相同力学条件下不同环氧胶粘剂对平面变压器粘固效果研究.pdf

试验技术与装备 Test Technology and Equipment 2023.6 今日制造与升级 1350引言电子电源小型化、轻量化是当今产品的发展趋势，对于航天产品而言尤为重要，甚至不惜提高成本来实现小而轻。在电子电源产品体积较大的情况下，较大的变压器安装在产品中似乎不成问题；但产品变得小型化、轻量化后，笨拙的变压器就不被设计师接受了。由于传统变压器固有结构的原因，严重制约了电源产品的高效化发展1。平面变压器（PlanarTransformer）很好地解决了这一问题，被广泛使用在通信电源、数字化电视、手机、汽车电子、电力设备、航天航空电源和雷达电源等领域2-3。平面变压器去掉了传统的绕组骨架，其“绕组”一般直接做在印制电路板上，通常使用扁平传导导线或直接用铜箔。平面变压器相较于传统变压器这种结构上的改变，不仅使其体积大大减小，在一定程度上可以减轻产品重量4。也为产品的电气特性带来了许多优点5：热传导效果好；输出效率高；漏感值较低。文章对不同种类环氧胶粘剂粘固的平面变压器进行安装效果研究。目前，航天电子产品中，如电感变压器、集成电路、自愈电容等一些大体积、大质量的元器件需要使用有“万能胶”、“大力胶”之称的 E-51及 EC-2216B/a辅助加固，通过其高粘接强度来提高产品在抗力热冲击过程中的抵抗能力。结合前期调研情况，引入单组份环氧胶g909，通过不同种类环氧胶粘剂的粘固对比，研究各环氧胶粘剂对平面变压器的粘固效果。分别对不同种类环氧胶粘剂粘固的平面变压器进行相同的力学试验（验收级），并对试验后的平面变压器进行安装效果评估，为平面变压器的安装提供选择依据。1 实验准备首先对 E-51、EC-2216B/a、g909进行强度对比，依据 gJB941986 胶粘剂-不均匀扯离强度试验方法（金属与金属）与 gB/T71242008胶粘剂-拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料），进行各环氧胶粘剂试摘要平面变压器具有体积小、一致性好、集成度高等优点，因此有望在电子电源单机小型化、轻量化方面得到广泛应用。文章选取3种环氧胶粘剂进行剪切强度及不均匀扯离强度的比较，分别对比了不同环氧胶粘剂粘固的平面变压器在相同力学条件下的感量值变化，对平面变压器粘固效果进行了研究。关键词平面变压器；小型化；轻量化；环氧胶粘剂中图分类号TM42 文献标志码A相同力学条件下不同环氧胶粘剂 对平面变压器粘固效果研究袁群博，吴彦妮，徐朱力，段永辉，王邦兴，刘沛鑫（上海空间电源研究所，上海201100）述J.武警学院学报，2011，27（4）：5-9.2 何佳闰，郭正荣.钠冷快堆发展综述J.东方电气评论，2013，27（3）：36-43.3 喻宏.快堆钠火分析研究D.北京：中国原子能科学研究院，2001.4 朴君，杜海鸥.基于有限元分析法的钠火事故下钢覆面完整性分析J.核科学与工程，2017，37（2）：257-262.5 常一狄，杜海鸥.钠火事故下工艺间气溶胶分布影响分析J.科技创新导报，2017，14（10）：103-105.作者简介马运惠（1988），女，山东菏泽人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为本构方程在镍基合金中的应用。试验技术与装备 Test Technology and Equipment 136 今日制造与升级 2023.6件的制备，对试件进行不均匀扯离强度试验6，如图1所示，对试件进行剪切强度试验7，如图2所示。图1 不均匀扯离试验图2 剪切力试验（1）各环氧胶粘剂的不均匀扯离强度计算公式如下。（1）式中，为不均匀扯离强度，n/cm；P为试件的最大破坏载荷，n；b为试件胶接处的试片平均宽度，cm。各环氧胶粘剂制作试件（共15组）不均匀扯离强度试验数据见表1，平均值结果小数点后保留2位有效数字。表1 不均匀扯离力实测数据试件编号不均匀扯离力（N）试件编号不均匀扯离力（N）试件编号不均匀扯离力（N）G909-11000E-51-1121.07EC-2216B/A-1541.94G909-21120E-51-2136.14EC-2216B/A-2454.85G909-3838E-51-3167.64EC-2216B/A-3538.81G909-41194E-51-494.01EC-2216B/A-4370.68G909-5934E-51-5116.23EC-2216B/A-5313.92平均值1017.20平均值127.02平均值444.04根据式（1）计算可得，3种环氧胶粘剂不均匀扯离强度大小为：E-51 EC-2216B/a g909。（2）各环氧胶粘剂的剪切强度计算公式如下。