侵蚀性介质中传感器的密封

2011-03-12 23:34:08来源: 互联网
汽车中使用的传感器数量越来越多,它们为保证汽车的安全性、舒适性和降低油耗起到了关键作用。

传感器通常安装于待测数值监控处。由于信号通过电极向外发射,传感器必须密封于电极出口,对着各自的测量区域,如温度、压力或侵蚀性介质。单独靠模压成型的工艺连接电极和监测传感器已经不能满足当今汽车工业的需求。德路工业粘合材料采用化学键链接的胶粘剂弥补了这一不足。

正确地选择胶粘剂对传感器的可靠性具有决定性的意义。这对恶劣条件下使用的传感器更加重要,例如油量监测传感器或压力传感器。针对此类应用,德路工业粘合材料专门立项开发出了基于酐固化环氧树脂的灌封树脂。这类胶粘剂对高温和侵蚀性介质具有卓越的抵抗性,并且能够提供特殊的机械性能。

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图1 DELO-MONOPOX GE720与聚氨酯灌封树脂耐化学腐蚀性能的对比

以往密封系统的技术局限

一般来说,聚合物随着温度的升高会有一些后固化的反应,即未完全链接的聚合物支链在高温下变得活跃从而相互反应。此过程使化学交联度提高,从而使聚合物的一些机械参数升高,例如抗拉强度、杨氏模量和玻璃化转变温度,材料也会变得更硬。同时,在150℃的高温下化学链可能受到氧化的作用而被破坏,从而导致胶粘剂失去内聚力,密封材料相应会变脆。

另外一个不良影响是侵蚀性介质渗透进聚合物导致密封材料膨胀,这主要会降低材料的机械性能。化学性能与聚合物类似的特殊油类可被大量吸收。在不利条件下,吸入的油类能够腐蚀聚合物或破坏化学粘合剂。如果油沿表层渗入至基材表面,则灌封树脂会由于粘接失效而剥离。

如果同时有温度和介质两种负面因素的影响,例如在油盘中,上述现象会更加严重,油的粘度随温度升高而下降,因此能够更轻易地渗透进聚合物。由于油类也容易被高温氧化,产生的许多侵蚀性老化产品也会对聚合物造成破坏。因此,聚合物的性能会发生巨大改变。

不适宜的灌封材料最终会在机械应力的作用下造成密封失效。这些机械应力一般由振动或不匹配的热膨胀造成的(由于被连接部件的材料热膨胀系数差异使热胀冷缩过程中产生机械应力),结果就是传感器不能正常使用,导致车辆发生故障。

新化学产品提高密封的可靠性

在通常用作传感器密封的材料中,环氧树脂相比聚氨酯表现出更强的抗侵蚀性和抗高温老化性。在环氧树脂族群中,以有机酸酐作为硬化剂的树脂性能最佳。由于其独特的环状结构,这些硬化剂使聚合物非常紧密地交联,由此可实现大于150℃的玻璃化转变温度。由于环状结构和分子交链的延伸率小,这些聚合物的热膨胀系数较低,即使在高温下也仅有很小部分氧气和化学品会渗透到材料内。

因此,德路工业粘合材料研发的新产品均采用含有有机酐的环氧树脂作为硬化剂。通过混合具有特殊性能的基础树脂、胶浆,加入填充粒子,可开发出满足传感器各类需求的理想新材料。从图1可以看出:室温下在介质中储存1 000h后拉剪强度的前后变化,聚氨酯在大部分介质下完全失效了。

油压传感器的密封

在实际应用中,这种新材料的化学成份被证明是非常有效的。将灌封树脂灌入油压传感器的内部并且密封电极,通过大量的应力测试,比如:长期储存于150℃的环境、150℃的ATF油中储存1000h、-40~150℃/1 000次温度冲击循环测试、VDA耐候性测试以及客户要求的振动测试和机械冲击测试等,证实使用DELO-MONOPOX GE720灌封的传感器密封性非常可靠(见图2)。相比之下,使用其他环氧树脂和聚氨酯灌封的传感器都出现了渗漏。表为德路工业粘合材料的DELO-MONOPOX GE720的参数。

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图2 用灌封树脂密封后的油压传感器,其功能和使用寿命得到保证

DELO-MONOPOX GE720的一些重要参数
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新材料的另一个亮点是稳定的电性能参数。与其他材料相比,此类灌封树脂和密封胶的介电常数ε受频率的影响较小。在温度方面,在达到玻璃化转变温度175℃之前,介电常数几乎没有变化。因此可以看出灌封树脂对电性能曲线的影响非常小。

通过表面处理提高粘着力

介质和温度对于密封胶粘接力的影响直接关系到传感器的密封性。根据所使用塑料的不同,可能获得截然不同的粘接强度。如果传感器表面残留有脱模剂,则建议密封前进行表面处理,例如火焰处理、等离子处理或电晕处理。多数情况下,仅对表面进行清洁处理就很有效。图3为使用环氧灌封树脂粘接的PBT样品的压剪强度在粘接后立即测量和湿度储存状态下测量结果的不同。

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图3 不同表面处理方法对使用环氧树脂粘接PBT后立即测量和湿度储存后测量的粘着力影响

表面处理系统须谨慎选择,因为并非每种表面处理方法都会提高粘接强度。不合适的操作参数甚至可能会破坏塑料表面而使粘接效果更差。

集成于生产线

单组分密封胶的点胶过程与应用密切相关。例如,对针脚或电极的灌封可通过点胶来实现。对不是很复杂的应用,使用压力-时间控制系统即可。对较高的需求来说,可使用螺杆点胶机或者体积点胶系统,通常也可使用喷射式点胶阀。如果灌封空间较大,可考虑使用真空灌封仪器。

DELO-MONOPOX GE720为热固化产品。烘箱的选择主要取决于不同的操作需求。例如,灌封部件可置于空气对流烘箱中批量固化。基本上,使用更为强大的红外线加热或者电磁感应加热可以实现快速的在线固化。

小结

新型的酸酐材料是一项重大进步,它能够确保传感器在汽车整个寿命周期内安全使用。令人欣慰的是,使用新材料不会产生任何不利影响。相反,习惯于使用例如2-c聚氨酯的厂商会发现,新环氧树脂的固化更快而且与生产线兼容,节省了宝贵的时间。

关键字:密封

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2011/0312/article_836.html
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