贵州航天电器股份有限公司 贵州贵阳 550009
摘要：文章介绍了军用电连接器常用高分子材料的结构与性能，对其中几对材料进行了多方面的性能对比，具体有PPS、PBT、PEI、PEEK、LCP、硅橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶等。
关键词：电连接器 高分子材料 性能对比
0引言
连接器中使用的材料包括很多种类，不同种类的材料用于制作连接器中的不同零部件。而随着电连接器工业的蓬勃发展，特别是航天航空用连接器作为高端连接器，应用于特殊复杂的环境之中，要提供高可靠、耐环境的电路连接，对于材料的性能要求要较其他连接器更为苛刻。这就要求在在制作连接器不同的零件时，了解不同材料的不同功能及特性，选用最合适的材料，来保证连接器高可靠、耐环境的各种性能。
1连接器常用高分子材料
1.1 塑料绝缘安装板
连接器的绝缘安装板必须具有优良的电气性能和作为结构件所需的机械性能，材料的耐热、耐湿、耐振动、耐冲击和尺寸稳定性非常重要。在目前的各种高分子材料中，玻纤增强的聚苯硫醚（PPS）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）是最常用的航天航空连接器的绝缘安装板材料。
PPS（Polyphenylene Sulfide）是分子主链上带有苯硫基的热塑性特种工程塑料，由于结晶度较高，力学强度随温度升高下降较小，因此具有较大范围的耐温能力，其熔点Tm=275～290℃，连续使用温度达240℃，短期使用温度可高达270℃；添加玻璃纤维的PPS，具有优异的机械性能；吸湿率非常低，因此具有高度的尺寸稳定性，即使在高温条件下抗蠕变性能也非常好；具有优良的耐化学性和抗氧化性，除了受氧化酸如浓硫酸、硝酸、王水等侵蚀外对其他化学品都较稳定，因此可在很多种溶剂环境下使用；PPS本身具有阻燃性（UL94 V-0，某些级别甚至可达到5 VA）；电绝缘性能优异；对玻璃、陶瓷、钢、铝等材料有很好的粘合性能。由于具有上述优点，PPS非常适合用作航天航空用连接器的绝缘安装板材料。
PBT﹝Polybutlene Terephthalate﹞是由对苯二甲酸二甲酯或对苯二甲酸与1，4-丁二醇的缩合而得到的饱和聚酯型热塑性通用工程塑料。PBT具有许多优良的特性：结晶速度快，流动性好，易成型；熔点高达225℃，耐热性佳，可在150℃的空气中长期使用；耐有机溶剂、润滑油、汽油等之性能佳；玻纤强化的PBT，机械强度大；吸水率低，尺寸稳定性、抗蠕变性佳；可制成阻燃级，符合94-V0要求；电气性能优良，温度造成的电气电阻、介电常数的变化也小；静态、动态摩擦系数低，可大幅减少对金属或其他零件的磨耗。PBT由于具有上述优点而被广泛地应用于电子、电气、信息及汽车工业，为通用工程塑料中最受注目之材料。
PPS主要应用于对耐热性要求很高的场合，如宇航级连接器的长期使用温度范围（-55℃～200℃），而PBT则应用于对耐热性要求不是很高的一般场合。目前PPS和PBT的生产商主要为国外的Phillips、Ticona和宝理等，其中已在航天航空连接器绝缘安装板上成功应用的进口PPS牌号有Fortron 1140L4、1140L6和Ryton R-4系列，以及国产PPS牌号A7-02B+等；而PBT则有进口牌号Celanex 3316、3300，以及国产牌号301-G30、G20、G10等。典型PPS与PBT材料的主要性能数据见表1。
表1 PPS（Fortron 1140L4）与PBT（Celanex 3316）的主要性能数据
1.2复合材料壳体
为减轻重量，航天航空用连接器可选用高分子材料制作壳体，前提是必须具有足够的机械强度和环境适应性，而具有优良综合性能的纤维增强的聚醚酰亚胺（PEI）和聚醚醚酮（PEEK）不失为一种理想选择。
