其圓柱面上繞制漆包線，因此，基體材料應(yīng)具有良好的可機(jī)加性，其表面不允許有氣泡、雜質(zhì)和其他明顯缺陷，高溫下形變量小。

1.2 典型基體材料的物理組成及特性

環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板3240是用無堿玻璃布浸以環(huán)氧酚醛樹脂經(jīng)熱壓而成的板狀層壓制品，其主體樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂 。印制電路用覆銅箔環(huán)氧玻璃布層壓板FR—4是在溴化環(huán)氧樹脂為粘合劑，無堿編織玻璃布為增強(qiáng)材料的電工絕緣玻璃布層壓板的雙面或單面覆銅箔而制成的，其主體樹脂為溴化雙酚A型環(huán)氧樹脂、一般采用雙氰胺作為固化劑。由兩者的環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)[4]可知：FR—4，3240中都含有大量的苯環(huán)、C—O鍵。

聚酰亞胺類層壓板YB—10和覆銅箔層壓板YB—20是以芳香二酐、二胺為主原料，經(jīng)聚合、浸漬、亞胺化、壓制等工藝而制成。熱固性聚酰亞胺D7642，采用熱固性PI(鏈烯基改性增韌的雙馬來酰亞胺)作為基體樹脂的玻璃纖維布增強(qiáng)的覆銅板[5]。YB—10，YB—20，D7642是以聚酰亞胺樹脂為基體，由其特征分子結(jié)構(gòu)知三者中含有大量的羰基(碳氧雙鍵)、含氮五元雜環(huán)。

通過對上述幾種典型產(chǎn)品進(jìn)行紅外光譜分析，可以比較出產(chǎn)品組成成份中共性與個(gè)性成份。

1)環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板3240，樣品編號(hào)為03—72,02—62，印制電路用覆銅箔環(huán)氧玻璃布層壓板FR—4樣品編號(hào)為03—16，02—42的紅外光譜[6]如圖1所示。

圖1 2種不同年份的基材紅外光譜

樣品中編號(hào)為03—72，03—16的樣品為03年生產(chǎn)基材，編號(hào)02—62，02—42的樣品為02年生產(chǎn)基材，從圖1來看，03—72和02—62 紅外圖譜基本吻合；而03—16和02—42 紅外圖譜在1 750 cm-1處有明顯差異，同時(shí)熱分解溫度差別較大，可能在固化劑方面有所差別。

通過以上紅外光譜分析[7]結(jié)論，同種材料因生產(chǎn)年份不同，其性能也有所不同，使用時(shí)應(yīng)綜合考慮其對傳感器產(chǎn)品的性能影響。

2)3種典型聚酰亞胺層壓制品的紅外光譜如圖2所示。

圖2 3種聚酰亞胺層壓板基材紅外光譜

從紅外圖上看，YB—10，YB—20及D7642在1 780 cm-1和1 722 cm-1處有聚酰亞胺2個(gè)羰基的特征吸收峰[8]，另外，在1 380 cm-1左右有酰亞胺環(huán)(C-N伸縮振動(dòng))的特征吸收峰，因此，可以判斷YB—10，YB—20與D7642相同，均為聚酰亞胺材料[9]。同時(shí)，也關(guān)注到3種譜圖之間的差異，表明3種材料在結(jié)構(gòu)上仍存在不同之處。

2 工程應(yīng)用中的共性問題及解決措施

隨著伺服特種傳感器產(chǎn)品研制進(jìn)程的加快，其種類、結(jié)構(gòu)形式不斷豐富，一方面面臨著應(yīng)滿足使用環(huán)境要求，另一方面面臨綜合考慮其基體材料的機(jī)械加工性、電氣連接可靠性、耐溫性、耐油性、耐潮濕性等諸多問題，基體材料選用的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)，產(chǎn)品合格率及產(chǎn)品的可靠性。

2.1 機(jī)械加工性

伺服系統(tǒng)用特種傳感器板式基材機(jī)械加工相對簡單，常見問題為基體分層、工作面布紋顯露。解決辦法通常在訂貨要求中增加不可有布紋顯露、不可有纖維暴露。纖維上的樹脂覆蓋層不能小于6 μm。

