环氧树脂固化物开裂现象分析研究

环氧树脂固化物开裂现象分析研究

行晓曦 1 郝慧琴 2

西安卫光科技有限公司 陕西西安 710065

摘要

环氧树脂固化物由于不同材料间热膨胀系数存在差异；产品结构设计不合理；终端混料配比不正确；操作不当等原因造成的产品开裂现象；并针对以上现象，采取一定的预防措施，取得了良好的效果。

关键词

环氧树脂、内应力

1. 前言

环氧树脂作为一种绝缘材料，以其优越的电气绝缘性能和极佳的机械强度，被广泛地应用在电工产品制造中，如：环氧树脂浇注干式变压器、电压互感器、电流互感器、绝缘子、开关元件、支撑件等，在这些产品制造的过程中，固化物时常会出现裂纹或是开裂，轻者修复可用，严重的甚至报废，造成经济损失，针对以上现象，下面重点论述如何解决环氧开裂问题。

2、 环氧树脂固化收缩与其内应力

2.1 环氧树脂固化物结构的均质态(基态)

通常情况下，由环氧树脂、固化剂、填充料(常用的有硅微粉)增韧剂、促进剂等其他助剂组成的配方固化物称其为结构分布均匀的均质态。环氧树脂固化结构均质态的收缩率决定环氧树脂和固化剂的结构、填充料的种类及添加量的多少。一般情况下增加填充料可有效降低树脂体系的膨胀系数，减小收缩率，但由于受工艺、设备和固化结构性能的限制，填充料的加入量是有限的，收缩率主要取决环氧树和固化剂的配方。在均质态，固化收缩率大小对固化物的机械性能、电气性能、耐热指数等无直接影响。

2.2 环氧树脂固化物结构的非均质态

环氧树脂绝缘件其固化结构一般情况下都是非均质态，其本身是有几种或多种材料组成的不熔、不溶固态物，它是在装有嵌件的模具中注入环氧树脂体系后，经加热凝胶固化而成，其固化物的结构为非均质态。非均质态存在两种以上性质(如导热性、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等)不同的材质结构即环氧树脂固化物(基态)和嵌件，由于二者的热膨胀系数不同，(前者为αr，后者为αm，嵌件材质多为铜质、铁质、铝质或是陶瓷等)，有的甚至相差一个数量级，产品成型时，由于固化收缩(反应收缩、热收缩)就会产生应力即内应力。内应力的大小可按材料力学基本公式(应力=变形×模量)进行计算和分析：

σ _内≈(ΔLS+ΔLa)×Er=[ΔLS+(αr-αm)×(TL-Tr)]×Er······································1

式中：σ 内—内应力；ΔLS—树脂固化收缩时变形量；ΔLa—树脂与内部制件线膨胀系数之间的差异产生的变形量；Er—树脂材料的弹性模量；αr—树脂固化物(基态)热膨胀系数；αm—嵌件的热膨胀系数；TL—树脂固化反应时温度；Tr—环境温度。由上式可知，决定内应力的主要因素有三种，温度差Δt，树脂弹性模量E，热膨胀系数α。温度差Δt 是树脂固化工艺条件确定的，树脂材料的弹性模量E 若降低，将影响固化物的强度，所以降低内应力最好的方法就是降低热膨胀系数α。

2.2.1 内应力与内裂纹

在非均质结构中，当环氧树脂固化物(基态)的热膨胀系数αr=嵌件的热膨胀系数αm 时，环氧树脂固化物内无内应力，制件中材料的实际拉伸强度=均匀固化物材料强度，这种状态很少发生。当环氧树脂固化物(基态)的热膨胀系数αr>嵌件的热膨胀系数αm 时，由于环氧树脂混合料在凝胶、固化时产生固化收缩和冷收缩，这时制件内就存在内应力，即有内应力收缩强度。当内应力收缩强度<均质材料拉伸强度，此时制件材料固化物的实际拉伸强度等于均质材料拉伸强度—内应力收缩强度；当环氧树脂体系固化收缩率增大，制件材料内应力增大，收缩强度增大，材料实际拉伸强度降低，在制件中嵌件结构易形成内应力集中的地方则极易导致收缩强度>材料拉伸强度，从而产生内裂纹，严重的导致制件的表观开裂。当内应力收缩强度等于质材料的拉伸强度时，制件中环氧固化材料的拉伸强度几乎接近零值，制件内部微裂纹多，表观上即将开裂，一旦遭受冷热巨变，强电流冲击，或外力的作用，制件就会开裂或断裂；当环氧树脂固化物(基态)的热膨胀系数αr>>嵌件的热膨胀系数αm 时，产生的内应力收缩强度>均质材料拉伸强度，这时制件直接开裂报废。

2.3 预防措施

固化物在其成型过程中，温度变化是不可避免的，减小内应力的关键是减小膨胀系数差值，在树脂中添加填料可有效降低树脂体系的膨胀系数，具体试验数据见表1[2]。

表1 环氧树脂固化物性能

从表1 可以看出，纯树脂经添料填充后，其复合体的膨胀系数与铜、铝比较接近，因此我们在产品设计时，除了考虑产品本身的结构外，同时还应考虑与该结构相适宜的材料配方。

3、环氧树脂固化物内应力分布

3.1 内应力测试分布

产品在进行筛选试验的高温贮存、温度循环试验后，产品的环氧灌封表面出现不同程度的裂纹，裂纹分布在引线根部或与外壳接触面上，裂纹形式均为浅层开裂型。环氧树脂固化物内制件不同部位内应力分布是不均匀的，特别在嵌件拐角处，内应力产生集中。若制件尺寸、体积偏大，内制结构件偏离制件本体较远，环氧树脂分布不均，局部过厚或过薄，环氧树脂固化物在其固化或投入运行的过程种，当应力超出固化物本身所能承受的极限应力时，就表现为开裂。

图1硅桥器件

3.2 预防措施

在环氧树脂固化物的内制件上增加缓冲层，以消弱内制件周围的应力。如在内制件上涂刷硅橡胶作为缓冲层，或是填料硅凝胶，这样制成的复合材料体，其纵向拉伸强度可大大提高；都能有效预防在制件的开裂。固化物的外形最好设计成圆弧形状、流线体，避免棱角，设计产品时要避免树脂层厚薄过于悬殊；内制件尖角、锐角都要加工成圆角；半露在外部的制件部位等也应圆角化处理。

4 、结语

总之，环氧树脂固化物开裂的原因有很多，但总的原因是其内存在应力，只要从消除、减缓应力的角度思考、想办法，并采取措施，开裂问题是可以解决的。

作者简介：

行晓曦，1981.5.3，女，汉族，陕西渭南人，大学本科。主要研究方向：半导体分立器件。