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通過熱固性材料的密封包覆成型實(shí)現(xiàn)高性能的電氣應(yīng)用
  瀏覽次數(shù):4822  發(fā)布時(shí)間:2018年07月23日 14:57:47
[導(dǎo)讀] 技術(shù)性熱塑性材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和出色的電絕緣性能,因此被廣泛應(yīng)用于電氣行業(yè)。但在熱塑性材料性能達(dá)到應(yīng)用極限時(shí),熱固性材料也可能成為合適的替代品。將熱固性材料與熱塑性材料巧妙地結(jié)合在雙組分部件中,還可以避免材料脆性斷裂行為的發(fā)生。
 
技術(shù)性熱塑性材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和出色的電絕緣性能,因此被廣泛應(yīng)用于電氣行業(yè)。但在熱塑性材料性能達(dá)到應(yīng)用極限時(shí),熱固性材料也可能成為合適的替代品。將熱固性材料與熱塑性材料巧妙地結(jié)合在雙組分部件中,還可以避免材料脆性斷裂行為的發(fā)生。
 
 
真實(shí)的試驗(yàn)部件為各個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù),例如:研究對經(jīng)過不同表面改性的沖壓毛坯進(jìn)行包覆成型的熱固性材料的性能(© Kunststoff-Institut Südwest)


 
目前,熱固性材料逐漸在市場上復(fù)興。因?yàn)樵诟鞣N應(yīng)用中,尤其是在汽車工業(yè),例如在內(nèi)燃機(jī)小型化及由此帶來的耐高溫需求增加的進(jìn)程中,熱固性材料作為混合部件的可能組成成份,越來越多地融入到人們的各種討論中。
 
利用熱塑性材料對嵌件進(jìn)行包覆成型的技術(shù)已很成熟并被廣泛應(yīng)用。但是,該行業(yè)仍然面臨著各種各樣的挑戰(zhàn),例如:不斷增加的成本壓力和部件小型化趨勢。后者經(jīng)常成為嵌件移位或密封性差等問題的根源。
 
在電氣應(yīng)用中利用熱塑性材料進(jìn)行包覆成型
 
當(dāng)利用熱塑性材料對嵌件進(jìn)行包覆成型時(shí),200-700 bar的型腔壓力并不罕見。嵌件的載荷在多數(shù)情況下都非常高,因此需要極大的努力才能避免變形。解決這一問題的方法之一是進(jìn)行多階段包覆成型:首先,將預(yù)成型的嵌件固定在模具中;然后,在后續(xù)包覆成型操作中用塑料完全包覆。這種策略通常會(huì)造成兩種包覆成型材料粘結(jié)性不足,原因之一是第一個(gè)組件在第二個(gè)加熱階段沒有充分融化。
 
如果不想產(chǎn)生額外的財(cái)務(wù)成本,還可考慮使用含活動(dòng)型芯的包覆成型模具來固定嵌件。包覆成型工藝的結(jié)果在很大程度上取決于型芯的活動(dòng)和最后產(chǎn)生的部件的密封性,靠近澆口的區(qū)域通常比遠(yuǎn)離澆口的區(qū)域更易泄漏。此外,因批次波動(dòng)或濕氣影響等引起的粘度波動(dòng)也會(huì)影響工藝的重現(xiàn)性,并因此影響到生產(chǎn)出包覆成型密封部件的目標(biāo)。
 
關(guān)于熱固性材料應(yīng)用的新思路
 
我們應(yīng)重新認(rèn)識(shí)一下熱固性材料。如今該材料已取得了很大的進(jìn)展,原料制造商已做好應(yīng)對材料特殊要求的準(zhǔn)備。他們根據(jù)客戶要求提供定制配方的熱固性材料,通常這些材料的附加價(jià)值是熱塑性材料所不具備的。
 
與熱塑性材料加工相比,根據(jù)這些要求生產(chǎn)的熱固性材料能夠輕松地處理低于50 bar的型腔壓力——這是熱塑性材料加工商所熟知的熱熔加工的壓力范圍。通過這一方式,組裝好的電路板可以利用熱固性材料進(jìn)行包覆成型——即使壁厚不同,也不會(huì)導(dǎo)致嵌件變形或移位。
 
熱固性材料加工的常見缺點(diǎn)是毛邊。塑料加工行業(yè)和模具制造商早已習(xí)慣了這個(gè)問題,它可以通過仿真法、溢流腔、最新的模具技術(shù)和全自動(dòng)的二次加工技術(shù)來解決。仿真所需的數(shù)據(jù)集目前在市場上很少見,但德國的Kunststoff-Institut Lüdenscheid公司已成功生成了該數(shù)據(jù)集。
 

 
圖1 包覆成型傳感器的外部尺寸和示意圖。BMC、EP和PBT的比較結(jié)果顯示,熱塑性材料的收縮率比熱固性材料高,導(dǎo)致嵌件的載荷也更高(© Kunststoff-Institut Lüdenscheid)
 
基體的這種低粘度(造成分型線毛邊的主要原因)可用于完全包覆電子部件、線圈架等。壁厚為零點(diǎn)幾至幾毫米的部件都能夠可靠地填充,因此與熱塑性材料相比更具價(jià)值。此外,熱固性模塑材料的低收縮率(圖1)減少了包覆成型后作用于電子部件的內(nèi)部應(yīng)力,正如EP和BMC模塑材料與PBT的比較結(jié)果所顯示的那樣。
 
與電路板封裝在外殼中相比,包覆成型工藝更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。一步式工藝省去了數(shù)分鐘的封裝應(yīng)用以及固化區(qū)域。憑借更簡單的工藝技術(shù),相同的密封性或耐環(huán)境性要求均能得到滿足,因此進(jìn)一步增強(qiáng)了其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
 
