摘 要:某光学组件在高低温冲击试验后反射镜出现裂纹.通过宏观分析、剪切强度试验、硬度 测试、线膨胀系数试验等方法对反射镜开裂原因进行了分析.结果表明:DGＧ４胶黏剂配比不当,对 反射镜产生了较大的固化应力,加之高低温冲击试验中,急速升降温使得反射镜受到了较大的热应 力,在两者的共同作用下反射镜发生开裂.
关键词:反射镜;固化应力;热应力;DGＧ４胶黏剂;高低温冲击试验
中图分类号:TH７４１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５２Ｇ０３
光学组件是红外导引头的重要组成部分,抛物 柱面反射镜(简称反射镜)则是光学组件的重要组成 部分[１].DGＧ４光学结构胶(简称 DGＧ４)因具有优良 的光学性能、黏接性能和耐老化性能,得到了广泛的 应用[２].光学组件中的探测器为环氧树脂胶封装成 型,通过 DGＧ４黏接在反射镜的光学玻璃上.编号 为１７０１批 次 的 光 学 组 件 装 配 完 成 后,经 高 低 温 (－５０~７０ ℃)冲击试验１０次后多台反射镜出现裂 纹.经统计,该批光学组件４个子批的故障率分别 为２１．１％,１７．８％,２３．４％,１８．５％,平 均 故 障 率 为 ２０．２％.笔者通过一系列理化检验对反射镜的开裂 原因进行了分析,找出了反射镜开裂的原因并提出 了相应的改进措施.
１ 理化检验
１．１ 宏观分析
使用 LEICAS６D型体视显微镜对拆解下来的 开裂反射镜进行观察,如图１所示.可见反射镜外 表面无损伤,裂纹主要分布于反射镜与探测器的黏 接部位.
１．２ 剪切强度试验
DGＧ４为双组分环氧胶,A 组分为环氧树脂,B 组分为胺类固化剂.A,B的质量比为１~２∶１,固化 条件为室温放置４８h或６０ ℃保温４h.
将 DGＧ４ 按 照 A,B 组 分 质 量 比 为 １∶１, １．５∶１,２∶１的 配 比 制 成 两 组 剪 切 强 度 试 样,在 ６０ ℃保温 ４ h 进 行 固 化. 按 照 GB/T ７１２４－ ２００８«胶粘剂 拉伸 剪 切 强 度 的 测 定(刚 性 材 料 对 刚性材 料 )»,使 用 INSTRON５５８１ 型 电 子 拉 力 试验机 对 试 样 进 行 剪 切 强 度 试 验,结 果 分 别 为 ３２．４,３５．１,２４．０ MPa.
１．３ 硬度测试
将 DGＧ４按照 A,B 组分质量比为１∶１,１．５∶１, ２∶１的配比制成两组硬度测试试样,一组室温放置 ４８h进行固化,另一组６０℃保温４h进行固化.按 照 GB/T２４１１－２００８«塑料和硬橡胶 使用硬度计测 定压痕硬度(邵氏硬度)»,使用 TIMETH２１０型邵 氏硬度计对试样进行硬度测试,结果分别为７３,７８, ７３HD.
对故障 批 次 １７０１ 批、无 故 障 批 次 １６０１ 批 及 １６０２批黏接反射镜留存的 DGＧ４胶样进行邵氏硬度 试验,结果分别为７７,７４,７３HD.
按照 GB/T７９６２．１８－２０１０«无色光学玻璃测试 方法 第１８部分:克氏硬度»,使用SHMADZU HMVＧ G型显微硬度计,对１７０１批,１６０１批以及１６０２批产 品的反射镜进行硬度测试.载荷为１．９６N,测得３批 反射镜的硬度分别为５６０,５３４,５４５HK.
１．４ 线膨胀系数试验
将 DGＧ４按照 A,B组分质量比为１．５∶１的配比 制成 规 格 为 ?８ mm×１０ mm 的 试 样,使 用 TA TMA Q４００型线膨胀测试仪进行线膨胀系数测试, 结果如图２所示.可见在２０~５０ ℃时,DGＧ４的线 膨胀系数约为８０μm??(m??℃)－１.
２ 分析与讨论
该批次光学组件中反射镜开裂的原因可分为内 在因素和外在因素,内在因素为反射镜的自身缺陷, 外在因素可分为外部应力和内部应力.对３个批次 光学组件中反射镜的尺寸、折射率、色散系数进行测 试,由表 １ 可 见 故 障 批 次 １７０１ 批 与 无 故 障 批 次 １６０１批及１６０２批的测试结果无明显差异,说明反 射镜质量稳定,排除反射镜自身缺陷导致反射镜开 裂的可能性.
