分享：光學(xué)組件反射鏡開裂原因分析

摘 要:某光學(xué)組件在高低溫沖擊試驗后反射鏡出現(xiàn)裂紋.通過宏觀分析、剪切強度試驗、硬度 測試、線膨脹系數(shù)試驗等方法對反射鏡開裂原因進行了分析.結(jié)果表明:DGＧ４膠黏劑配比不當(dāng),對 反射鏡產(chǎn)生了較大的固化應(yīng)力,加之高低溫沖擊試驗中,急速升降溫使得反射鏡受到了較大的熱應(yīng) 力,在兩者的共同作用下反射鏡發(fā)生開裂. 

關(guān)鍵詞:反射鏡;固化應(yīng)力;熱應(yīng)力;DGＧ４膠黏劑;高低溫沖擊試驗 

中圖分類號:TH７４１         文獻標(biāo)志碼:B        文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５２Ｇ０３

光學(xué)組件是紅外導(dǎo)引頭的重要組成部分,拋物 柱面反射鏡(簡稱反射鏡)則是光學(xué)組件的重要組成 部分[１].DGＧ４光學(xué)結(jié)構(gòu)膠(簡稱 DGＧ４)因具有優(yōu)良 的光學(xué)性能、黏接性能和耐老化性能,得到了廣泛的 應(yīng)用[２].光學(xué)組件中的探測器為環(huán)氧樹脂膠封裝成 型,通過 DGＧ４黏接在反射鏡的光學(xué)玻璃上.編號 為１７０１批 次 的 光 學(xué) 組 件 裝 配 完 成 后,經(jīng) 高 低 溫 (－５０~７０ ℃)沖擊試驗１０次后多臺反射鏡出現(xiàn)裂 紋.經(jīng)統(tǒng)計,該批光學(xué)組件４個子批的故障率分別 為２１．１％,１７．８％,２３．４％,１８．５％,平 均 故 障 率 為 ２０．２％.筆者通過一系列理化檢驗對反射鏡的開裂 原因進行了分析,找出了反射鏡開裂的原因并提出 了相應(yīng)的改進措施. 

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀分析 

使用 LEICAS６D型體視顯微鏡對拆解下來的 開裂反射鏡進行觀察,如圖１所示.可見反射鏡外 表面無損傷,裂紋主要分布于反射鏡與探測器的黏 接部位.

１．２ 剪切強度試驗 

DGＧ４為雙組分環(huán)氧膠,A 組分為環(huán)氧樹脂,B 組分為胺類固化劑.A,B的質(zhì)量比為１~２∶１,固化 條件為室溫放置４８h或６０ ℃保溫４h. 

將 DGＧ４ 按 照 A,B 組 分 質(zhì) 量 比 為 １∶１, １．５∶１,２∶１的 配 比 制 成 兩 組 剪 切 強 度 試 樣,在 ６０ ℃保溫 ４ h 進 行 固 化. 按 照 GB/T ７１２４－ ２００８«膠粘劑 拉伸 剪 切 強 度 的 測 定(剛 性 材 料 對 剛性材 料 )»,使 用 INSTRON５５８１ 型 電 子 拉 力 試驗機 對 試 樣 進 行 剪 切 強 度 試 驗,結(jié) 果 分 別 為 ３２．４,３５．１,２４．０ MPa. 

１．３ 硬度測試

將 DGＧ４按照 A,B 組分質(zhì)量比為１∶１,１．５∶１, ２∶１的配比制成兩組硬度測試試樣,一組室溫放置 ４８h進行固化,另一組６０℃保溫４h進行固化.按 照 GB/T２４１１－２００８«塑料和硬橡膠 使用硬度計測 定壓痕硬度(邵氏硬度)»,使用 TIMETH２１０型邵 氏硬度計對試樣進行硬度測試,結(jié)果分別為７３,７８, ７３HD. 

對故障 批 次 １７０１ 批、無 故 障 批 次 １６０１ 批 及 １６０２批黏接反射鏡留存的 DGＧ４膠樣進行邵氏硬度 試驗,結(jié)果分別為７７,７４,７３HD. 

按照 GB/T７９６２．１８－２０１０«無色光學(xué)玻璃測試 方法 第１８部分:克氏硬度»,使用SHMADZU HMVＧ G型顯微硬度計,對１７０１批,１６０１批以及１６０２批產(chǎn) 品的反射鏡進行硬度測試.載荷為１．９６N,測得３批 反射鏡的硬度分別為５６０,５３４,５４５HK.

１．４ 線膨脹系數(shù)試驗 

將 DGＧ４按照 A,B組分質(zhì)量比為１．５∶１的配比 制成 規(guī) 格 為 ?８ mm×１０ mm 的 試 樣,使 用 TA TMA Q４００型線膨脹測試儀進行線膨脹系數(shù)測試, 結(jié)果如圖２所示.可見在２０~５０ ℃時,DGＧ４的線 膨脹系數(shù)約為８０μm??(m??℃)－１.