PEI（Polyetherimide）是属特种工程塑料聚酰亚胺（PI）中的一类新材料，纯PEI树脂密度为1.28～1.42g/cm3，比常用的金属壳体材料铝合金2A12（密度约2.78g/cm3）和不锈钢1Cr18Ni9Ti（密度约7.9 g/cm3），分别减轻至少50%和80%以上的重量；PEI玻璃化转化温度很高（Tg=215℃），具有较宽的使用温度范围和较强的高温稳定性，可在-160℃～180℃的工作温度下长期使用，允许在200℃下间断使用；PEI自身的分子结构使其具有良好的阻燃性，阻燃等级为UL94 V-0，氧指数达47，符合飞机内件要求的FAA阻燃性和热释放性的材料标准；PEI机械性能优异，即使是非增强型的PEI，仍具有很好的韧性和强度，而加入玻璃纤维、碳纤维或其他填料后可使其进一步增强，也可和其它工程塑料组成耐热高分子合金；PEI具有很低的收缩率，以及良好的等方向性机械特性；电绝缘性能优良，其在可变温度、湿气和频率条件下表现出很好的电性能：在GHz频率下的低损耗因数使PEI具有高的微波可穿性，其离子型污染物低水准，在121℃、100％R．H．和207kPa下120小时用水提取后的导电率在20MΩ以上，可用作电子传感器元件的绝缘材料；PEI具有很宽范围的耐化学性，包括耐多数碳氢化合物、醇类和所有卤化溶剂，也可耐无机酸和短期耐弱碱，对部分卤化溶剂，聚醚酰亚胺是良好的选材；其水解稳定性很好，在沸水中浸泡10000小时后拉伸强度保持85％以上，在132℃温度下，蒸汽热压循环2000次后拉伸强度保持在100％；聚醚酰亚胺具有很好的抗紫外线、Y射线性能，在400兆拉德的钴射线辐射下加工，拉伸强度保持94％。
PEEK（Polyether Ether Ketone，简称PEEK树脂）是一种新型的半晶态线性芳香族热塑性特种工程塑料。它属耐高温热塑性塑料，具有较高的玻璃化转变温度（143℃）和熔点（334℃），负载热变型温度高达316℃（30%玻璃纤维或碳纤维增强牌号），可在250℃下长期使用，与其他耐高温塑料如PI、PPS、PTFE、PPO等相比，使用温度上限高出近50℃；PEEK树脂不仅耐热性比其他耐高温塑料优异，而且具有高强度、高模量、高断裂韧性以及优良的尺寸稳定性，在高温下能保持较高的强度，其在200℃时的弯曲强度达24MPa左右，在250℃下弯曲强度和压缩强度仍有12～13MPa；PEEK树脂的刚性较大，尺寸稳定性较好，线胀系数较小，非常接近于金属铝材料；具有优异的耐化学药品性，在通常的化学药品中，只有浓硫酸能溶解或者破坏它，它的耐腐蚀性与镍钢相近，同时其自身具有阻燃性，在火焰条件下释放烟和有毒气体少，抗辐射能力强；PEEK树脂的韧性好，对交变应力的优良耐疲劳性是所有塑料中最出众的，可与合金材料媲美；PEEK树脂具有突出的摩擦学特性，耐滑动磨损和微动磨损性能优异，尤其是能在250℃下保持高的耐磨性和低的摩擦系数；PEEK树脂易于挤出和注射成型，加工性能优异，成型效率较高。此外，PEEK还具有自润滑性好、易加工、绝缘性稳定、耐水解等优异性能，使得其在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域具有广泛的应用，开发利用前景十分广阔。
由于具有上述种种优点，PEI和PEEK能在许多结构设备中代替金属和其它材料，而用PEI和PEEK取代金属制造连接器，不仅能大幅减轻连接器重量，还可使元件结构最佳化，简化连接器的制造和装配步骤，使产品保持更精确的尺寸。而PEEK材料比PEI拥有更优异的综合性能，例如更高的强度和长期使用温度，因此更适用于环境温度和强度要求较高的场合。
PEI最先由美国GE公司开发并逐渐发展为成熟产品，随着GE公司塑料业务的整体剥离，如今已成为沙特SABIC公司旗下的产品之一，目前在航天航空连接器外壳上成功应用的PEI牌号主要为Ultem 2300等。PEEK自20世纪70年代末由英国原ICI公司开发以来，一直被作为一种重要的战略性国防军工材料，许多国家均限制出口。目前PEEK的主要生产商有英国VICTREX和德国赢创德固赛等，PEI与PEEK的主要性能数据见表2。
表2 PEI与PEEK主要性能数据表
1.4 封线体、界面密封垫和密封圈
航天航空用连接器中的封线体、界面密封垫和密封圈，一般采用硅橡胶、氟橡胶或氟硅橡胶材料制作。