伺服系統(tǒng)用特種傳感器圓環(huán)式基材因其外形復(fù)雜，主要要求其具有良好的機(jī)械加工性，典型材料的產(chǎn)品性能為：實(shí)密度為(1 350±50)kg/m3；成型收縮率(25～340 ℃)為0.3 %；吸水率為0.5 %；長期使用溫度范圍為-200～245 ℃；拉伸強(qiáng)度大于等于85 MPa；彎曲強(qiáng)度大于等于150 MPa；壓縮強(qiáng)度大于等于120 MPa；沖擊強(qiáng)度大于等于20 kJ/m2；介電常數(shù)小于等于3.4；表面電阻系數(shù)大于等于1 014 Ω。

工程實(shí)踐中常見問題是因機(jī)加中進(jìn)給速度及切削量控制不好，造成開裂等現(xiàn)象。解決辦法：通常注明基材的老化溫度，在工藝中明確其進(jìn)給速度及切削量。工序間穿插進(jìn)行去除加工應(yīng)力的老化處理，及時(shí)去除因機(jī)械加工帶來的產(chǎn)品加工應(yīng)力[10]，防止材料出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

伺服系統(tǒng)用特種傳感器圓柱式基材機(jī)械加工因其薄壁細(xì)長孔及內(nèi)、外孔同軸度要求高的特點(diǎn)，基體材料選用充分考慮各種力學(xué)性能參數(shù)。主要問題是，工作面表面質(zhì)量差，內(nèi)外孔同軸度差。解決辦法是，通過采用專業(yè)的加工工裝和合適的工藝方法，保證其表面質(zhì)量和加工精度。

2.2 電氣連接可靠性

伺服系統(tǒng)用特種傳感器中一類是利用基材的銅箔經(jīng)腐蝕后作為信號(hào)引出，其銅箔的抗剝強(qiáng)度將直接影響傳感器的電氣連接性。

工程實(shí)踐中，最常見的問題是覆銅箔層壓板表面銅箔在腐蝕后部分起翹，脫落?？箘儚?qiáng)度表明銅箔與復(fù)合基材的結(jié)合強(qiáng)度，如果抗剝強(qiáng)度太低，銅箔蝕刻成線路后，線路容易脫落。對于1.0 mm以上厚度的基材，所附銅箔厚度為35 μm，經(jīng)過288 ℃，10s熱處理后，其抗剝強(qiáng)度一般應(yīng)高于0.8 N/mm，而對某種表面銅箔失效起翹材料進(jìn)行測試，其抗剝強(qiáng)度只有0.4 N/mm。

如表1所示，覆銅箔層壓板FR—4和熱固性聚酰亞胺D7642覆銅箔剝離強(qiáng)度明顯高于YB—20覆銅箔聚酰亞胺層壓板。YB—20的銅箔抗剝強(qiáng)度很低，銅箔與樹脂的界面結(jié)合很差?？紤]到電氣連接可靠性，應(yīng)優(yōu)先選用覆銅箔層壓板FR—4(使用環(huán)境溫度較低時(shí)選用)和熱固性聚酰亞胺D7642(使用環(huán)境溫度較低時(shí)選用)。

表1 幾種典型覆銅箔材料性能參數(shù)對比

2.3 耐溫性

伺服系統(tǒng)用特種傳感器基材選用時(shí)應(yīng)充分考慮其工作環(huán)境中溫度等級(jí)要求，應(yīng)具有寬溫域工作特點(diǎn)，幾種典型材料的高溫性能指標(biāo)如表2所示。

表2 幾種典型材料溫度性能對比

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，是樹脂從玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，樹脂表現(xiàn)出橡膠的特性，復(fù)合材料的剛性會(huì)明顯降低，容易受外力影響而變形。從以上測試結(jié)果判斷，F(xiàn)R—4，3240 2種材料在120 ℃以上高溫環(huán)境中力學(xué)性能會(huì)大幅下降；而YB—10，YB—20，D7642理論上能在200 ℃下保持良好的力學(xué)性能。熱分解溫度是表征材料耐熱性的一個(gè)指標(biāo)。熱分解溫度越高，材料的耐熱性越好。YB—10，YB—20，D7642的耐熱性明顯高于FR—4，3240。