２ 分析與討論

該批次光學(xué)組件中反射鏡開裂的原因可分為內(nèi) 在因素和外在因素,內(nèi)在因素為反射鏡的自身缺陷, 外在因素可分為外部應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力.對３個批次 光學(xué)組件中反射鏡的尺寸、折射率、色散系數(shù)進行測 試,由表 １ 可 見 故 障 批 次 １７０１ 批 與 無 故 障 批 次 １６０１批及１６０２批的測試結(jié)果無明顯差異,說明反 射鏡質(zhì)量穩(wěn)定,排除反射鏡自身缺陷導(dǎo)致反射鏡開 裂的可能性.

DGＧ４在 固 化 過 程 中 因 體 積 以 及 黏 彈 性 變 化 會產(chǎn)生固化應(yīng)力[３Ｇ４],其固化過程中的固化應(yīng)力不 斷增大,完 全 固 化 后,應(yīng) 力 達 到 最 大 值,會 對 被 黏 物體產(chǎn)生 影 響.在 光 學(xué) 組 件 膠 接 時,收 縮 性 膠 黏 劑如 DGＧ４的固化應(yīng)力形成作用在 反 射 鏡 上 的 拉 應(yīng)力,此為其中一種內(nèi)部應(yīng)力.在經(jīng)歷高溫(或低 溫)時,由于 膠 與 反 射 鏡 的 膨 脹 系 數(shù) 不 同,溫 度 變 化過程中,膠與被黏物體間存在一定熱應(yīng)力,溫度 變化越快,熱 應(yīng) 力 越 大.熱 應(yīng) 力 為 作 用 在 反 射 鏡 上的另一種內(nèi)部應(yīng)力.

采用體視顯微鏡觀察到反射鏡外表面無任何損 傷,裂紋出現(xiàn)在反射鏡通過 DGＧ４與探測器黏接的 表面.任何外部應(yīng)力作用在反射鏡上,造成反射鏡 內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋,必然會在受力點產(chǎn)生損傷.而該 反射鏡外表面無任何損傷,說明反射鏡的開裂不是 外部應(yīng)力引起的. 

剪切強度試驗與硬度測試結(jié)果表明,DGＧ４ 的 A,B 組分質(zhì)量配比不同時,DGＧ４的剪切強度與硬 度都不相同.A,B組分質(zhì)量比為１．５∶１時的剪切強 度與硬度最大.１７０１批反射鏡黏接留存膠樣的硬 度比１６０１,１６０２批的略大.由此可知,１７０１批反射 鏡黏接所用 DGＧ４中 A,B 組分的實際質(zhì)量比約為 １．５∶１.此時,DGＧ４的剪切強度與硬度較大,對反射 鏡產(chǎn)生的殘余固化拉應(yīng)力也較大.

環(huán)氧樹脂與探測器上其他組件材料的線膨脹系 數(shù)不同,易導(dǎo)致組件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力從而影響探測 器的使用壽命[５].DGＧ４在２０~５０℃時的線膨脹系數(shù)約為８０μm??(m??℃)－１,即８×１０－５ ℃－１.反射 鏡的 材 料 為 ZKＧ１０ 光 學(xué) 玻 璃,其 線 膨 脹 因 數(shù) 為 １０－６ ℃－１[６],遠 小 于 DGＧ４ 的 線 膨 脹 因 數(shù).DGＧ４ 固化后與反射鏡直接接觸,由于線膨脹因數(shù)不同,在 高低溫沖擊試驗過程中 DGＧ４會對反射鏡產(chǎn)生較大 的熱應(yīng)力[７Ｇ８].與反射鏡黏接的探測器為環(huán)氧樹脂 封裝組件,同類材料的線膨脹因數(shù)相近,故在溫度沖 擊試驗過程中 DGＧ４對探測器的熱應(yīng)力較小.當(dāng)光 學(xué)組件由７０ ℃轉(zhuǎn)至－５０ ℃時,急速降溫導(dǎo)致 DGＧ４ 對反射鏡產(chǎn)生較大熱應(yīng)力,其與固化應(yīng)力共同作用, 將反射鏡拉傷,產(chǎn)生裂紋,裂紋在循環(huán)熱應(yīng)力作用下 不斷擴展[９].

３ 結(jié)論及建議 

反射鏡與探測器通過 DGＧ４黏接,DGＧ４配比不 當(dāng)導(dǎo)致反射鏡受到較大的固化應(yīng)力;并且 DGＧ４與 反射鏡的線膨脹因數(shù)相差較大,高低溫沖擊試驗時, 急速升降溫使得 DGＧ４ 對反射鏡 產(chǎn) 生 較 大 的 熱 應(yīng) 力,固化應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致反射鏡開裂. 

建議 將 DGＧ４ 中 A,B 組 分 的 質(zhì) 量 比 調(diào) 整 為 ２∶１,并增加３次低速率升降溫操作使熱應(yīng)力得到釋 放,避免故障的再次發(fā)生.

參考文獻: 

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 56卷 > 2期 (pp:52-54)>