浅谈硅橡胶在特种电连接器上的应用

韩继先，于慧敏

(沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁 沈阳 110144)

浅谈硅橡胶在特种电连接器上的应用

韩继先，于慧敏

(沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁 沈阳 110144)

从分子结构上简单阐述了硅橡胶的性能特点和应用领域。针对电连接器的应用环境条件，从通用性、耐高温、耐火、低挥发份、耐辐照、导电和耐油等角度出发，介绍了各类环境下电连接器中应用的硅橡胶的特性，对各种特性的硅橡胶在电连接器上的应用现状进行了概述，并指出各类硅橡胶存在的问题，进而对各种硅橡胶在电连接器上的应用进行了讨论。

硅橡胶；电连接器；应用

电连接器在各类电气设备和电子系统中完成电气连接和信号传递，是构成一个完整系统的重要基础元件，特别是在航空、航天、船舶、兵器、核电和铁路等领域，电连接器必须保证在各种环境中万无一失地工作。电连接器中的重要密封件，通常由硅橡胶混炼胶通过模压硫化制成。为满足电连接器在耐高温、耐火、低挥发份、耐辐照、导电和耐油等严苛的环境条件下工作，不同特性的硅橡胶在电连接器上得以应用。

1 硅橡胶简介

硅橡胶(Silicone Rubber，SR)是合成橡胶中重要的一类橡胶，属元素有机高分子，分子主链是Si-O键结构，侧链是烷基、乙烯基或苯基等基团，是典型的半无机半有机聚合物，其一般结构式如图1所示。

图1 硅橡胶的一般结构式

图1中，R、R1和R2为有机基团，如甲基、苯基、乙烯基和三氟丙基等；m和n为聚合度，可以在很宽的范围内变化。

硅橡胶的特殊结构赋予其具有很多优异的性能。由于Si—O键比C—C键的键能高很多，硅橡胶与通用橡胶相比具有更高的稳定性，如耐热性、耐候性、电绝缘性和化学稳定性[1]。

利用硅橡胶侧基基团和胶料不同的配方，可以得到各种不同用途的硅橡胶，也可引入其他基团以改善加工性能和其他性能。这些特点使硅橡胶广泛应用于航空、宇航、电气电子、化工仪表、汽车和机械等工业，以及医疗卫生、日常生活等领域[2]。

2 硅橡胶的种类

2.1 通用硅橡胶

2.1.1 二甲基硅橡胶

二甲基硅橡胶是投入商业化生产最早的一种硅橡胶(简称甲基硅橡胶)，可在-60～250 ℃内保持良好的弹性，耐老化性能好，具有优异的电绝缘性能以及防潮、防震和生理惰性等特性。甲基硅橡胶硫化困难，内层易起泡，且高温压缩永久变形大，故目前已被甲基乙烯基硅橡胶所取代。

2.1.2 甲基乙烯基硅橡胶

甲基乙烯基硅橡胶(简称乙烯基硅橡胶)是硅橡胶大分子结构中引入少量乙烯基。乙烯基硅橡胶是最通用的一种硅橡胶，目前在国内外硅橡胶的生产中占主导地位。由于它在侧链上引入部分不饱和的乙烯基，使其加工性能和物理力学性能均优于甲基硅橡胶。它除具有甲基硅橡胶的一般特性外,还具有较宽的使用温度范围，可在-60～260 ℃内保持良好弹性，它比甲基硅橡胶容易硫化，具有较小的压缩永久变形，较好的耐溶剂的膨胀性，耐高压蒸汽的稳定性以及优良的耐寒性等，而且又因为采用活性较低的过氧化物进行硫化，从而减少了硫化时产生气泡及改善橡胶稳定性差的弱点；故一般用乙烯基硅橡胶可制作厚度较大的制品。

