摘 要:某光學組件在高低溫沖擊試驗后反射鏡出現裂紋.通過宏觀分析、剪切強度試驗、硬度 測試、線膨脹系數試驗等方法對反射鏡開裂原因進行了分析.結果表明:DGＧ４膠黏劑配比不當,對 反射鏡產生了較大的固化應力,加之高低溫沖擊試驗中,急速升降溫使得反射鏡受到了較大的熱應 力,在兩者的共同作用下反射鏡發生開裂.
關鍵詞:反射鏡;固化應力;熱應力;DGＧ４膠黏劑;高低溫沖擊試驗
中圖分類號:TH７４１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５２Ｇ０３
光學組件是紅外導引頭的重要組成部分,拋物 柱面反射鏡(簡稱反射鏡)則是光學組件的重要組成 部分[１].DGＧ４光學結構膠(簡稱 DGＧ４)因具有優良 的光學性能、黏接性能和耐老化性能,得到了廣泛的 應用[２].光學組件中的探測器為環氧樹脂膠封裝成 型,通過 DGＧ４黏接在反射鏡的光學玻璃上.編號 為１７０１批 次 的 光 學 組 件 裝 配 完 成 后,經 高 低 溫 (－５０~７０ ℃)沖擊試驗１０次后多臺反射鏡出現裂 紋.經統計,該批光學組件４個子批的故障率分別 為２１．１％,１７．８％,２３．４％,１８．５％,平 均 故 障 率 為 ２０．２％.筆者通過一系列理化檢驗對反射鏡的開裂 原因進行了分析,找出了反射鏡開裂的原因并提出 了相應的改進措施.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
使用 LEICAS６D型體視顯微鏡對拆解下來的 開裂反射鏡進行觀察,如圖１所示.可見反射鏡外 表面無損傷,裂紋主要分布于反射鏡與探測器的黏 接部位.
１．２ 剪切強度試驗
DGＧ４為雙組分環氧膠,A 組分為環氧樹脂,B 組分為胺類固化劑.A,B的質量比為１~２∶１,固化 條件為室溫放置４８h或６０ ℃保溫４h.
將 DGＧ４ 按 照 A,B 組 分 質 量 比 為 １∶１, １．５∶１,２∶１的 配 比 制 成 兩 組 剪 切 強 度 試 樣,在 ６０ ℃保溫 ４ h 進 行 固 化. 按 照 GB/T ７１２４－ ２００８«膠粘劑 拉伸 剪 切 強 度 的 測 定(剛 性 材 料 對 剛性材 料 )»,使 用 INSTRON５５８１ 型 電 子 拉 力 試驗機 對 試 樣 進 行 剪 切 強 度 試 驗,結 果 分 別 為 ３２．４,３５．１,２４．０ MPa.
１．３ 硬度測試
將 DGＧ４按照 A,B 組分質量比為１∶１,１．５∶１, ２∶１的配比制成兩組硬度測試試樣,一組室溫放置 ４８h進行固化,另一組６０℃保溫４h進行固化.按 照 GB/T２４１１－２００８«塑料和硬橡膠 使用硬度計測 定壓痕硬度(邵氏硬度)»,使用 TIMETH２１０型邵 氏硬度計對試樣進行硬度測試,結果分別為７３,７８, ７３HD.
對故障 批 次 １７０１ 批、無 故 障 批 次 １６０１ 批 及 １６０２批黏接反射鏡留存的 DGＧ４膠樣進行邵氏硬度 試驗,結果分別為７７,７４,７３HD.
按照 GB/T７９６２．１８－２０１０«無色光學玻璃測試 方法 第１８部分:克氏硬度»,使用SHMADZU HMVＧ G型顯微硬度計,對１７０１批,１６０１批以及１６０２批產 品的反射鏡進行硬度測試.載荷為１．９６N,測得３批 反射鏡的硬度分別為５６０,５３４,５４５HK.
１．４ 線膨脹系數試驗
將 DGＧ４按照 A,B組分質量比為１．５∶１的配比 制成 規 格 為 ?８ mm×１０ mm 的 試 樣,使 用 TA TMA Q４００型線膨脹測試儀進行線膨脹系數測試, 結果如圖２所示.可見在２０~５０ ℃時,DGＧ４的線 膨脹系數約為８０μm??(m??℃)－１.
２ 分析與討論
該批次光學組件中反射鏡開裂的原因可分為內 在因素和外在因素,內在因素為反射鏡的自身缺陷, 外在因素可分為外部應力和內部應力.對３個批次 光學組件中反射鏡的尺寸、折射率、色散系數進行測 試,由表 １ 可 見 故 障 批 次 １７０１ 批 與 無 故 障 批 次 １６０１批及１６０２批的測試結果無明顯差異,說明反 射鏡質量穩定,排除反射鏡自身缺陷導致反射鏡開 裂的可能性.
