工程塑料在電子設(shè)備減重方面的應(yīng)用*

駱德軍，張 博，翁 俊，廖全文

（北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京 100854）

引 言

雷達(dá)電子產(chǎn)品發(fā)展迅速, 除了其功能越來(lái)越多、性能越來(lái)越先進(jìn)之外, 其自重也越來(lái)越輕，體積越來(lái)越小?，F(xiàn)階段的軍事設(shè)備主要使用復(fù)合材料。復(fù)材的力學(xué)性能優(yōu)良，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)或采用低密度金屬材料（如鋁合金、鎂合金材料），可達(dá)到整體減重的目的。但對(duì)于一些小型電子設(shè)備，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的余量有限。從材料本身考慮，更換性能好、密度低的工程塑料，也可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化。

大多數(shù)工程塑料的密度低于2 g/cm3。與現(xiàn)在廣泛使用的鋁制品相比，加工相同結(jié)構(gòu)的模型，使用工程塑料制品可將產(chǎn)品質(zhì)量降低50%。已發(fā)現(xiàn)的工程塑料種類越來(lái)越多，而且某些工程塑料的性能優(yōu)異，所以圍繞工程塑料的應(yīng)用拓展研究也逐漸增多。本文探索工程塑料在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用，利用工程塑料密度低的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化。

1 電子設(shè)備工程塑料應(yīng)用分析

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從以下4個(gè)方面來(lái)提高整個(gè)產(chǎn)品適應(yīng)各種工作環(huán)境的能力。需要結(jié)合電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)功能，分析以工程塑料替換其中部分金屬材料的可行性。

1）電子機(jī)箱主要用于安裝各種電氣件，并提供可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，保證整個(gè)產(chǎn)品正常工作。工程塑料的成型方式及組成不同，其力學(xué)性能也各不相同，但普遍具有較高的強(qiáng)度，可根據(jù)具體使用要求進(jìn)行材料的選擇。與鋁合金（2.7×103kg/m3）、鎂合金（1.8×103kg/m3）等輕質(zhì)金屬材料相比，大多數(shù)工程塑料（1.2×103kg/m3）有更高的比剛度。因此用工程塑料替換金屬材料是為結(jié)構(gòu)減重的重要途徑。

2）結(jié)構(gòu)件可以提高電氣設(shè)備的散熱能力，把器件溫升控制在允許的范圍內(nèi)或保證設(shè)備內(nèi)元器件能夠承受溫度驟變的熱沖擊。工程塑料材料的導(dǎo)熱性、耐熱性和熱膨脹性與金屬材料相差較大。一般電子設(shè)備的工作溫度為?20°C～+85°C，大多數(shù)常用工程塑料能適用，如聚碳酸酯的熱變形溫度為+127°C。

對(duì)于電子設(shè)備，導(dǎo)熱性較為關(guān)鍵。絕大部分工程塑料的導(dǎo)熱率偏低，一般為0.14～0.34 W/（m·K）。現(xiàn)階段各種針對(duì)工程塑料導(dǎo)熱率的研究是通過(guò)摻雜高導(dǎo)熱介質(zhì)方式形成較高導(dǎo)熱率的復(fù)合材料。復(fù)材的導(dǎo)熱率雖有上百倍的提高，可達(dá)20～35 W/（m·K），但與傳統(tǒng)金屬散熱材料（120～250 W/（m·K））相比，差距還是很大，所以對(duì)于高密度集成的雷達(dá)電子設(shè)備，工程塑料不宜作為導(dǎo)熱、傳熱部件材料。

3）電子機(jī)箱通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提高整個(gè)設(shè)備抗惡劣環(huán)境的能力，適用于各種極端環(huán)境條件。大多數(shù)工程塑料對(duì)酸、堿、鹽等介質(zhì)具有良好的耐腐蝕性，其電化學(xué)性能優(yōu)于金屬材料的電化學(xué)性能。

