工程塑料在电子设备减重方面的应用*

骆德军，张 博，翁 俊，廖全文

（北京无线电测量研究所，北京 100854）

引 言

雷达电子产品发展迅速, 除了其功能越来越多、性能越来越先进之外, 其自重也越来越轻，体积越来越小。现阶段的军事设备主要使用复合材料。复材的力学性能优良，通过结构优化设计或采用低密度金属材料（如铝合金、镁合金材料），可达到整体减重的目的。但对于一些小型电子设备，结构优化的余量有限。从材料本身考虑，更换性能好、密度低的工程塑料，也可实现产品的轻量化。

大多数工程塑料的密度低于2 g/cm3。与现在广泛使用的铝制品相比，加工相同结构的模型，使用工程塑料制品可将产品质量降低50%。已发现的工程塑料种类越来越多，而且某些工程塑料的性能优异，所以围绕工程塑料的应用拓展研究也逐渐增多。本文探索工程塑料在雷达产品中的应用，利用工程塑料密度低的特性来实现产品的轻量化。

1 电子设备工程塑料应用分析

电子设备结构设计主要从以下4个方面来提高整个产品适应各种工作环境的能力。需要结合电子设备的结构功能，分析以工程塑料替换其中部分金属材料的可行性。

1）电子机箱主要用于安装各种电气件，并提供可靠的机械结构强度、刚度，保证整个产品正常工作。工程塑料的成型方式及组成不同，其力学性能也各不相同，但普遍具有较高的强度，可根据具体使用要求进行材料的选择。与铝合金（2.7×103kg/m3）、镁合金（1.8×103kg/m3）等轻质金属材料相比，大多数工程塑料（1.2×103kg/m3）有更高的比刚度。因此用工程塑料替换金属材料是为结构减重的重要途径。

2）结构件可以提高电气设备的散热能力，把器件温升控制在允许的范围内或保证设备内元器件能够承受温度骤变的热冲击。工程塑料材料的导热性、耐热性和热膨胀性与金属材料相差较大。一般电子设备的工作温度为−20°C～+85°C，大多数常用工程塑料能适用，如聚碳酸酯的热变形温度为+127°C。

对于电子设备，导热性较为关键。绝大部分工程塑料的导热率偏低，一般为0.14～0.34 W/（m·K）。现阶段各种针对工程塑料导热率的研究是通过掺杂高导热介质方式形成较高导热率的复合材料。复材的导热率虽有上百倍的提高，可达20～35 W/（m·K），但与传统金属散热材料（120～250 W/（m·K））相比，差距还是很大，所以对于高密度集成的雷达电子设备，工程塑料不宜作为导热、传热部件材料。

3）电子机箱通过结构设计来提高整个设备抗恶劣环境的能力，适用于各种极端环境条件。大多数工程塑料对酸、碱、盐等介质具有良好的耐腐蚀性，其电化学性能优于金属材料的电化学性能。

4）电子设备采取结构设计措施，最大程度地降低外部环境对设备内部的电磁干扰，同时降低内部设备对外部环境的电磁泄漏。因电磁屏蔽要求，机箱壳体一般采用金属材料，以保证壳体导通提供内部电磁屏蔽环境。大多数工程塑料为高分子材料，其导电性能差，是制约其在电子设备中使用的主要原因。在工程塑料外表面喷涂导电涂料，使其表面具有一定的导电性，即可起到金属屏蔽体的屏蔽作用。

通过分析可以看出，工程塑料可以替换电子设备部分结构承力件材料，通过对其内壁涂抹导电涂料的方式达到电磁屏蔽的效果，从而为设备减重。

2 工程塑料选择

2.1 加工工艺

不同工程塑料的材料特性不同，相应的加工工艺也有区别，需要根据目标材料选择适合的加工制造方法，这样才能充分发挥材料的性能。常用的加工工艺见表1。

通过表1可以看出，在上述成型工艺中，大部分工艺都需要做模具，需要复杂的加工工具，因此对于雷达设计研发阶段的小批量、复杂结构产品，不是理想的加工方式。

表1 常用的加工工艺

数控加工属于传统机械加工，可用于简单零部件制作。对于复杂结构，可采用3D打印技术，通过数控加工与3D打印相结合的方式实现单件或小批量结构件的生产制作。

2.2 材料性能

采用3D打印的加工方式，需要选用相应的打印材料。筛选应用于电子产品的材料时，应选用具有中高强度力学性能且能耐受80 ℃以上高温的材料。筛选出的材料有聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚醚醚酮（PEEK），其具体性能参数见表2。

