復(fù)合材料電連接器是20世紀(jì)80年代中期國外研制出的一種新型電連接器,這種殼體由非金屬材料制成的電連接器以耐腐蝕性極好、質(zhì)量小、性能優(yōu)和耐用性好等優(yōu)點(diǎn),受到空軍和海軍的歡迎。據(jù)報道,美國空軍和海軍已在多種型號的飛機(jī)上大量使用復(fù)合材料電連接器,被稱為電連接器工藝技術(shù)的重大改革。美國于1989年推出了《耐環(huán)境型快速連接復(fù)合材料高密度小圓形電連接器軍用規(guī)范》MIL-C-29600。美國德馳公司的LM123系列電連接器是一種完全工具化和標(biāo)準(zhǔn)化的復(fù)合材料類型電連接器,該公司90年代初已經(jīng)能生產(chǎn)17種外殼尺寸和92種孔組排列絕緣體的復(fù)合材料電連接器。美國安菲諾公司和法國蘇里奧公司等國外著名的電連接器制造廠家都在生產(chǎn)這種新型電連接器。目前,國際上大量使用的MIL-C-38999Ⅲ系列電連接器已經(jīng)采用復(fù)合材料制作殼體件,尤其是世界上最先進(jìn)的光電混裝等功能電連接器,其殼體件和尾部附件已經(jīng)使用復(fù)合材料,這預(yù)示著復(fù)合材料連接器在軍用電氣設(shè)備和電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益擴(kuò)大。

聚醚醚酮(polyetheretherketone,簡稱PEEK)作為芳香族半結(jié)晶型熱塑性高分子材料,具有良好的剛度和柔韌度,其力學(xué)性能受溫度影響很小,可長期使用的溫度高達(dá)250℃,甚至在300℃的高溫環(huán)境下仍然能夠有效保持良好的力學(xué)性能,PEEK的分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示,其耐化學(xué)溶劑性僅次于氟塑料,不溶于濃硫酸以外的所有的溶劑,不受水和水蒸汽的化學(xué)侵蝕;其制品在高溫、高壓的熱水和蒸氣中長時間浸泡后,仍然能夠保持優(yōu)異的性能。PEEK以特有的良好性能成為國內(nèi)外電連接器生產(chǎn)單位研制復(fù)合材料電連接器的首選材料。

圖1 PEEK分子結(jié)構(gòu)式

在復(fù)合材料電連接器產(chǎn)品中,PEEK不僅用于制作絕緣件,還用于制造起連接和支承作用的外部殼體零件;因此,在PEEK的應(yīng)用過程中,不僅要解決其成型問題,還需要解決其表面處理問題,以達(dá)到產(chǎn)品具有屏蔽性能的目的。

1.PEEK成型

PEEK是超耐熱性樹脂,有較高的熱變形溫度和分解溫度,高溫(350~400℃)流動性良好,熱分解溫度高(560℃);因此,可以采用注射成型、擠出成型和粉末噴涂等多種方法加工成型。經(jīng)過近幾年的發(fā)展,其注射成型工藝已趨于成熟,下面介紹常用的PEEK注射成型工藝條件和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)。

1.1注射成型

1.1.1設(shè)備

PEEK可用常用的螺桿式或柱塞式注射成型機(jī)加工成型,注射成型機(jī)應(yīng)滿足下述基本條件:

1)料筒溫度可升到400℃,通常情況下料筒各部位的大致溫度如圖2所示;

2)料筒內(nèi)沒有形成熔融料死角的地方;

3)因?yàn)槿廴陴ざ雀?不會自動流淌,所以噴嘴不需要加斷流閥。

圖2 PEEK注射成型時料筒各部位的大致溫度

1.1.2模具溫度

模具的溫度控制在160℃以上時,可以保證半結(jié)晶性PEEK進(jìn)行充分結(jié)晶。高溫下成型不但可以制得綜合性能良好的零件,而且可以提高零件的外觀質(zhì)量。

1.1.3預(yù)備干燥

PEEK的吸水率很低,其飽和吸水率只有0.5%,但為保證高溫下的成型質(zhì)量,材料在注射成型之前需要在150℃干燥3h以上。

1.1.4注射成型工藝

PEEK的標(biāo)準(zhǔn)注射成型條件見表1。

圖3 PEEK注射成型零件

2表面處理

按照國內(nèi)外軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求,復(fù)合材料電連接器應(yīng)具備屏蔽的功能,以防止飛行器線路間的相互干擾。采用絕緣材料PEEK作為外殼材料時,即使選擇碳纖維增強(qiáng),其導(dǎo)電性仍不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的屏蔽性能,這就要求在PEEK外殼體表面鍍覆一層導(dǎo)電層來達(dá)到屏蔽的目的。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,需要在適合的底鍍層上再鍍覆鎳層、鎘層或錫層。

2.1表面處理工藝

查閱相關(guān)資料可知,目前關(guān)于普通工程塑料(如ABS)的表面處理基本上都有成熟的工藝,有許多資料可供參考。PEEK材料已經(jīng)成功應(yīng)用在國外復(fù)合材料電連接器上,但在國內(nèi)仍屬于初期階段,由于PEEK的特殊性和新穎性,還沒有PEEK表面處理的相關(guān)信息。

