周鵬偉，顏志毅，劉濤，王珂，吳彥妮，張家霖

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

前言

由于具有粘接通用性好，粘接強度高等優(yōu)點，環(huán)氧膠黏劑被廣泛應用在航天、航空等工業(yè)領(lǐng)域以及日常生活中，具有“萬能膠”之稱[1,2]。QJ 3215-2005[3]中5.1.2章節(jié)中表明“軸向引線元器件每根引線承重大于7 g，徑向引線元器件每根引線承重大于3.5 g，且設(shè)計文件中沒有規(guī)定其他固定方式的元器件”，需要使用膠黏劑進行粘固。在諸多航天產(chǎn)品研制過程中，為了加強產(chǎn)品中大質(zhì)量、大體積的元器件在力學環(huán)境下的適應能力，提高產(chǎn)品的可靠性，常用E-51環(huán)氧膠黏劑進行對元器件和緊固件進行粘固，利用膠黏劑與基體材料之間界面通過機械咬合、靜電吸附以及化學鍵和等形式，使得兩種材料界面能夠強力持久地粘接。雖然以基料+固化劑雙組份為反應成分的E-51環(huán)氧膠黏劑配置操作簡單，但是該膠黏劑呈現(xiàn)一般呈現(xiàn)硬脆、內(nèi)應力大等特性，斷裂能和斷裂韌性低，不耐沖擊和熱沖擊。因此，為了提高E-51環(huán)氧膠黏劑的界面粘接性能以及材料韌性，不少研究者們提出可以通過向E-51體系中添加納米顆粒作為強化相實現(xiàn)增韌改性[2,4-6]。其中，納米SiO2顆粒則是最常用的改性填料[1,7-9]，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量不同鍵合狀態(tài)的羥基和不飽和的殘鍵，其分子結(jié)構(gòu)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以與樹脂相應基團發(fā)生鍵合作用，從而能夠大大改善材料的強度和硬度；并且顆粒由于自身尺寸小，當采用合適的方式與樹脂復合時，其具有較高的流動性，將分布在高分子鍵的空隙之中，可使納米粒子/樹脂復合材料的韌性、強度、延展性均得到大幅提高。此外，航天產(chǎn)品在發(fā)射之前需要經(jīng)過熱環(huán)境試驗的驗證，由于環(huán)氧膠黏劑、元器件、印制板等材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異，導致在溫變環(huán)境中材料形變差異，從而形成的熱應力是導致膠黏劑失效的主要原因。此外，熱應力的產(chǎn)生還與環(huán)氧膠黏劑粘固元器件高度密切相關(guān)[10]。目前，QJ 3215-2005[3]中明確“直插元器件的環(huán)氧膠粘固高度應為1/4～1/2倍元器件本體高度”，但未見相關(guān)研究對元器件的點膠高度進行分析討論，同時納米SiO2顆粒改性后環(huán)氧膠黏劑粘固元器件的應力狀態(tài)同樣鮮見報道。

本研究工作通過向E-51環(huán)氧體系添加納米SiO2顆粒，研究添加納米SiO2顆粒對E-51環(huán)氧膠黏劑的界面粘接性能的影響，然后對改性前后E-51環(huán)氧膠黏劑的物性參數(shù)進行檢測分析，最后以直插鉭電容為研究對象，通過ANSYS仿真模擬不同點膠高度以及添加納米SiO2顆粒對E-51環(huán)氧膠黏劑粘固鉭電容在高低溫環(huán)境中的應力分布影響。

1 試驗準備

1.1 E-51復合環(huán)氧膠黏劑的配置

1）填料烘烤：為了減少顆粒表面吸附的水分和氣體，添加前對納米SiO2進行烘烤，烘烤溫度（100～300）℃，時間1 h，然后隨爐冷卻到室溫。

2）稱量：稱取基料15 g，固化劑12 g，按照質(zhì)量配比，稱取偶聯(lián)劑1.0 wt %，納米SiO215 wt %。

3）物料混合：用玻璃攪拌棒將稱取的基料、固化劑、偶聯(lián)劑、納米SiO2倒入一次性杯子中進行混合攪拌。

4）在有效時間120 min內(nèi)備用，制備試件。

1.2 環(huán)氧膠黏劑界面粘接性能測試

按照GB/T 7124中要求制備膠黏劑界面粘接性能測試試件，兩片金屬片為一組，尺寸為100×25×2 mm，金屬片材料選用高強鋁合金。拉伸速率5±1 mm/min。

1.3 高低溫循環(huán)試驗條件

①溫度范圍：（-40～80）℃；

②變溫率（箱內(nèi)空氣溫度變化的平均速率）：5～10 ℃ /min；

③一個循環(huán)周期：4 h，其中高溫停留1.5 h、低溫停留2 h；

④循環(huán)次數(shù)：12.5次循環(huán)