表2 材料性能参数

对于3D打印，不同材料的成本也有所区别，性能最好的PEEK价格最高，PC，ABS和PA的价格较为适中。从材料性能与经济性考虑，PC和PA材料既能保证强度，也能在高温下保持稳定，是满足雷达行业基本使用需求的材料，且价格便宜，适合做小批量、多种类的加工替换件。

3 导电涂料选择

根据基体是否导电，导电涂料主要分为本征型和掺和型两种。本征型导电涂料是以本征型导电高聚物为基本成膜物质，通过高聚物自身的导电性能来达到使导电涂层具备导电性能的目的；掺和型导电涂料由高分子聚合物、导电填料、溶剂及助剂等混合而成，这不是高聚物的固有特性，而是利用导电颗粒的导电性能，使涂层的电导率在10～12 S/m，实现涂层的整体导电性能。本征型涂料多数处于实验室研究阶段，工程实践中大部分使用掺和型。

掺和型涂料种类较多，根据导电性及抗盐雾性能分别选择了铜系导电漆、镍系导电漆、银浆及碳浆，并将它们喷涂在材料表面进行相关实验。

3.1 电磁屏蔽实验

首先进行电磁屏蔽实验。选择PC实验件喷涂导电漆，实验结果如图1所示。在实验件内表面喷涂导电漆，将发射源放入实验件腔体内，在外部测量发射信号衰减量。实验结果显示，信号在100 MHz～18 GHz范围的平均衰减量可达30 dB～40 dB，满足大多数电子设备的屏蔽要求。

图1 电磁噪声实验

3.2 三防实验

测量4种导电漆实验件表面的电阻率，然后进行盐雾实验，实验后观察工件外观，并重新测量各工件表面的电阻率，结果见表3。

表3 导电漆性能比较

进行GJB 150A盐雾实验，4种导电漆的实验效果如图2所示。实验件在箱内受夹具影响，夹具自身部分锈蚀影响了实验件的表面质量，但还是可以明显看出铜系导电漆锈蚀严重，其余各种涂料表面基本无明显锈蚀现象。对实验件表面电阻进行测量，结果显示由于大面积锈蚀，铜系导电漆实验件电阻率也明显增大，不能满足在潮湿或高盐雾环境下的使用要求。碳浆电阻率也过高，不能起到电磁屏蔽的作用。综合导电性能及三防性能，优先选择镍系及银系导电涂料。

图2 盐雾实验前后的效果

4 某工业造型机箱减重设计

某工业造型机箱作为便携式设备，其原设计材料采用6063铝合金，整机较重，不利于人员操作使用，需要进行减重设计。

4.1 机箱结构

机箱采用的是3U密闭导冷设计，主要由上下冷板、前后面板、分割框、侧板及风机安装板组成。热量由导冷板传导至上下冷板，然后通过机箱上下冷板散热齿进行二次风冷散热，将热量排出。机箱内部形成密闭结构，保证整机的环境适应性及电磁屏蔽性能。

4.2 减重设计

出于散热需要，机箱上下冷板仍需采用导热性能较好的金属材料。相比于原机箱的6063系铝合金，冷板采用高导热镁合金。其余部分（如前面板、侧板等非传热结构）主要是为了形成机箱密闭壳体，同时安装一些电气件，可以采用密度更低的工程塑料，本次采用PC及PA两种材料进行替换。