圖2 電子模塊試驗(yàn):導(dǎo)體板(深綠色)用塑料(半透明)完全包覆成型,以確保獲得可靠的測試結(jié)果(© Kunststoff-Institut Lüdenscheid)
 
為了獲得可靠的結(jié)果,Kunststoff-Institut正在用試樣進(jìn)行注塑成型試驗(yàn)(圖2)。在成型過程中,部件的性能通過在線測量系統(tǒng)(功能測試)記錄,并隨后進(jìn)行氣候適應(yīng)性測試。其目的是使試驗(yàn)結(jié)果能夠用于改進(jìn)對應(yīng)的一次注射部件的設(shè)計(jì)。
 
含金屬和熱塑性材料的熱固性混合部件
 
根據(jù)材料基體的不同,有些熱固性材料能與金屬產(chǎn)生化學(xué)連接。采用熱固性材料對金屬嵌件進(jìn)行包覆成型的另一個(gè)優(yōu)勢是在連續(xù)使用時(shí)具有相同的膨脹系數(shù),這也確保了分界面較低的固有應(yīng)力可能性和較強(qiáng)的密封性——這一效果使該方法對插頭的包覆成型非常有用。對包覆成型插頭(標(biāo)題圖)的研究表明,長度4mm和壁厚0.4mm的部件經(jīng)過包覆成型后可獲得能通過氦質(zhì)譜檢漏儀驗(yàn)證的密封性。使用熱塑性材料時(shí),若要達(dá)到這種密封等級(jí)通常需要極大的努力,例如使用助粘劑或高性能熱塑性材料。
 
此外,熱固性材料的特點(diǎn)是在連續(xù)使用時(shí)耐熱性至少達(dá)到150℃。而在熱塑性材料中,可與之相比的僅有改性聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)和聚醚醚酮(PEEK),而這種熱固性材料的價(jià)格也與改性聚酰胺相近。
 
圖3 PPS(下)和BMC(上)的分界面顯示的輪廓幾乎一樣,這也反映了粘結(jié)部件出色的粘結(jié)強(qiáng)度(© Kunstsstoff-Institut Lüdenscheid)
 
但是,由于熱固性材料是一種堅(jiān)硬且相對不靈活的材料,因此其不能用于彈性功能元件的生產(chǎn),如彈簧鉤。而熱固性材料與熱塑性材料的組合則是這種應(yīng)用的適用方案。利用粘結(jié)工藝產(chǎn)生的這種組合運(yùn)用了最先進(jìn)的技術(shù)。不過,Kunststoff-Institut Lüdenscheid公司的研究表明,通過注塑成型也可以進(jìn)行兩種材料的接合(圖3和4)。
 
圖4 通過轉(zhuǎn)換工藝生產(chǎn)的位于拉伸棒斷裂點(diǎn)熱塑性聚酰胺(黑色)之上的B M C 熱固性材料(塊狀模塑料,淺色) 的微觀圖( ©Kunststoff-InstitutLüdenscheid)
 
熱塑性材料和熱固性材料的部件組合是塑料行業(yè)的一個(gè)利基,但目前仍有許多基本問題需要解決。例如,其需要合適的材料組合以及生產(chǎn)順序:是先加入熱固性材料再加入熱塑性材料,還是按相反的順序進(jìn)行?專為此生產(chǎn)的試樣的最初研究(圖5)表明,PA66-GF30與自由流動(dòng)環(huán)氧化物包覆成型的組合所獲得的粘結(jié)強(qiáng)度較低,會(huì)導(dǎo)致熱固性材料的粘結(jié)斷裂。
 
圖5 “DuroVerbund II”項(xiàng)目生產(chǎn)的含熱塑性嵌件(綠色)和熱固性包覆成型(灰色)的雙組分混合部件用于對材料粘結(jié)強(qiáng)度和密封性進(jìn)行最終測試(© Kunststoff- Institut Lüdenscheid)
 
研究結(jié)果(圖6)表明,這種組合所獲得的粘結(jié)強(qiáng)度并未通過預(yù)處理工藝得到顯著改善。最新成型的部件(基于固體棒)的粘結(jié)強(qiáng)度降低了10-20%,可能是因?yàn)檫x擇的試樣形狀引發(fā)了部件的切口效應(yīng),最終導(dǎo)致熱固性材料過早斷裂。按熱塑性預(yù)制件和熱固性定型件的順序所獲得的結(jié)果大有可為,它證明了該材料組合的潛力。但是,當(dāng)前研究(“DuroVerbund II”項(xiàng)目)的重點(diǎn)在于相反的順序,因?yàn)檫@對于行業(yè)來說更具吸引力。
 
圖6 聚酰胺預(yù)制件與酚醛樹脂包覆成型之間的粘合強(qiáng)度取決于酚醛樹脂固體棒的百分比強(qiáng)度(©Kunststoff-Institut Lüdenscheid)
 
結(jié)語
 
對在高溫應(yīng)力條件下也不會(huì)影響自身性能的耐化學(xué)性材料的強(qiáng)勁需求,為熱固性材料的應(yīng)用打開了新天地。這種材料適用于低壁厚一次注射敏感部件的包覆成型,因?yàn)闊崴苄圆牧系母邏杭庸げ⒉豢偰軡M足這一要求。將熱塑性材料作為包覆成型部件,還可進(jìn)一步減弱材料的易碎性。
 
這種潛力已得到了市場的認(rèn)可,并且第一批部件也已投入批量生產(chǎn)。目前的問題是如何將這種技術(shù)傳遞給更多人。為此,Kunststoff-Institut提出了多個(gè)項(xiàng)目,如“DuroVerbund”和“Overmolding Electronics”。(文章來源于網(wǎng)絡(luò))