硅橡胶（Silicone rubber）是主链由硅（Si）原子和氧（O）原子相互交替组成、侧链由甲基、乙基或苯基等有机基团组成的特种合成橡胶。由于硅橡胶中硅氧键（Si-O）的键能高于一般橡胶中C-C键的键能，从而使分子间的结合力强，而分子链又十分柔顺，因此硅橡胶能在非常宽的温度范围内保持高而较恒定的柔软性，其使用温度范围可在-100℃～300℃之间，能在-60℃～250℃内长期使用，是目前使用温度最广、最好的耐寒与耐高温橡胶材料；绝缘性能优良，对热氧化和臭氧的稳定性很高，化学惰性很大；缺点是机械强度较低，耐油和耐酸碱性差，因而在有化学溶剂场合中的使用上受到了一定的限制。硅橡胶按所用单体的不同，分为甲基硅橡胶（MQ）、甲基乙烯基硅橡胶（VMQ）（用量及产品牌号最多）和甲基乙烯基苯基硅橡胶PVMQ（耐低温、耐辐射），等等。
氟橡胶（Fluororubber）是指主链或侧链上含有氟（F）原子的特种合成橡胶，其中含氟烯烃共聚物是应用最广、产量最大的一类氟橡胶。氟橡胶中所含的F是元素周期表中电负性最强的元素，具有极大的吸电子效应，当它与碳（C）原子结合时便形成键能很高的碳氟（C-F）共价键，且这种键能还随碳原子氟化程度的提高而提高，同时，由于分子中F原子的存在，也使氟化碳原子与别的元素结合的键能提高，这使得氟橡胶具有优良的物理机械性能、很高的耐热性、耐氧化和耐化学溶剂性，其耐高温性能和硅橡胶相仿，耐溶剂性能在目前所有橡胶中表现最为突出；氟橡胶具有极好的抗老化性能，它对日光、臭氧和气候的作用十分稳定；其电性能较好，吸湿率较低，可作为较好的电绝缘材料；氟橡胶对气体的溶解度比较大，但扩散速度却比较小，所以总体表现出来的透气性也小，在一定温度下其出气率升华值很小，是高真空、超高真空密封中的重要材料。氟橡胶的弹性低、耐寒性差，耐辐射性能也较差，价格高昂，因此使用受到了一定限制。
氟硅橡胶（Fluorosilicone rubber）又称γ-三氟丙基甲基聚硅氧烷，是侧链引入氟代烷基的一类硅橡胶。常用的氟硅橡胶为含有甲基、三氟丙基和乙烯基的氟硅橡胶。氟硅橡胶兼有硅橡胶的耐高温和氟橡胶的抗腐蚀性、耐油性特点，其不仅能在-55℃～+200℃下长期工作，还具有优良的耐油、耐溶剂性能，如对脂肪烃、芳香烃、氯代烃、石油基的各种航空燃料油、润滑油、液压油、机油、化学试剂及溶剂等在常温和高温下的稳定性均较好，这些是单纯的硅橡胶所不及的。氟硅橡胶具有较好的低温性能，对于单纯的氟橡胶而言，是一种很大的改进。在氟硅橡胶的胶料中加入适量的低粘度羟基氟硅油，胶料热处理，再加入少量乙烯基硅橡胶，可使工艺性能显著改善，有利于解决胶料粘辊和存放结构化严重等问题，能延长胶料的有效使用期。在上述氟硅橡胶中引入甲基苯基硅氧链节时，会有助于耐低温性能的改善，且加工性能良好。
目前硅橡胶、氟橡胶和氟硅橡胶的生产商主要有美国道康宁、迈图高新和日本信越，其中道康宁为全球最大的硅橡胶和氟硅橡胶供应商，提供的产品系列最多，性能最为齐全，而日本信越则能提供多种耐油硅橡胶、氟硅橡胶，在汽车和飞机零部件方面被广泛应用。国内外的硅橡胶、氟橡胶和氟硅橡胶牌号较多，需根据橡胶制件的使用环境（如温度范围、所接触的介质）来进行选择，目前已成功应用在宇航级连接器密封件上的硅橡胶牌号主要有SE41450G等。硅橡胶、氟橡胶和氟硅橡胶的各项性能对比见表4。
表4 硅橡胶、氟橡胶或氟硅橡胶性能对比
2 结语
连接器功能的好坏，取决于其设计和所采用的材料，而材料选用则会影响到连接器的可靠性和耐用性。由于使用环境的特殊性，航天航空连接器对材料提出了更高的性能要求——质轻高强、耐高低温、耐多种化学溶剂、抗辐照耐老化、低挥发和无毒阻燃等。这对于连接器中的高分子材料提出了极大的考验，为满足以上要求，只能选用综合性能优异的工程塑料、特种工程塑料，如PBT、PPS、LCP、PEI和PEEK，以及耐高低温、耐溶剂性优异的特种合成橡胶，如硅橡胶、氟橡胶和氟硅橡胶。
参考文献：
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作者简介：
丁文彦（1988－），男，助理工程师，从事航天器用电连接器设计和研制工作。Email：495691503@qq.com
论文作者:丁文彦
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/31
标签：硅橡胶论文; 性能论文; 连接器论文; 材料论文; 温度论文; 强度论文; 耐高温论文; 《基层建设》2018年第10期论文;