（2）式中，为剪切强度，MPa；P为试件剪切破坏的最大负载，n；B为试件搭接面宽度，mm；L为试件搭接面长度，mm。各环氧胶粘剂制作试件（共15组）的剪切强度试验数据见表2，平均值结果小数点后保留2位有效数字。表2 剪切力实测数据试件编号剪切力（N）试件编号 剪切力（N）试件编号剪切力（N）G909-15940E-51-13505.60EC-2216B/A-13363.78G909-27441E-51-23365.95EC-2216B/A-23730.99G909-36778E-51-33394.56EC-2216B/A-33637.97G909-46654E-51-43434.20EC-2216B/A-43702.60G909-55553E-51-52793.01EC-2216B/A-53015.51平均值6473.20平均值3298.66平均值3490.17根据式（2）计算可得，3种环氧胶粘剂剪切强度大小为：E-51 EC-2216B/a g909。2 实验过程2.1 环氧胶粘剂组合选择本实验选用平面变压器（由1组磁芯组成）为 ER 系列，规格为 ER20，示意如图3所示。图3 磁芯形状示意磁芯的具体安装方式如图4所示，图中绿色线段示意为环氧胶粘剂粘贴面，使用1组（上下2块）规格尺寸相同的平面磁芯。首先将环氧胶粘剂涂抹在磁芯 a 与印制板之间，固化粘贴后再将环氧胶粘剂涂抹在磁芯 a 与磁芯 b之间，粘固磁芯 a 与磁芯 b。粘接处粘接处粘接处印制电路板磁芯a磁芯b图4 磁芯粘贴示意图（1组）文章采用功率印制板作为鉴定试验的试验件试验件制作包括磁芯安装和焊接测试线，测试线用于测量感量。共制作15块印制板组件作为此次力学试验的试验件，如图5所示。试验技术与装备 Test Technology and Equipment 2023.6 今日制造与升级 137图5 磁芯安装示意在航天电子电源单机实际生产过程中 EC-2216B/a 常用作大质量元器件辅助加固，粘固工艺较为成熟，故文章只对磁芯与磁芯、磁芯与功率印制板之间的环氧胶粘剂进行对比。考虑到各环氧胶粘剂使用状态及固化条件不同，2个粘接接触面均选用同种环氧胶粘剂，环氧胶粘剂组合情况见表3。试验件制作流程如图6所示。表3 环氧胶粘剂组合情况试件粘固部位及环氧胶粘剂种类磁芯与磁芯、磁芯与 PCB 磁芯四角辅助加固G909-1G909-5G909EC-2216B/AEC-2216B/A-1EC-2216B/A-5EC-2216B/AEC-2216B/AE51-1E51-5E51EC-2216B/A?图6 试验件制作流程2.2 环氧胶粘剂配制及点胶参数2.2.1 环氧胶粘剂配制2.2.1.1E-51环氧胶粘剂的配制步骤（1）称量。按照 E-51环氧树脂（基料）：TY-650聚酰胺树脂（固化剂）=5 4的质量比例，称取基料15g，固化剂12g。（2）物料混合。将称取的基料、固化剂倒入一次性杯子中用玻璃搅拌棒进行混合搅拌物料应搅拌均匀，手工搅拌方式应按照“8”字形方式进行，而不采用顺时针方式。搅拌时间应与胶粘剂量剂成正比，但不得少于1min。室温配制的环氧胶粘剂 E-51应在有效时间120min 内使用，使用环境要求为：-40 100。2.2.1.2EC-2216B/a环氧胶粘剂的配制步骤（1）称量。按照 a 组份 B 组份=7 5的质量比例，称取 a 组分14g，B 组分10g。（2）物料混合。将称取的基料、固化剂倒入一次性杯子中用玻璃搅拌棒进行混合搅拌物料应搅拌均匀，手工搅拌方式应按照“8”字形方式进行，而不采用顺时针方式。搅拌时间应与胶粘剂量剂成正比，但不得少于1min。室温配制的环氧胶粘剂 EC-2216B/a 应在有效时间90min 内使用，使用环境要求为：-55 120。2.2.1.3g909环氧胶粘剂的配制步骤g909环氧胶粘剂为单组份胶粘剂，无需配置。使用前从恒温4环境中取出，室温下回温120min 后进行使用，使用环境要求为：-40 150。2.2.2 点胶参数点胶粘固前需对粘接面使用无水乙醇进行清洁，清除尘埃及污染物。清洁后将平面变压器放入烘箱内（40 50）烘2h，预烘结束后取出平面变压器室温冷却干燥30min。环氧胶粘剂涂抹厚度为0.1 0.2mm，涂抹后使用一块厚度为0.15mm 的环氧板进行厚度确认。2.3 力学条件设置文章仅对不同环氧胶粘剂粘固的磁芯进行力学试验考核，试验包括 Ess 随机振动试验、正弦振动试验以及冲击试验。试验条件见表4 表6。力学试验示意如图7和图8所示。