4）電子設(shè)備采取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，最大程度地降低外部環(huán)境對(duì)設(shè)備內(nèi)部的電磁干擾，同時(shí)降低內(nèi)部設(shè)備對(duì)外部環(huán)境的電磁泄漏。因電磁屏蔽要求，機(jī)箱殼體一般采用金屬材料，以保證殼體導(dǎo)通提供內(nèi)部電磁屏蔽環(huán)境。大多數(shù)工程塑料為高分子材料，其導(dǎo)電性能差，是制約其在電子設(shè)備中使用的主要原因。在工程塑料外表面噴涂導(dǎo)電涂料，使其表面具有一定的導(dǎo)電性，即可起到金屬屏蔽體的屏蔽作用。

通過(guò)分析可以看出，工程塑料可以替換電子設(shè)備部分結(jié)構(gòu)承力件材料，通過(guò)對(duì)其內(nèi)壁涂抹導(dǎo)電涂料的方式達(dá)到電磁屏蔽的效果，從而為設(shè)備減重。

2 工程塑料選擇

2.1 加工工藝

不同工程塑料的材料特性不同，相應(yīng)的加工工藝也有區(qū)別，需要根據(jù)目標(biāo)材料選擇適合的加工制造方法，這樣才能充分發(fā)揮材料的性能。常用的加工工藝見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可以看出，在上述成型工藝中，大部分工藝都需要做模具，需要復(fù)雜的加工工具，因此對(duì)于雷達(dá)設(shè)計(jì)研發(fā)階段的小批量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，不是理想的加工方式。

表1 常用的加工工藝

數(shù)控加工屬于傳統(tǒng)機(jī)械加工，可用于簡(jiǎn)單零部件制作。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可采用3D打印技術(shù)，通過(guò)數(shù)控加工與3D打印相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)單件或小批量結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制作。

2.2 材料性能

采用3D打印的加工方式，需要選用相應(yīng)的打印材料。篩選應(yīng)用于電子產(chǎn)品的材料時(shí)，應(yīng)選用具有中高強(qiáng)度力學(xué)性能且能耐受80 ℃以上高溫的材料。篩選出的材料有聚碳酸酯(PC)、尼龍(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚醚醚酮（PEEK），其具體性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料性能參數(shù)

對(duì)于3D打印，不同材料的成本也有所區(qū)別，性能最好的PEEK價(jià)格最高，PC，ABS和PA的價(jià)格較為適中。從材料性能與經(jīng)濟(jì)性考慮，PC和PA材料既能保證強(qiáng)度，也能在高溫下保持穩(wěn)定，是滿足雷達(dá)行業(yè)基本使用需求的材料，且價(jià)格便宜，適合做小批量、多種類的加工替換件。

3 導(dǎo)電涂料選擇

根據(jù)基體是否導(dǎo)電，導(dǎo)電涂料主要分為本征型和摻和型兩種。本征型導(dǎo)電涂料是以本征型導(dǎo)電高聚物為基本成膜物質(zhì)，通過(guò)高聚物自身的導(dǎo)電性能來(lái)達(dá)到使導(dǎo)電涂層具備導(dǎo)電性能的目的；摻和型導(dǎo)電涂料由高分子聚合物、導(dǎo)電填料、溶劑及助劑等混合而成，這不是高聚物的固有特性，而是利用導(dǎo)電顆粒的導(dǎo)電性能，使涂層的電導(dǎo)率在10～12 S/m，實(shí)現(xiàn)涂層的整體導(dǎo)電性能。本征型涂料多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工程實(shí)踐中大部分使用摻和型。

摻和型涂料種類較多，根據(jù)導(dǎo)電性及抗鹽霧性能分別選擇了銅系導(dǎo)電漆、鎳系導(dǎo)電漆、銀漿及碳漿，并將它們噴涂在材料表面進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

3.1 電磁屏蔽實(shí)驗(yàn)

首先進(jìn)行電磁屏蔽實(shí)驗(yàn)。選擇PC實(shí)驗(yàn)件噴涂導(dǎo)電漆，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)件內(nèi)表面噴涂導(dǎo)電漆，將發(fā)射源放入實(shí)驗(yàn)件腔體內(nèi)，在外部測(cè)量發(fā)射信號(hào)衰減量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，信號(hào)在100 MHz～18 GHz范圍的平均衰減量可達(dá)30 dB～40 dB，滿足大多數(shù)電子設(shè)備的屏蔽要求。

圖1 電磁噪聲實(shí)驗(yàn)

3.2 三防實(shí)驗(yàn)