除导热结构外，机箱其余结构件均采用工程塑料。为了保证机箱的电磁屏蔽性能，在结构件内表面涂抹导电涂料。选择银浆或镍系导电漆作为结构件内表面的喷涂材料。

PC或PA材料具有优异的加工性能，打印后零件的各种安装接口（如螺纹孔、钢丝螺套孔等）可以后加工完成，以保证机箱的装配精度。打印后的产品如图3所示。

图3 打印结构件

最后进行螺纹加工试验。对于3D打印结构件，由于受加工机理制约，其内部存在大量空隙，后加工的钢丝螺套安装后会出现脱落、开裂现象，如图4所示。针对这个问题，采用型材数控加工方式制作含有螺纹的零件。对于本次设备，两侧板均替换为型材PA直接加工外形，安装钢丝螺套。经实物验证，螺套安装紧密，未出现脱落现象。

图4 局部开裂图

4.3 力学分析

被替换件为前面板、后盖板、侧板、风机安装板及分割框。主要针对材料延展性较差的特点进行冲击校核。计算工况为X向、Y向的重力加速度各9个g，Z向14个g，时间为11 ms。仿真结果如图5所示。

图5 各方向受力分析

从力学仿真结果可以看出，对机箱3个方向加载冲击载荷后，最大应力为8.42 MPa，材料强度取1.5倍安全系数，小于尼龙材料的强度32 MPa，满足使用要求。

4.4 热学分析

机箱内部主要包含5块板卡，总功耗为60.2 W，热设计指标为环境温度最高55°C，电子器件壳温低于85°C，机箱侧壁温度低于75°C。热分析结果如图6所示。机箱侧壁最高温度为71.4°C，板卡器件最高温度为82°C，出现在存储板上，满足设计要求。

图6 热分析图

4.5 实验验证

4.5.1 力学实验

对机箱进行力学实验，主要包括扫频随机、随机振动筛选、冲击等，通过振动台模拟试验工况。各试验结果均表明，机箱满足型号使用要求。力学实验现场如图7所示。

图7 力学实验现场

4.5.2 电磁兼容实验

对机箱进行干扰源泄漏实验，以验证其屏蔽性能，具体实验过程及结果如图8 所示。内置干扰源，在暗室内测量信号衰减情况，干扰源频率为100 MHz～18 GHz，测得的相对衰减量约为40 dB。同时，采用探测仪检测机箱各边缝隙的泄漏量，相对屏蔽效能约为30 dB～40 dB，满足电磁兼容要求。

图8 机箱电磁兼容实验过程及结果

4.6 小结

机箱主散热材料采用高导热镁合金替代原有的铝合金材料，其余结构件改为工程塑料PA，计算出各部分的质量，见表4。在满足各项指标的前提下，机箱结构部分的总质量减轻了45.3%，表明采用工程塑料及轻质镁合金减重的效果十分明显。整个框架重2 kg左右，满足人员提拉需求，同时还节约了载机平台的质量指标。

表4 材料性能参数

从力学、热学角度分别对替换了PC材料及PA材料的机箱进行仿真及实验。其中导电漆采用银浆，既保证了机箱的电磁屏蔽性能又提升了结构件的三防性能。

对于塑料类产品，还需通过光时效实验检测其光老化特性，以验证其材料在不同光谱下的使用寿命。

5 结束语

工程塑料以其出色的综合性能，被广泛应用于电子电器、汽车、建筑等民用领域。随着电子设备不断轻小型化，工程塑料在军用电子设备领域也有广阔的发展前景。对于机箱类电子设备，可以在适当的部位采用工程塑料替换金属材料，以提高整个系统的动力效率，同时优化和简化重要零部件的制造及装配过程。

在应用工程塑料时，需要充分了解材料的物理、化学、力学等性能，结合较为成熟的涂覆及制造手段，进行有效的减重优化设计。对于单件、小批量产品，3D打印成本较低，但由于成型原理，很难获得类似于金属的质密材料的结构件，其内部存在气孔，局部结构强度不足；对于大批量产品，采用注塑的方式可保证形成质密结构件。因此在应用工程塑料时，需要结合成本及性能因素，综合考虑加工方法。