乙烯基硅橡胶是硅橡胶中应用最广泛的品种，近年来不断涌现的各种高性能和特殊用途的硅橡胶，大都是以乙烯基硅橡胶为基础胶，例如高强度硅橡胶、低压缩永久变形硅橡胶、不需后硫化硅橡胶、耐热导电硅橡胶和医用硅橡胶等。乙烯基硅橡胶在航空工业上，广泛用作垫圈、密封材料及易碎、防震部件的保护层；在电气工业中可作电子元件等高级绝缘材料，耐高温电位器的动态密封圈，地下长途通信装备的密封圈。

2.1.3 甲基苯基乙烯基硅橡胶

甲基苯基乙烯基硅橡胶是在乙烯基硅橡胶的分子链中，引入甲基苯基硅氧链节或二苯基硅氧链节而得的产品。

由于在聚硅氧烷的侧基上引入苯基，破坏了二甲基硅氧烷结构的规整性，大大降低了聚合物的结晶温度，扩大了该聚合物材料的低温应用范围；因此，甲基苯基乙烯基硅橡胶除了具有乙烯基硅橡胶所具有的压缩永久变形小、使用温度范围宽、抗氧化、耐候、防震、防潮和良好的电气绝缘性能外，还具有卓越的耐低温、耐烧蚀和耐辐照等性能。这些性能随分子链中苯基含量的不同而有所变化，其中，苯基含量(苯基与硅原子之比)在5%～10%时称低苯基硅橡胶，它具有独特的耐寒性能，在-100～-70 ℃仍能保持硅橡胶的弹性，是所有硅橡胶中低温性能最好的一种，加之它兼有乙烯基硅橡胶的优点且成本不高，因此大有取代乙烯基硅橡胶的趋势。

2.2 耐高温硅橡胶

耐高温硅橡胶在许多领域都有大量的应用，如在航空电连接器行业，耐高温硅橡胶主要应用于发动机等高温区域及特种电子传感器、温控等系统配套高密度耐高温型电连接器中，是耐高温电连接器的重要组成部分；因此，提高耐高温硅橡胶的耐高温等级，使其在更为广泛的范围内应用，是一个非常重要且有重大意义的研究方向。

耐高温硅橡胶通常是通过在基础胶中加入Fe和Ni等金属的氧化物、氢氧化物和碳酸盐等来实现耐高温的目的[3]，基础胶多为甲基乙烯基硅橡胶，此种改性的硅橡胶可在300 ℃的空气中长期使用，超过此温度时，会加速硅橡胶的氧化降解。

随着电连接器耐温等级要求的提升，改性的胶种开始转变为含苯基硅橡胶，如低苯基甲基苯基乙烯基硅橡胶。目前，以甲基苯基乙烯基硅橡胶作为基础胶种进行耐热改性的硅橡胶，耐热性有了很大的提高，长期耐温可达到350 ℃，短时可达400 ℃，国内已有多家科研院所进行了此方面的研究，并取得了一定的成果。

国内外许多单位在硅橡胶的耐热方面取得了一定进展的品种有很多，如硅氮橡胶和硅硼橡胶等；但由于耐水解性差等原因，并未获得广泛应用。

2.3 耐火硅橡胶

为某列车车体配套的电连接器阻燃和发烟量的要求为在750 ℃的火焰烧蚀下，电连接器要保证30 min内信号和电力的供应。此类产品的绝缘体就是采用陶瓷化耐火硅橡胶。

陶瓷化耐火硅橡胶的主体材料是高温硫化硅橡胶(HTV)，如乙烯基硅橡胶，在其中加入白炭黑、硅油、瓷化粉和硫化剂等助剂。常温下具备硅橡胶的基本特性，包括无毒、无味、耐高低温、耐臭氧老化、耐候老化、优良的电绝缘性能，也具备了普通高温硅橡胶良好的加工性能。它在500 ℃以上的高温和火焰烧蚀下，有机成分会在很短的时间内被烧蚀并转化成坚硬的陶瓷状物质，形成一层良好的硬壳层，阻挡火焰的继续燃烧，而且烧蚀时间越长温度越高，坚硬的效果越明显。部分型号的陶瓷化耐火硅橡胶可以达到1 200～1 500 ℃[4]。