測(cè)量4種導(dǎo)電漆實(shí)驗(yàn)件表面的電阻率，然后進(jìn)行鹽霧實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后觀察工件外觀，并重新測(cè)量各工件表面的電阻率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 導(dǎo)電漆性能比較

進(jìn)行GJB 150A鹽霧實(shí)驗(yàn)，4種導(dǎo)電漆的實(shí)驗(yàn)效果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)件在箱內(nèi)受夾具影響，夾具自身部分銹蝕影響了實(shí)驗(yàn)件的表面質(zhì)量，但還是可以明顯看出銅系導(dǎo)電漆銹蝕嚴(yán)重，其余各種涂料表面基本無(wú)明顯銹蝕現(xiàn)象。對(duì)實(shí)驗(yàn)件表面電阻進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示由于大面積銹蝕，銅系導(dǎo)電漆實(shí)驗(yàn)件電阻率也明顯增大，不能滿足在潮濕或高鹽霧環(huán)境下的使用要求。碳漿電阻率也過(guò)高，不能起到電磁屏蔽的作用。綜合導(dǎo)電性能及三防性能，優(yōu)先選擇鎳系及銀系導(dǎo)電涂料。

圖2 鹽霧實(shí)驗(yàn)前后的效果

4 某工業(yè)造型機(jī)箱減重設(shè)計(jì)

某工業(yè)造型機(jī)箱作為便攜式設(shè)備，其原設(shè)計(jì)材料采用6063鋁合金，整機(jī)較重，不利于人員操作使用，需要進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。

4.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)

機(jī)箱采用的是3U密閉導(dǎo)冷設(shè)計(jì)，主要由上下冷板、前后面板、分割框、側(cè)板及風(fēng)機(jī)安裝板組成。熱量由導(dǎo)冷板傳導(dǎo)至上下冷板，然后通過(guò)機(jī)箱上下冷板散熱齒進(jìn)行二次風(fēng)冷散熱，將熱量排出。機(jī)箱內(nèi)部形成密閉結(jié)構(gòu)，保證整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性及電磁屏蔽性能。

4.2 減重設(shè)計(jì)

出于散熱需要，機(jī)箱上下冷板仍需采用導(dǎo)熱性能較好的金屬材料。相比于原機(jī)箱的6063系鋁合金，冷板采用高導(dǎo)熱鎂合金。其余部分（如前面板、側(cè)板等非傳熱結(jié)構(gòu)）主要是為了形成機(jī)箱密閉殼體，同時(shí)安裝一些電氣件，可以采用密度更低的工程塑料，本次采用PC及PA兩種材料進(jìn)行替換。

除導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)外，機(jī)箱其余結(jié)構(gòu)件均采用工程塑料。為了保證機(jī)箱的電磁屏蔽性能，在結(jié)構(gòu)件內(nèi)表面涂抹導(dǎo)電涂料。選擇銀漿或鎳系導(dǎo)電漆作為結(jié)構(gòu)件內(nèi)表面的噴涂材料。

PC或PA材料具有優(yōu)異的加工性能，打印后零件的各種安裝接口（如螺紋孔、鋼絲螺套孔等）可以后加工完成，以保證機(jī)箱的裝配精度。打印后的產(chǎn)品如圖3所示。

圖3 打印結(jié)構(gòu)件

最后進(jìn)行螺紋加工試驗(yàn)。對(duì)于3D打印結(jié)構(gòu)件，由于受加工機(jī)理制約，其內(nèi)部存在大量空隙，后加工的鋼絲螺套安裝后會(huì)出現(xiàn)脫落、開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖4所示。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，采用型材數(shù)控加工方式制作含有螺紋的零件。對(duì)于本次設(shè)備，兩側(cè)板均替換為型材PA直接加工外形，安裝鋼絲螺套。經(jīng)實(shí)物驗(yàn)證，螺套安裝緊密，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

圖4 局部開(kāi)裂圖

4.3 力學(xué)分析

被替換件為前面板、后蓋板、側(cè)板、風(fēng)機(jī)安裝板及分割框。主要針對(duì)材料延展性較差的特點(diǎn)進(jìn)行沖擊校核。計(jì)算工況為X向、Y向的重力加速度各9個(gè)g，Z向14個(gè)g，時(shí)間為11 ms。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 各方向受力分析