DGＧ４在 固 化 過 程 中 因 體 積 以 及 黏 彈 性 變 化 會產生固化應力[３Ｇ４],其固化過程中的固化應力不 斷增大,完 全 固 化 后,應 力 達 到 最 大 值,會 對 被 黏 物體產生 影 響.在 光 學 組 件 膠 接 時,收 縮 性 膠 黏 劑如 DGＧ４的固化應力形成作用在 反 射 鏡 上 的 拉 應力,此為其中一種內部應力.在經歷高溫(或低 溫)時,由于 膠 與 反 射 鏡 的 膨 脹 系 數 不 同,溫 度 變 化過程中,膠與被黏物體間存在一定熱應力,溫度 變化越快,熱 應 力 越 大.熱 應 力 為 作 用 在 反 射 鏡 上的另一種內部應力.
采用體視顯微鏡觀察到反射鏡外表面無任何損 傷,裂紋出現在反射鏡通過 DGＧ４與探測器黏接的 表面.任何外部應力作用在反射鏡上,造成反射鏡 內表面產生裂紋,必然會在受力點產生損傷.而該 反射鏡外表面無任何損傷,說明反射鏡的開裂不是 外部應力引起的.
剪切強度試驗與硬度測試結果表明,DGＧ４ 的 A,B 組分質量配比不同時,DGＧ４的剪切強度與硬 度都不相同.A,B組分質量比為１．５∶１時的剪切強 度與硬度最大.１７０１批反射鏡黏接留存膠樣的硬 度比１６０１,１６０２批的略大.由此可知,１７０１批反射 鏡黏接所用 DGＧ４中 A,B 組分的實際質量比約為 １．５∶１.此時,DGＧ４的剪切強度與硬度較大,對反射 鏡產生的殘余固化拉應力也較大.
環氧樹脂與探測器上其他組件材料的線膨脹系 數不同,易導致組件內部產生熱應力從而影響探測 器的使用壽命[５].DGＧ４在２０~５０℃時的線膨脹系數約為８０μm??(m??℃)－１,即８×１０－５ ℃－１.反射 鏡的 材 料 為 ZKＧ１０ 光 學 玻 璃,其 線 膨 脹 因 數 為 １０－６ ℃－１[６],遠 小 于 DGＧ４ 的 線 膨 脹 因 數.DGＧ４ 固化后與反射鏡直接接觸,由于線膨脹因數不同,在 高低溫沖擊試驗過程中 DGＧ４會對反射鏡產生較大 的熱應力[７Ｇ８].與反射鏡黏接的探測器為環氧樹脂 封裝組件,同類材料的線膨脹因數相近,故在溫度沖 擊試驗過程中 DGＧ４對探測器的熱應力較小.當光 學組件由７０ ℃轉至－５０ ℃時,急速降溫導致 DGＧ４ 對反射鏡產生較大熱應力,其與固化應力共同作用, 將反射鏡拉傷,產生裂紋,裂紋在循環熱應力作用下 不斷擴展[９].
３ 結論及建議
反射鏡與探測器通過 DGＧ４黏接,DGＧ４配比不 當導致反射鏡受到較大的固化應力;并且 DGＧ４與 反射鏡的線膨脹因數相差較大,高低溫沖擊試驗時, 急速升降溫使得 DGＧ４ 對反射鏡 產 生 較 大 的 熱 應 力,固化應力和熱應力的共同作用導致反射鏡開裂.
建議 將 DGＧ４ 中 A,B 組 分 的 質 量 比 調 整 為 ２∶１,并增加３次低速率升降溫操作使熱應力得到釋 放,避免故障的再次發生.
參考文獻:
[１] 馬曉平,趙良玉．紅外導引頭關鍵技術國內外研究現 狀綜述[J]．航空兵器,２０１８,５５(３):３Ｇ１０．
[２] 楊青．光學透明膠及其在消費電子設備中的應用[J]． 粘接,２０１５,３６(６):８７Ｇ８９．
[３] 李潤明,田培,石家華,等．環氧樹脂固化過程中的黏 彈性分析[J]．化學研究,２０１６,２７(６):７６３Ｇ７６６．
[４] 程仁政,李小慧,沈景鳳,等．聚氨酯基體配比對芳綸 增強聚氨酯復合材料力學性能的影響[J]．理化檢驗 (物理分冊),２０１９,５５(１):１９Ｇ２２．
[５] 吳嘉杰．測試溫度范圍對環氧樹脂平均線膨脹系數 的影響[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１６,５２(５):２９１Ｇ ２９４．
[６] 何峰,張文濤,謝峻林,等．P２O５ 對高膨脹光學玻璃結 構與性能的影響[J]．玻璃與搪瓷,２０１５,４３(６):６Ｇ１１．
[７] 顧毅欣,楊宇軍,張丁,等．基于環氧樹脂灌封的三維 疊層組件裂紋問題分析與對策研究[J]．微電子學與 計算機,２０１７,３４(２):５３Ｇ５７．
[８] 李松,卞楠．片式多層陶瓷電容失效原因分析[J]．理 化檢驗(物理分冊),２０１６,５２(９):６６３Ｇ６６６．
[９] 劉凱,朱哲明,何廉,等．脆性材料裂紋動態擴展規律 研究[J]．四川大學學報(工程科學版),２０１５,４７(增刊 ２):８１Ｇ８８．