⑤允差：低溫（0～-4）℃、高溫（0～+4）℃

1.4 模擬準備

印制板材料參數(shù)、元器件本體材料參數(shù)、引腳材料參數(shù)咨詢廠家或查詢相關(guān)文獻獲得，如表1所示。

表1 材料的物性參數(shù)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 納米SiO2對E-51環(huán)氧膠黏劑粘接性能的影響

從圖1中可以看出，添加的SiO2顆粒的尺寸在100 nm以內(nèi)。從EDS面分布掃描圖（圖2）中可以看出，添加后SiO2顆粒在E-51環(huán)氧膠黏劑體系中均勻分散，無明顯團聚出現(xiàn)。通過粘接性能測試可知（見圖3），原始E-51環(huán)氧膠黏劑的初始粘接強度約為11.4 MPa，位移量小于1 mm。相較于原來E-51環(huán)氧膠黏劑，添加15 wt %納米SiO2界面粘接強度達到22 MPa，位移量為2.24 mm，由此可見，納米SiO2在環(huán)氧樹脂本體中起到明顯增強增韌作用，這與文獻[7,8]報道結(jié)果相一致。

圖1 納米SiO2的SEM照片及相應的EDS數(shù)據(jù)

圖2 添加15 wt %納米SiO2改性后環(huán)氧膠黏劑的EDS Mapping圖片

圖3 原始E-51和添加納米SiO2后復合E-51環(huán)氧膠黏劑界面粘接性能對比

2.2 改性前后環(huán)氧膠黏劑粘固元器件在高低溫循環(huán)下的應力分布模擬

表2所示的納米SiO2顆粒改性前后E-51環(huán)氧膠黏劑的物性參數(shù)檢測結(jié)果匯總表。首先從表中可以看出，相較于改性前E-51環(huán)氧膠黏劑，改性后復合E-51環(huán)氧膠黏劑不僅玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高了近8 ℃，而且熱膨脹系數(shù)（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以內(nèi)）也降低了，理論上這將顯然有助于降低高低溫環(huán)境過程中的熱應力，從而改善膠黏劑的適應能力。

表2 環(huán)氧樹脂物性參數(shù)檢測結(jié)果匯總表

圖4所示的不同點膠高度下環(huán)氧膠黏劑粘固直插鉭電容的仿真模型。圖5所示的在點膠高度為1/4元器件本體高度時不同環(huán)氧膠黏劑在高低溫環(huán)境中粘固直插鉭電容的應力分布。首先從直插鉭電容在高低溫環(huán)境中的應力分布圖（見圖5）中可以看出膠黏劑的最大應力主要分布在與印制板的粘接界面，這與產(chǎn)品中常見的質(zhì)量問題狀態(tài)相吻合。表3列出了不同點膠高度下兩種環(huán)氧膠黏劑粘固直插鉭電容在高低溫環(huán)境中的最大應力值及分布位置。從表3中可以看出，隨著點膠高度從1/4倍器件本體增加到1/2倍器件本體，膠黏劑本體應力變化不大；但是繼續(xù)增加至1倍器件本體時，膠黏劑本體應力增大8～9 %，即1倍器件本體點膠高度情況下環(huán)氧膠黏劑可靠性存在下降的可能性。由此可見，環(huán)氧膠黏劑粘固鉭電容的點膠高度合適范圍可以確認為1/4倍～1/2倍器件本體，這與QJ 3215標準規(guī)范中的粘固要求相吻合。

圖4 不同點膠高度下環(huán)氧膠黏劑粘固直插鉭電容的仿真模型

圖5 點膠高度為1/4倍器件本體環(huán)氧膠黏劑粘固鉭電容在高低溫環(huán)境下應力分布模擬

此外，相較于改性前E-51環(huán)氧膠黏劑點膠加固鉭電容情況，添加了SiO2納米顆粒的復合E-51環(huán)氧膠黏劑可以改善應力分布，使得膠黏劑本體及與印制板的界面應力整體降低10 %左右，從而提高環(huán)氧膠黏劑與印制板界面的粘接可靠性。

3 結(jié)論

本研究工作針對E-51環(huán)氧膠黏劑為主要研究對象，通過添加15 wt%納米SiO2顆粒實現(xiàn)E-51膠黏劑界面粘接性能顯著增強，可將界面粘接性能提升75 %以上，并且有效提高E-51環(huán)氧膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，降低其熱膨脹系數(shù)。通過ANSYS仿真軟件對改性前后環(huán)氧粘固直插鉭電容在不同點膠高度條件下在高低溫環(huán)境下的應力分布狀態(tài)，分析確認直插鉭電容的最佳點膠高度為1/4～1/2倍元器件高度，并且納米SiO2顆粒改性后的E-51環(huán)氧膠黏劑能夠有效緩解界面最大應力，降低約10 %，由此可見，改性后環(huán)氧膠黏劑可以有效提高產(chǎn)品在力、熱環(huán)境中的可靠性。