DGＧ４在 固 化 过 程 中 因 体 积 以 及 黏 弹 性 变 化 会产生固化应力[３Ｇ４],其固化过程中的固化应力不 断增大,完 全 固 化 后,应 力 达 到 最 大 值,会 对 被 黏 物体产生 影 响.在 光 学 组 件 胶 接 时,收 缩 性 胶 黏 剂如 DGＧ４的固化应力形成作用在 反 射 镜 上 的 拉 应力,此为其中一种内部应力.在经历高温(或低 温)时,由于 胶 与 反 射 镜 的 膨 胀 系 数 不 同,温 度 变 化过程中,胶与被黏物体间存在一定热应力,温度 变化越快,热 应 力 越 大.热 应 力 为 作 用 在 反 射 镜 上的另一种内部应力.
采用体视显微镜观察到反射镜外表面无任何损 伤,裂纹出现在反射镜通过 DGＧ４与探测器黏接的 表面.任何外部应力作用在反射镜上,造成反射镜 内表面产生裂纹,必然会在受力点产生损伤.而该 反射镜外表面无任何损伤,说明反射镜的开裂不是 外部应力引起的.
剪切强度试验与硬度测试结果表明,DGＧ４ 的 A,B 组分质量配比不同时,DGＧ４的剪切强度与硬 度都不相同.A,B组分质量比为１．５∶１时的剪切强 度与硬度最大.１７０１批反射镜黏接留存胶样的硬 度比１６０１,１６０２批的略大.由此可知,１７０１批反射 镜黏接所用 DGＧ４中 A,B 组分的实际质量比约为 １．５∶１.此时,DGＧ４的剪切强度与硬度较大,对反射 镜产生的残余固化拉应力也较大.
环氧树脂与探测器上其他组件材料的线膨胀系 数不同,易导致组件内部产生热应力从而影响探测 器的使用寿命[５].DGＧ４在２０~５０℃时的线膨胀系数约为８０μm??(m??℃)－１,即８×１０－５ ℃－１.反射 镜的 材 料 为 ZKＧ１０ 光 学 玻 璃,其 线 膨 胀 因 数 为 １０－６ ℃－１[６],远 小 于 DGＧ４ 的 线 膨 胀 因 数.DGＧ４ 固化后与反射镜直接接触,由于线膨胀因数不同,在 高低温冲击试验过程中 DGＧ４会对反射镜产生较大 的热应力[７Ｇ８].与反射镜黏接的探测器为环氧树脂 封装组件,同类材料的线膨胀因数相近,故在温度冲 击试验过程中 DGＧ４对探测器的热应力较小.当光 学组件由７０ ℃转至－５０ ℃时,急速降温导致 DGＧ４ 对反射镜产生较大热应力,其与固化应力共同作用, 将反射镜拉伤,产生裂纹,裂纹在循环热应力作用下 不断扩展[９].
３ 结论及建议
反射镜与探测器通过 DGＧ４黏接,DGＧ４配比不 当导致反射镜受到较大的固化应力;并且 DGＧ４与 反射镜的线膨胀因数相差较大,高低温冲击试验时, 急速升降温使得 DGＧ４ 对反射镜 产 生 较 大 的 热 应 力,固化应力和热应力的共同作用导致反射镜开裂.
建议 将 DGＧ４ 中 A,B 组 分 的 质 量 比 调 整 为 ２∶１,并增加３次低速率升降温操作使热应力得到释 放,避免故障的再次发生.
参考文献:
[１] 马晓平,赵良玉．红外导引头关键技术国内外研究现 状综述[J]．航空兵器,２０１８,５５(３):３Ｇ１０．
[２] 杨青．光学透明胶及其在消费电子设备中的应用[J]． 粘接,２０１５,３６(６):８７Ｇ８９．
[３] 李润明,田培,石家华,等．环氧树脂固化过程中的黏 弹性分析[J]．化学研究,２０１６,２７(６):７６３Ｇ７６６．
[４] 程仁政,李小慧,沈景凤,等．聚氨酯基体配比对芳纶 增强聚氨酯复合材料力学性能的影响[J]．理化检验 (物理分册),２０１９,５５(１):１９Ｇ２２．
[５] 吴嘉杰．测试温度范围对环氧树脂平均线膨胀系数 的影响[J]．理化检验(物理分册),２０１６,５２(５):２９１Ｇ ２９４．
[６] 何峰,张文涛,谢峻林,等．P２O５ 对高膨胀光学玻璃结 构与性能的影响[J]．玻璃与搪瓷,２０１５,４３(６):６Ｇ１１．
[７] 顾毅欣,杨宇军,张丁,等．基于环氧树脂灌封的三维 叠层组件裂纹问题分析与对策研究[J]．微电子学与 计算机,２０１７,３４(２):５３Ｇ５７．
[８] 李松,卞楠．片式多层陶瓷电容失效原因分析[J]．理 化检验(物理分册),２０１６,５２(９):６６３Ｇ６６６．
[９] 刘凯,朱哲明,何廉,等．脆性材料裂纹动态扩展规律 研究[J]．四川大学学报(工程科学版),２０１５,４７(增刊 ２):８１Ｇ８８．