陶瓷化耐火硅橡胶在火焰的烧蚀下，燃烧1～2 min后，即开始烧结成坚硬的陶瓷状壳体的隔绝层，这种坚硬的陶瓷状壳体的隔绝层可以非常有效地阻挡火焰的继续燃烧，而且在被烧2～3 min后完全断烟。在接下来阻挡火焰的过程中，本身也不再产生烟雾。在前期2～3 min内产生的烟雾，也是无毒、无卤的。烟雾主要由有机硅燃烧后产生，有机硅本身不含有毒、有卤的物质。陶瓷化硅橡胶在烧蚀试验后的电连接器中的状态如图2所示。

图2 陶瓷化硅橡胶烧蚀后状态

陶瓷化耐火硅橡胶作为安全防火的消防材料，在防火电缆上应用广泛，但随着列车车体用电连接器在烟火等方面性能要求的提升，其在电连接器上亦有良好的应用前景。

2.4 低挥发份硅橡胶

随着航天事业的发展，对电连接器的要求日趋提高，但目前并没有完善的标准可供执行，即使少数国军标(如GJB 599和GJB 3234)中提到宇航级电连接器类型和要求，也没有规定宇航级电连接器应具有的全部性能(如辐射和臭氧等)[5]。宇航用电连接器基本上是按现有国家军用标准生产和验收的[6]。在标准中对宇航级电连接器明确提出的性能指标是热真空释气，即材料在热真空条件下的挥发份。在多部行业标准内均有对此项指标检测方法的规定，但国内实际均按航天行业标准QJ 1558《真空中材料挥发性能测试方法》对材料进行检测。

在规定的压力和温度条件下，材料的热真空释气指标，即质量损失、收集的可凝挥发和水蒸气回收量等3项指标要符合表1的规定。

表1 热真空释气指标要求

为了使硅橡胶的热真空释气性能符合空间级材料的要求，应对硅橡胶生胶进行预处理，以减少其挥发组分。对生胶的预处理有2种方法：热真空处理法和液—液提馏法[7]，在实践中后者效果更好。

电连接器在宇航环境中应用，热真空释气指标只是最基本的要求，随着宇航环境等级的提高，电磁辐射、微料辐射和原子氧等空间级指标亦严格要求，吴正平[6]曾对宇航电连接器的要求进行过详细论述。硅橡胶在宇航级环境中的应用，无论是从科研还是从生产等各角度来看，均存在广阔的空间。

2.5 耐辐照硅橡胶

李叔和不再说什么了，爬在付玉身上开始耕作。他耕作了几次也说不清楚，迷迷糊糊的，总是听到海浪啪打暗礁的声音传来。他感到海面上，眼梭鱼和金鲳鱼在跳。

目前，对电连接器明确提出耐辐照要求的是核工业领域，其要求耐β、γ射线辐照，剂量>5×105Gy，一般来说辐照剂量在5×105Gy时，只有聚氨酯、丁苯和天然橡胶等胶种耐辐射性能比较好，但其耐高温性均不理想。高苯基硅橡胶不但具有良好的耐高温性能，而且具有优异的耐辐射性能。

2.5.1 甲基苯基乙烯基硅橡胶

上述对甲基苯基乙烯基硅橡胶的性能已进行介绍，此处所指的耐辐射甲基苯基乙烯基硅橡胶的苯基含量为40%～50%，它具有优异的耐辐射性能,耐γ射线为1×108伦琴(1伦琴=2 158×10-4C/kg)。

一般说来，随着苯基含量的增加，硅橡胶分子链的刚度逐渐增大，硅橡胶的耐低温性能逐渐下降，但随着苯基含量的增加，提高了硫化胶的耐燃性和耐辐照性，可供制造耐辐射部位的密封圈、垫、管材和棒材等。

2.5.2 苯撑硅橡胶和苯醚撑硅橡胶

苯撑硅橡胶和苯醚撑硅橡胶是分子链中含有苯撑和苯醚撑链节的硅橡胶，是在适应核动力装置和导航技术要求发展起来的[8]。

苯撑硅橡胶的主要特点是具有优良的耐辐射性能，其耐辐射性能为通用的乙烯基硅橡胶的10～15倍，为甲基苯基乙烯硅橡胶的5～10倍，可制作成耐高能辐射的电缆、护套、垫圈以及热收缩管等，应用于宇航工业、原子能工业和核反应堆等。苯撑硅橡胶的缺点是低温性能不佳，脆性温度为-25 ℃，影响了其在军工方面的应用。

