PBT玻纤复合材料电子连接器弯曲变形分析

2020-10-27邓克俭夏姗姗

合成材料老化与应用 2020年5期

邓克俭，夏姗姗，刘滨

（广州赛宝认证中心服务有限公司，广东广州 510610）

电连接器作为一种基础电器元件,用于实现电信号的传输和控制以及电子与电气设备之间的电连接,在航天、电子、通信等行业中应用广泛。一个复杂的航天系统要求有数以千计的各类电连接器,例如执行某产品发射任务,仅地面设备就需各种电连接器3400多套。电连接器要求在各种恶劣的环境、各种苛刻的条件下可靠地沟通电路、传递信息来实现特定的功能,其可靠性直接影响到重大装备等工程系统能否可靠地工作。据统计,目前各种系统的失效或故障现象中有70%是由元器件的失效而产生的,在这其中又有40%是由电连接器的失效而产生的，因此，电连接器已被列为国内外公认的四种可靠性较差的元件之一,其可靠性也成为国内外的研究热点，在系统中其他电子元器件可靠性水平不断提高的今天，连接器的可靠性成为制约系统可靠性提升的一个重要因素[1]。

在电连接器的可靠性分析方面,与其他电子元器件(例如装备设备等)相比，其失效模式不仅取决于电气性能,也在很大程度上取决于其机械性能,往往呈多重分布的统计规律,并且由于非恒定的失效率，连接器失效机理有多因素影响且比较复杂,也存在着结构件的形变等导致的失效。本文针对电子连接器弯曲案例从基础材料方面具体分析了PBT+15%连接器弯曲形变较大的原因。连接器具体失效信息如下：PBT+15%的玻纤材料注塑生产出来的产品在经过波峰焊后弯曲0.2mm～0.5mm，弯曲度弯曲形变较大，PBT+30%玻纤材料注塑生产出来的产品经过波峰焊后弯曲度在0.2mm左右，没超过0.3mm限值。

1 分析过程

1.1 外观观察

样品典型失效外观如图1所示，图1中连接器上下分为1、2两部分，发生弯曲形变的为上面的1号部分，1号部分中部发生图示箭头方向的凸起，导致1、2两部分之间存在较大缝隙。目测观察样品PBT+15%玻纤和样品PBT+30%玻纤，结果如图2所示。

图1 样品失效现象照片Fig.1 Photo of sample failure phenomenon

图2 连接器外观照片Fig.2 Photo of the connector

1.2 热力学分析

选择相同的测试条件对PBT+15%玻纤产品和PBT+30%玻纤产品的不同位置进行热分析。结果如图3～图6及表1～表3所示。由PBT+15%玻纤产品和PBT+30%玻纤产品的三个位置熔点分布可知，PBT+15%玻纤产品的不同位置在成型过程中存在一定的温度分布。计算方差和均方差来衡量熔点分布的均匀性，可见相同条件下的第二次升温三个位置熔点的均方差和方差均较小，而反映产品热历史的第一次升温三个位置熔点的均方差和方差较大，可见产品在模具内的成型过程中，成型环境并不均一，而PBT+15%玻纤产品的方差、均方差均大于PBT+30%玻纤产品，相比之下，PBT+15%玻纤产品不同位置的成型条件均一性更差。热焓分析结果显示PBT+15%玻纤热焓高于PBT+30%玻纤，可知PBT+15%玻纤产品的结晶度高于PBT+30%玻纤产品，高结晶度易引起较大收缩。由于玻纤为无机材料，硬度和强度较高，线性膨胀系数低，在PBT内部一方面可起到增强作用，另一方面可降低产品整体的收缩以及膨胀形变，增加产品的尺寸稳定性，由于PBT+30%玻纤填料含量较高，故其尺寸稳定性较好，PBT+15%玻纤由于较高结晶度和较低含量玻纤而导致较大的内应力和较差的抗形变性能。

表2 样品熔点（第二次升温）分析Table 2 Analysis of melting point of samples (second temperature rise)

表3 样品（第一次升温）熔融焓分析Table 3 Analysis of melt enthalpy of samples (first temperature rise)

图3 样品的热分析测试位置示意图Fig.3 Schematic diagram of thermal analysis test of samples

图4 样品PBT+15%玻纤以及PBT+30%玻纤3个位置的第一次升温DSC曲线图Fig.4 DSC curves of PBT+15% glass fiber and PBT+30%glass fiber at 3 positions for the first temperature rise

图5 样品PBT+15%玻纤以及PBT+30%玻纤3个位置的第二次升温DSC曲线图Fig.5 DSC curves of PBT+15% glass fiber and PBT+30%glass fiber at 3 positions for the second temperature rise

图6 样品PBT+15%玻纤以及PBT+30%玻纤的3个位置的第一次升温DSC热焓分析图Fig.6 DSC enthalpy analysis diagram for the first temperature rise at 3 positions of PBT+15% glass fiber and PBT+30% glass fiber

1.3 应力应变分析

对两种产品进行应力应变测试，具体测试条件为：28℃～100℃，升温速率4℃/min，升温至100℃后保持3h，结果如图9所示。由应力应变曲线可知，随着温度的升高，两种样品均存在膨胀效应，达到100℃后，样品的应变基本保持稳定不变。PBT+30%玻纤的四个位置应变均为正值，即处于拉伸状态，而根据应变曲线来看，应变值的排序为10＞11＞12＞9，即图7～图9中所示位置，10＞9表明PBT+30%玻纤样品的右侧为中间向上凸起，而11＞12表明左侧为中间向下凹陷，主要引起应变的为底部平面位置，在平面上存在向上和向下的两种方向相反的应变，相互抵消，故而应变较小，与失效现象吻合较好；PBT+15%玻纤的四个位置应变均为正值，即处于拉伸状态，根据应力应变曲线来看，应变值的排序为14＞16＞13＞15，即右侧16＞15中间向下凹陷，左侧14＞13中间向下凹陷，左右两侧均为向下凹陷，则合力向下凹陷形变大，造成样品的较大弯曲应变。由图9可知，整体上PBT+15%玻纤样品上四个位置的应变均大于PBT+30%玻纤样品的相应位置，也表明PBT+15%玻纤产品的尺寸稳定性较差。

图7 PBT+15%玻纤产品应力应变测试位置示意图Fig.7 Schematic diagram of the stress-strain test position of PBT+15% glass fiber products

图8 PBT+30%玻纤产品应力应变测试位置示意图Fig.8 Schematic diagram of the stress-strain test position of PBT+30% glass fiber products

图9 应力应变测试结果示意及应力形变曲线图Fig.9 Schematic diagram of stress-strain test results and stress-strain curve

1.4 扫描电镜分析（SEM & EDS分析）

对样品液氮脆断后利用SEM观察其内部填料分布，代表性SEM照片如图10～图11所示。由SEM照片可知，PBT+15%玻纤产品的填料分布较为稀疏分散，断面较为平整，而PBT+30%玻纤断面的填料分布密集，脆断面较为粗糙，且在靠近表皮的边缘位置可观察到玻纤的较多取向（注塑的高度剪切作用产生取向），玻纤取向分布可增强材料抗弯曲应力的能力。