表4 ESS随机振动试验条件频率范围（Hz）功率谱密度 总均方根加速度（gr.m.s）试验方向试验时间20 80+3dB/oct21X、Y、Z 等3 个方向4min/轴80 3500.48g2/Hz350 2000-3dB/oct表5 ESS正弦振动试验条件频谱范围（Hz）加速度幅值方向扫描速率5 1024.8mm（0-P）X、Y、Z 等 3 个方向4oct/min10 3010g30 8025g80 10010g表6 冲击振动试验条件振动频率（Hz）验收级加载方向次数100 600+6dB/octX、Y、Z 等 3 个方向每个轴向 3 次600 40001000g 图7 冲击试验示意图8 振动试验示意2.4 试验流程及试件判据考核平面变压器一般要求力学试验前后电感值变化率试验技术与装备 Test Technology and Equipment 138 今日制造与升级 2023.6低于10%，故文章设计验收级力学试验，各力学试验后使用 LCR 测试仪测量记录电感值，对比各力学试验后与磁芯安装前电感量变化，变化率小于10%即为合格标准。试验后需检查平面变压器外观，要求用20倍放大镜检验，磁芯 a 与印制板、磁芯 a 与 b 紧贴，无分离、开裂，磁芯本体完好。试验顺序及测量电感量变化时机如图9所示。是否满足要求NNNNYYYY是否满足要求是否满足要求是否满足要求通过不通过环境试验试件制作ESS随机振动试验测量电感量、外观检查测量电感量、外观检查测量电感量、外观检查正弦振动试验冲击试验测量电感量图9 试验顺序及测量电感量变化时机3 力学结果分析文章共选用15组印制板作为试件，粘固前与每次试验后对此磁芯进行表观检查及记录电感量。各阶段试验后，外观检查全部合格，无开裂、缺肉，磁芯 a 与印制板、磁芯 a 与 b 紧贴，无分离、开裂。通过对15组试件进行力学试验后，各组试件外观以及电性能都满足使用要求。数据记录见表7，所列数据为使用每种环氧胶粘剂粘固磁芯后感量值变化最大的试件。通过各阶段与粘固前感量最大变化率可知，经过文章设计的力学试验后，磁芯各阶段感量值变化率均小于10%。表7 各阶段磁芯感量值及感量变化率阶段G909#EC-2216B/A#E-51#粘固前（H）185.47194.75183.58ESS 随机振动试验后（H）/ESS随机振动试验后与粘固前（%）181.03/-2.39185.31/-4.85177.20/-3.48正弦振动试验后（H）/正弦振动试验后与粘固前（%）182.16/-1.78183.71/-5.67176.48/-3.87冲击试验后（H）/冲击试验后与粘固前（%）181.14/-2.33183.02/-6.02176.55/-3.834 结论文章从航天电子电源产品应用的实际出发，通过前期工艺摸底及产品调研确定环氧胶粘剂的固化工艺参数，选取3种环氧胶粘剂在相同力学条件（验收级）下进行磁芯的安装效果探究，对安装磁芯的印制板组件进行3种力学试验，结论如下。（1）3种环氧胶粘剂粘接强度大小为：E-51 EC-2216B/a g909。（2）E-51、EC-2216B/a 和 g909粘固的平面变压器均可承受文章设计的力学试验，且试验后电感量变化率均在10%要求范围内。（3）使用 g909环氧胶粘剂粘固的平面变压器经过力学试验后电感量变化率最小，为-2.33%。参考文献1 李建兵，林欣，庞学民.平面变压器综述C/.教育部中南地区高等学校电子电气基础课教学研究会第二十届学术年会会议论文集（下册）.2010：161-168.2 李恩浩.平面变压器在反激变换器中的应用与研究J.工业控制计算机，2022，35（1）：166-167.3 nihD.Theapplicationofplanartransformerinswitchingmodepowersupplya.internationalConferenceonElectronicMeasurement&instrumentsC.2003，1：573-578.4 李永发.基于平面磁元件的高频多谐振DC/DC变换器研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.5 王会玲，陈云华，袁森，等.平面变压器在电子设备中的应用及gB4943.1/iEC62368-1标准对平面变压器的安全测试要求J.电子质量，2022（4）：138-140.6 国防科学工业委员会.金属胶接不均匀扯离强度试验方法：hB51661981s.北京：中国航空集团公司301所，1981.7 全国胶粘剂标准化技术委员会.胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）：gB/T71242008s.北京：中国标准出版社，2008.作者简介袁群博（1997），男，黑龙江佳木斯人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为航天产品质量与可靠性管理。