苯醚撑硅橡胶是分子主链引入苯醚撑和苯撑基团的聚硅氧烷，其分子结构如图3所示。

图3 苯醚撑硅橡胶结构式

苯醚撑硅橡胶具有良好的力学性能，一般抗张强度可达14.7～17.7 MPa，远高于乙烯基硅橡胶，同时具有优良的耐辐射性能。它可长时间耐250 ℃热空气老化，老化后仍具有较高的强度。苯醚撑硅橡胶的低温性能虽然比乙烯基硅橡胶差，却远优于苯撑硅橡胶，脆性温度为-70～-64 ℃。其介电性能与乙烯基硅橡胶接近，但苯醚撑硅橡胶的耐油差，既不耐非极性的石油基油，也不耐极性的合成油。总之，苯醚撑硅橡胶与乙烯基硅橡胶相较，具有较高的强度和抗辐射性能，相似的耐高温性能和介电性能，较差的低温性能、耐油性能和弹性。其良好的抗辐照性能和耐烧蚀性,在γ射线1×109伦琴照射后仍保持弹性，使得其在核电领域得到应用。

目前，国内只有武汉化研精细公司生苯醚撑硅橡胶生胶产，改性单位大多处于科研阶段，均未形成批量生产。密封件由苯醚撑硅橡胶制作的电连接器，目前虽已在核工业上得到应用，且耐辐照性能满足要求；但其他性能仍有待改进，且原材料昂贵，限制了其在其他领域推广。

2.6 高导电硅橡胶

随着高科技电子技术的发展，现代战争已进入信息战和电子战的时代，抗电磁干扰及通信保密对电子设备和武器装备是至关重要的。军用飞行器的电子系统和设备正向高频率、宽频带、高集成度、高可靠性和高精度的方向发展，而电磁干扰将越来越严重，已成为电子系统和仪器设备正常工作的突出障碍。

屏蔽处理是在持续电磁场作用下防止互相干扰的一种基本方法，设计制造电磁兼容电连接器(滤波电连接器)是抗射频电磁干扰的重要措施。在某型滤波电连接器中，高导电橡胶是必备材料之一。高温、高导电硅橡胶主要用于制造电连接器中起主要滤波作用的接地元件，把滤波和屏蔽两者组合在电磁兼容电连接器里，对于电子设备的抗干扰能力起着主导作用，同时对提高系统的可靠性起着十分关键的作用。

普通硅橡胶导电性能较差，通常需要加入导电填料来提高其导电性能。基胶通常为乙烯基硅橡胶，常用的导电填料有金属粉末(如银粉、镍粉、铜粉及镀银粒子等)和非金属材料(如石墨、炭黑、碳纳米管和导电纤维等)。为获得良好的体积电阻率，通常采用纯银粉进行填充，相应成本提高。目前，美军标MIL-DTL-83528C中对导电橡胶的种类和性能要求进行了明确的规定，而国内尚没有相应的可执行国标，各生产单位均执行企业标准。导电橡胶圈如图4所示。

图4 导电橡胶圈

国内导电硅橡胶在电连接器上的应用已有10年，通常均是用偶联剂对导电填料进行表面处理后[9]，加入到硅橡胶中，使橡胶的体积电阻率<10-2Ω·cm。当填料达到一定的比例时，体积电阻率<10-4Ω·cm。影响硅橡胶导电性的因素很多，如何获得稳定的高导电硅橡胶及橡胶的老化对导电性能的影响，仍是科研工作者的研究课题。