從力學(xué)仿真結(jié)果可以看出，對(duì)機(jī)箱3個(gè)方向加載沖擊載荷后，最大應(yīng)力為8.42 MPa，材料強(qiáng)度取1.5倍安全系數(shù)，小于尼龍材料的強(qiáng)度32 MPa，滿足使用要求。

4.4 熱學(xué)分析

機(jī)箱內(nèi)部主要包含5塊板卡，總功耗為60.2 W，熱設(shè)計(jì)指標(biāo)為環(huán)境溫度最高55°C，電子器件殼溫低于85°C，機(jī)箱側(cè)壁溫度低于75°C。熱分析結(jié)果如圖6所示。機(jī)箱側(cè)壁最高溫度為71.4°C，板卡器件最高溫度為82°C，出現(xiàn)在存儲(chǔ)板上，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 熱分析圖

4.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.5.1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

對(duì)機(jī)箱進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要包括掃頻隨機(jī)、隨機(jī)振動(dòng)篩選、沖擊等，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)工況。各試驗(yàn)結(jié)果均表明，機(jī)箱滿足型號(hào)使用要求。力學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 力學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.5.2 電磁兼容實(shí)驗(yàn)

對(duì)機(jī)箱進(jìn)行干擾源泄漏實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其屏蔽性能，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果如圖8 所示。內(nèi)置干擾源，在暗室內(nèi)測(cè)量信號(hào)衰減情況，干擾源頻率為100 MHz～18 GHz，測(cè)得的相對(duì)衰減量約為40 dB。同時(shí)，采用探測(cè)儀檢測(cè)機(jī)箱各邊縫隙的泄漏量，相對(duì)屏蔽效能約為30 dB～40 dB，滿足電磁兼容要求。

圖8 機(jī)箱電磁兼容實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

4.6 小結(jié)

機(jī)箱主散熱材料采用高導(dǎo)熱鎂合金替代原有的鋁合金材料，其余結(jié)構(gòu)件改為工程塑料PA，計(jì)算出各部分的質(zhì)量，見(jiàn)表4。在滿足各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，機(jī)箱結(jié)構(gòu)部分的總質(zhì)量減輕了45.3%，表明采用工程塑料及輕質(zhì)鎂合金減重的效果十分明顯。整個(gè)框架重2 kg左右，滿足人員提拉需求，同時(shí)還節(jié)約了載機(jī)平臺(tái)的質(zhì)量指標(biāo)。

表4 材料性能參數(shù)

從力學(xué)、熱學(xué)角度分別對(duì)替換了PC材料及PA材料的機(jī)箱進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)。其中導(dǎo)電漆采用銀漿，既保證了機(jī)箱的電磁屏蔽性能又提升了結(jié)構(gòu)件的三防性能。

對(duì)于塑料類產(chǎn)品，還需通過(guò)光時(shí)效實(shí)驗(yàn)檢測(cè)其光老化特性，以驗(yàn)證其材料在不同光譜下的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

工程塑料以其出色的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于電子電器、汽車、建筑等民用領(lǐng)域。隨著電子設(shè)備不斷輕小型化，工程塑料在軍用電子設(shè)備領(lǐng)域也有廣闊的發(fā)展前景。對(duì)于機(jī)箱類電子設(shè)備，可以在適當(dāng)?shù)牟课徊捎霉こ趟芰咸鎿Q金屬材料，以提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力效率，同時(shí)優(yōu)化和簡(jiǎn)化重要零部件的制造及裝配過(guò)程。

在應(yīng)用工程塑料時(shí)，需要充分了解材料的物理、化學(xué)、力學(xué)等性能，結(jié)合較為成熟的涂覆及制造手段，進(jìn)行有效的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于單件、小批量產(chǎn)品，3D打印成本較低，但由于成型原理，很難獲得類似于金屬的質(zhì)密材料的結(jié)構(gòu)件，其內(nèi)部存在氣孔，局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足；對(duì)于大批量產(chǎn)品，采用注塑的方式可保證形成質(zhì)密結(jié)構(gòu)件。因此在應(yīng)用工程塑料時(shí)，需要結(jié)合成本及性能因素，綜合考慮加工方法。