復合材料電連接器是20世紀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。據報道,美國空軍和海軍已在多種型號的飛機上大量使用復合材料電連接器,被稱(chēng)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)境型快速連接復合材料高密度小圓形電連接器軍用規范》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準化的復合材料類(lèi)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(zhù)名的電連接器制造廠(chǎng)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)使用復合材料,這預示著(zhù)復合材料連接器在軍用電氣設備和電子系統中的應用日益擴大。

聚醚醚酮(polyetheretherketone,簡(jiǎn)稱(chēng)PEEK)作為芳香族半結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(cháng)期使用的溫度高達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的分子結構式如圖1所示,其耐化學(xué)溶劑性?xún)H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(cháng)時(shí)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外電連接器生產(chǎn)單位研制復合材料電連接器的首選材料。

圖1 PEEK分子結構式

在復合材料電連接器產(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的應用過(guò)程中,不僅要解決其成型問(wèn)題,還需要解決其表面處理問(wèn)題,以達到產(chǎn)品具有屏蔽性能的目的。

1.PEEK成型

PEEK是超耐熱性樹(shù)脂,有較高的熱變形溫度和分解溫度,高溫(350~400℃)流動(dòng)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(guò)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構設計要點(diǎn)。

1.1注射成型

1.1.1設備

PEEK可用常用的螺桿式或柱塞式注射成型機加工成型,注射成型機應滿(mǎn)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)料筒內沒(méi)有形成熔融料死角的地方;

3)因為熔融黏度高,不會(huì )自動(dòng)流淌,所以噴嘴不需要加斷流閥。

圖2 PEEK注射成型時(shí)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(shí),可以保證半結晶性PEEK進(jìn)行充分結晶。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(guān)質(zhì)量。

1.1.3預備干燥

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的標準注射成型條件見(jiàn)表1。

圖3 PEEK注射成型零件

2表面處理

按照國內外軍用標準的要求,復合材料電連接器應具備屏蔽的功能,以防止飛行器線(xiàn)路間的相互干擾。采用絕緣材料PEEK作為外殼材料時(shí),即使選擇碳纖維增強,其導電性仍不能滿(mǎn)足標準要求的屏蔽性能,這就要求在PEEK外殼體表面鍍覆一層導電層來(lái)達到屏蔽的目的。按照標準規定,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)成功應用在國外復合材料電連接器上,但在國內仍屬于初期階段,由于PEEK的特殊性和新穎性,還沒(méi)有PEEK表面處理的相關(guān)信息。

圖4 PEEK鍍鎳工藝流程

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

塑料表面除油方式一般分為有機溶劑除油、堿性化學(xué)除油和酸性化學(xué)除油。在此環(huán)節,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,因為它容易吸附在塑料表面,從而影響鍍層與塑料基體的接合強度。

粗化是表面處理過(guò)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到最大。一般采用機械粗化、有機溶劑粗化和化學(xué)粗化等方法,根據塑料品種、形狀復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(guān)粗糙(見(jiàn)圖5),鍍層接合力是否提高。粗化操作應嚴格控制條件,若粗化不足,則會(huì )引起鍍層起泡和接合力差,甚至在沉積金屬時(shí)出現局部沉積不上;若粗化過(guò)度,則會(huì )引起零件變形或使表面層腐蝕,從而使表面粗糙度過(guò)大。

圖5 玻璃纖維增強PEEK粗化后的表面狀態(tài)

敏化就是在經(jīng)過(guò)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(shí),通過(guò)還原反應使塑料表面附著(zhù)一層金屬薄層,該薄層能承載化學(xué)鍍和電鍍時(shí)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(guò)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,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,因此活化處理過(guò)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(lái)不導電的塑料表面沉積薄薄一層導電的銅或鎳層,以便于隨后電鍍各種金屬。從經(jīng)濟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(shí)通過(guò)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

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

2.2.1銼刀法檢驗

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(guān)察切口,鍍層未出現脫落和揭起。

2.2.2錫焊拉力檢驗

按GJB3234規定,采用軟釬焊料將2mm2的多股銅線(xiàn)焊接在鍍層表面上。電烙鐵的功率≤35W,焊線(xiàn)加熱的時(shí)間≤30s,焊點(diǎn)的直徑約為6.35mm。將零件安裝在拉伸試驗機上,拉扯導線(xiàn)直至鍍層與基體分離或斷裂。測量焊接導線(xiàn)從電連接器外殼上被拉脫部位的面積并將分離或斷裂時(shí)的拉力除以該面積,以確定是否滿(mǎn)足剪切強度>5.145MPa的標準要求。

2.2.3熱沖擊試驗

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內將其浸入溫度約為0℃的冰水中發(fā)現,鍍層未出現起泡、脫皮或其他鍍層分離現象。

結語(yǔ)

應用研究表明,掌握了PEEK成型和模具結構要點(diǎn),可成型出符合軍用標準要求的零件。PEEK經(jīng)表面處理后,要在鍍層上鍍覆其他金屬材料,以滿(mǎn)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,比強度顯著(zhù),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(lèi)產(chǎn)品相比,該產(chǎn)品已達到國際水平,目前已在國內多種型號上應用。