圖4 PEEK鍍鎳工藝流程

在整個鍍覆過程中,去除應(yīng)力往往是容易被忽視的環(huán)節(jié),該過程應(yīng)在零件成型后和電鍍表面處理前進(jìn)行。資料顯示,經(jīng)過去除應(yīng)力處理零件的鍍層接合力高于未去除應(yīng)力制品50%以上。

塑料表面除油方式一般分為有機(jī)溶劑除油、堿性化學(xué)除油和酸性化學(xué)除油。在此環(huán)節(jié),PEEK材料同其他塑料一樣,選用堿性化學(xué)除油方法,但在除油液中,最好不要加入硅酸鈉,因?yàn)樗菀孜皆谒芰媳砻?從而影響鍍層與塑料基體的接合強(qiáng)度。

粗化是表面處理過程中的重要步驟之一,目的是增大制件表面的表面粗糙度、接觸面積和親水能力,以此提高制件與鍍層的接合力和濕潤性,這樣塑料表面才能接受金屬的吸附,對鍍層的接合力及整平性影響達(dá)到最大。一般采用機(jī)械粗化、有機(jī)溶劑粗化和化學(xué)粗化等方法,根據(jù)塑料品種、形狀復(fù)雜程度和制品使用環(huán)境,選用其中1種或2種方法進(jìn)行粗化,對于具有化學(xué)隋性的PEEK材料,推薦使用機(jī)械粗化后再進(jìn)行化學(xué)粗化的方法。衡量粗化是否成功主要看制件表面是否產(chǎn)生了微觀粗糙(見圖5),鍍層接合力是否提高。粗化操作應(yīng)嚴(yán)格控制條件,若粗化不足,則會引起鍍層起泡和接合力差,甚至在沉積金屬時出現(xiàn)局部沉積不上;若粗化過度,則會引起零件變形或使表面層腐蝕,從而使表面粗糙度過大。

圖5 玻璃纖維增強(qiáng)PEEK粗化后的表面狀態(tài)

敏化就是在經(jīng)過粗化后的塑料表面吸附一層容易還原的物質(zhì),以便在下道活化處理時,通過還原反應(yīng)使塑料表面附著一層金屬薄層,該薄層能承載化學(xué)鍍和電鍍時的載荷電流。氯化亞錫是普遍使用的一種敏化劑,同樣適用于PEEK材料。

活化處理就是給塑料涂覆一層很薄且有催化性的金屬層。經(jīng)過敏化后的零件表面吸附了還原劑,在含有氧化劑的溶液中進(jìn)行反應(yīng),能夠使貴金屬還原成金屬,活化處理可在塑料表面形成催化中心,以便在化學(xué)沉積中加速反應(yīng),因此活化處理過程的實(shí)質(zhì)是“播種”。通?？刹捎孟跛徙y型和氯化鈀型2種離子型活化液,實(shí)踐證明氯化鈀型的活化液更適合應(yīng)用在PEEK材料的活化處理上。

圖6 表面處理后的PEEK件

利用化學(xué)還原的方法在制件表面催化膜上沉積一層金屬,使原來不導(dǎo)電的塑料表面沉積薄薄一層導(dǎo)電的銅或鎳層,以便于隨后電鍍各種金屬。從經(jīng)濟(jì)和性能等各方面考慮,采用銅作為底鍍層已成為塑料電鍍的首選,同時通過剖析國外樣件,在PEEK的表面處理上,同樣推薦用銅作為底鍍層。表面處理后的PEEK件如圖6所示。

2.2鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)

在PEEK表面進(jìn)行鍍覆屬于新工藝,而且按照軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求,需對鍍層的附著力進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2.1銼刀法檢驗(yàn)

將零件夾在臺鉗上用粗銼刀銼鍍層邊緣,銼刀與鍍層表面大約成45°,銼至約入基材1mm處,用放大鏡觀察切口,鍍層未出現(xiàn)脫落和揭起。

2.2.2錫焊拉力檢驗(yàn)

按GJB3234規(guī)定,采用軟釬焊料將2mm2的多股銅線焊接在鍍層表面上。電烙鐵的功率≤35W,焊線加熱的時間≤30s,焊點(diǎn)的直徑約為6.35mm。將零件安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上,拉扯導(dǎo)線直至鍍層與基體分離或斷裂。測量焊接導(dǎo)線從電連接器外殼上被拉脫部位的面積并將分離或斷裂時的拉力除以該面積,以確定是否滿足剪切強(qiáng)度>5.145MPa的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3熱沖擊試驗(yàn)

將鍍覆好的零件放置在200℃的空氣干燥箱中30min,然后將零件從箱中取出,并在15s內(nèi)將其浸入溫度約為0℃的冰水中發(fā)現(xiàn),鍍層未出現(xiàn)起泡、脫皮或其他鍍層分離現(xiàn)象。

結(jié)語

應(yīng)用研究表明,掌握了PEEK成型和模具結(jié)構(gòu)要點(diǎn),可成型出符合軍用標(biāo)準(zhǔn)要求的零件。PEEK經(jīng)表面處理后,要在鍍層上鍍覆其他金屬材料,以滿足軍用屏蔽性能的要求。改性PEEK材料的密度約為1.5g/mm3,接近鋁合金的一半,比強(qiáng)度顯著,可減輕同型連接器質(zhì)量30%以上,在型號減重工作上具有重要意義。同國外同類產(chǎn)品相比,該產(chǎn)品已達(dá)到國際水平,目前已在國內(nèi)多種型號上應(yīng)用。

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