2.7 耐油硅橡胶

在电连接器的使用过程中， 在特定的环境中会接触到包括油污在内的多种介质，特别是航空电连接器，在国军标中对其应用材料的耐介质性能有明确的规定，如在GJB 1217中规定，材料应耐12种液体浸渍，其中包括多种油品。硅橡胶本身不耐油，此种条件下，作为腈硅橡胶的取代品——氟硅橡胶得以推广应用。氟硅橡胶是指含有氟代烷基的聚硅氧烷，其结构式如图5所示。

图5 氟硅橡胶结构式

氟硅橡胶具有优良的耐化学物质、耐溶剂和耐润滑油性能,此种硅橡胶在非极性溶剂中的膨胀率小，耐寒性及热稳定性好，抗着火性也好，故在飞机、火箭、导弹、宇宙飞船和石油化工中，用作于与燃料油和润滑油接触胶管、垫片、密封圈和燃料箱衬里等，在电连接器中主要用于制作密封垫和密封圈。

目前，使用较多的氟硅生胶国外主要由美国DowCorning和日本信越等公司生产，而国内主要由上海三爱富、河北硅谷、晨光化工和北京航材院等研制和生产。国内多家单位均生产氟硅橡胶混炼胶，但生胶大部分仍是进口。

氟硅橡胶的使用温度为-65～225 ℃，可以满足大部使用件要求。随着军用产品性能的提升和设备使用环境的苛刻，为提高使用的安全性，要求氟硅橡胶的耐温达到260 ℃。国内有科研院所在进行此方面的改进工作，但是目前还没有成熟货架产品可供选择。

3 结语

电连接器是构成完整的电子系统所必须的基础元件，为适应武器装备应用中的各种复杂严苛的工作环境条件，电连接器应满足各种不同性能要求。硅橡胶作为电连接器上的常用密封材料，在耐高温、耐油、导电、耐辐照和阻燃等性能方面，应具备良好的性能，以保障武器装备的可靠性。硅橡胶在特殊领域应用，促进硅橡胶的改性研究，也为硅橡胶在特定领域的发展提供了机遇。随着武器装备业和电子业的发展，电连接器的应用数量与日俱增，硅橡胶在电连接器行业的应用有着良好的前景。

[1] 王清正.有机硅材料及应用[J].合成橡胶工业，1994，20(6)：9-10.

[2] 张爱霞，周勤，陈莉.2006国内有机硅发展[J].有机硅材料，2007，21(3)：152-170.

[3] 谭必恩，潘慧铭，王卫星，等.加成型硅橡胶的研究进展[J]. 合成橡胶工业，1999，22(2)：70-73.

[4] 梁喆，赵源，彭小弟.陶瓷化耐火硅橡胶的应用进展[J].有机硅材料，2007，21(4)：234-235.

[5] 杨奋为.宇航电连接器材料选用和可靠性试验[J].质量与可靠性，2009(1)：37-40.

[6] 吴正平.浅谈宇航级电连接器的标准和要求[J].机电元件，1999，19(4)：51-55.

[7] 郭勇，杨立明.空间级有机硅橡胶[J].高分子学报，2000(2)：79-84.

[8] 谢隧志，刘登祥，周鸣峦.橡胶工业手册[M]. 北京：化学工业出版社，1989.

[9] 吴波,齐暑华,刘乃亮.导电硅橡胶研究概况[J].橡胶工业，2009(56)：443-446.

责任编辑郑练

OntheApplicationofSiliconeRubberintheElectricalConnector

HAN Jixian, YU Huimin

(Shenyang Xinghua Aero-electric Appliance Co., Ltd., Shenyang 110144, China)

Briefly discusses the properties and applications of silicone rubber from molecular structure perspective. According to the electric connector application environment, general property, high temperature resistance, fire resistance, low volatile, radiation resistance, conductivity and oil resistant perspective, the paper introduces all kinds of environment with the application in the electric connector, the characteristics of the silicone rubber and silicone rubber on the various characteristics. Finally it points out existing problems, and discusses the application prospect of all kinds of rubber in the electric connector.

silicone rubber, connector, application

TQ 336.8

：B

韩继先(1977-)，男，高级工程师，工程硕士，主要从事新材料应用等方面的研究。

2014-12-28