2.4 耐油性

耐油性與材料的極性、結(jié)晶度、交聯(lián)度及空間位阻有很大關(guān)系。極性大、結(jié)晶度或交聯(lián)密度高、空間位阻大，則材料的耐油性越好。雙馬來酰亞胺樹脂與環(huán)氧樹脂相比，分子結(jié)構(gòu)中含有極性較高的羰基、含氮五元雜環(huán)，另外固化產(chǎn)物的交聯(lián)度更高、空間位阻更大，因此，其耐油性更好。幾種典型材料的耐油性表現(xiàn)排序如下：D7642優(yōu)于YB—10(YB—20)優(yōu)于3240優(yōu)于FR—4。

2.5 耐潮濕性

就復(fù)合材料而言，樹脂對增強(qiáng)材料的浸潤性不佳，界面結(jié)合差，會(huì)導(dǎo)致氧、潮氣等沿空洞侵入基材界面，長期作用后會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的機(jī)械及電氣性能[11]。

對3種典型材料進(jìn)行400倍顯微斷面分析，如圖3所示，可以看出，YB—10和YB—20材料樹脂與玻璃紗間界面浸潤差造成基材內(nèi)部空洞很多，而D7642材料樹脂與玻璃紗間界面浸潤很好基材內(nèi)部空洞較少，耐潮濕性能較好。單純考慮材料的耐潮濕性，應(yīng)優(yōu)先選用熱固性聚酰亞胺D7642。

圖3 3種典型材料的400倍顯微斷面分析

3 結(jié) 論

綜合考慮各種環(huán)境條件對固體運(yùn)載火箭伺服特種位移傳感器的基材選用是至關(guān)重要的，就材料本身而言，耐候性主要與分子結(jié)構(gòu)中的不飽和鍵(主要是碳碳雙鍵)、不穩(wěn)定環(huán)/鍵、主鏈雜原子有關(guān)，同時(shí)也與結(jié)晶度或交聯(lián)密度等有關(guān)。雙馬來酰亞胺具有特征五元酰亞胺環(huán)結(jié)構(gòu)，鍵能高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，苯環(huán)密度相對較低，因此，對光、氧、熱、潮氣等的抵抗能力強(qiáng)；而3240，F(xiàn)R—4中所用的環(huán)氧或酚醛樹脂樹脂含較多C—O鍵、苯環(huán)結(jié)構(gòu)，對光、氧、熱、潮氣的抵抗能力相對較差。

參考文獻(xiàn):

[1] 劉 焱，王 燁.位移傳感器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013,32(6)：76-80.

[2] 彭秧錫.聚酰亞胺新型材料及其應(yīng)用[J].化學(xué)教育,2014(4):7-10.

[3] 丁孟賢,何天白.聚酰亞胺新型材料[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[4] 區(qū)英鴻.塑料手冊[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999.

[5] 黃發(fā)榮,周 燕.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[6] 郭 露，彭江濤，付輝敬.基于部分線性回歸的紅外光譜多元校正方法[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2017(5):546-549.

[7] Xu Y L，Chen D R，Li H X，et al．Least square regularized regression in sum space[J]．IEEE Transactions on Neural Networks & Learning Systems，2013，24(4):635-646．

[8] 唐婷婷，周伍清，戴禮興.聚酰亞胺的改性研究進(jìn)展[J].合成技術(shù)與應(yīng)用，2006(3)：25-29.

[9] 張武最，羅益峰.合成纖維[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999:586-589.

[10] 孫永明，劉 武，張衛(wèi)平，等.基于聚酰亞胺基底的熱剪切應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(8):92-101.

[11] 李紹良,徐 靜,吳亞明.聚酰亞胺隔熱懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014,33(5):91-98.