电子产品结构材料塑料特性和选择方法 塑料 3塑料3 1塑料的基本成分 添加剂和填料3 2常用塑料的主要参数3 3各种电子产品中塑料的选择3 4几种塑料的知名生产厂商3 5案例 产品故障现象 原因和解决方法 塑料 引言 为什么需要塑料 塑料与其它材料相比有什么优点 以今天的眼光看 塑料有什么缺点 塑料 3 1塑料的基本成分 添加剂和填料1 基本成分 塑料 Plastic 包括天然塑料和合成塑料两大类 天然塑料是指植物树脂如虫胶 松香等组成的材料 由于天然塑料的产量和性能远不能满足生产的需要 因此发展了合成塑料 现在广泛应用的塑料均是指合成塑料 它是一种能流动 成型及固化的人造材料 是从石油 煤 空气 水和农副产品等物质中提炼出的化合物 塑料的基本成分是人工合成的高分子有机化合物 也称为树脂 塑料 2 添加剂为了改变和提高塑料在机械性能 电气性能 耐气候性 环保性能 阻燃性能和工艺成形等方面的特性 在树脂中加入一些添加剂 制成实用的塑料 常用的添加剂如表3 1所示 塑料 表3 1塑料常用的添加剂 塑料 续表3 1 塑料 3 填料 塑料的填料与添加剂不同 添加剂是为了改善塑料某些方面的特性 是提高塑料某些方面的性能 而填料主要是为了降低成本 增加体积和重量 填料的加入不可避免地会降低塑料的性能 主要的填料有 木粉 石粉 陶土等 填料也有改善某些塑料物理性能的作用 适当的填料是容许的 填料过多会严重影响塑料的性能 市场上以次充好的塑料产品主要有两种 一种是加过多的填料 一种是用回收料 这两个因素都是要充分注意的 塑料 3 2常用塑料的主要参数更多的参数见参考书表3 3 下面是部分参数 1比重塑料的比重一般在0 9 1 5之间 特别的比重达到2 0 它大约是铝材比重的1 2 钢材比重的1 5 不同的塑料原料品种 有不同的比重 除了影响机械等性能 还有是实际材料成本不同 例如ABS的比重1 04 聚丙烯的密度是0 9 仅比重就差14 做同样的体积零件 聚丙烯材料用量就省14 所以选择塑料要在保证功能 性能的基础上选择比重轻的品种 塑料 2弯曲模量弯曲模量是指材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力 单位为N m2或Pa 由于塑料在机械性能上与金属最大的区别是弯曲模量相差大 易变形 所以结构件的设计要特别关注这个参数 在塑料零件常用的卡扣连接中 弯曲模量也是重要的设计依据 材料的弯曲模量越大 表示材料越不易变形 做出的零件刚度就越好 3热变形温度塑料的热变形温度 Heatdeflectiontemperature HDT 是指对塑料试样施加一定的负荷 以一定的速度升温 当达到规定形变时所对应的温度 是塑料的短期耐热性指标 塑料的热变形温度测试有专门的标准 如国家标准GB T1633一2000 热塑性塑料软化温度 VST 的测定 塑料的热变形温度对于在高温下工作的产品显得特别重要 同时电子产品的高温 高湿试验也是对塑料零件的考验 塑料的热变形会导致零件位移产品功能的实效 如微动开关 按键的实效 壳体的缝隙 传动的不灵活等故障 所以选择塑料要使塑料的热变形温度高于工作和试验温度10 以上 常用塑料的热变形温度如表3 2所示 塑料 塑料 表3 2塑料的热变形温度 塑料 4玻璃化转变温度玻璃化转变温度 Glasstransitiontemperature 特指无定型塑料 也包括结晶型塑料中的非结晶部分 由高弹性态转变为玻璃态的温度 通常用Tg表示 是塑料的一种重要的工艺指标 当塑料到达玻璃化转变温度时 其弹性模量 比重 比热 硬度 介电常数和介电损耗等均发生突变 做出这些物理量随温度变化的曲线 其突变处的温度就是玻璃化转变温度Tg 结晶型塑料则没有玻璃化转变温度 它到达一定高温即融化 提示 HDT是给结构设计用的 Tg主要是给注塑工艺用的 塑料 5介电常数介电常数 Dielectricconstant 是以某塑料为介质时的电容与以真空为介质的电容之比 又称电容率或相对电容率 是表征介质储电能力大小的一个物理量 常用 表示 介电常数愈小绝缘性愈好 空气的介电常数为1 0006而水的介电常数特别大 10 时的水介电常数为83 83 在印制板的基材和高速电路接插件壳体中介电常数是重要的参数 塑料 ttu 6混合特性有些塑料可以混合使用 比如ABS和PC 有些塑料不可以混用如ABS和PS 两种塑料能否混合使用 取决于塑料的溶解度 结晶 极化和氢链等 即使是可以混合使用的塑料 其比例组成也是有限定的 超过一定比例 反而相容性不好 在近百种塑料中能混合使用的塑料也就十几种 提示 将不能混合的塑料混合使用会导致零件的表面粗糙 脱皮和分层现象 塑料 3 3各种电子产品中塑料的选择 图3 1塑料的性能等级 1 结构件最常用的ABS塑料 家电内外部结构件 零件形状复杂 没有特殊的受力要求和环境要求时首选ABS塑料 比如LCD电视 台式电脑面板 摄像头壳体等 特别注意ABS有几十种要仔细选择 图3 2ABS塑料家用摄像头 塑料 塑料 2 PS HIPS塑料 一般的电子产品内部结构件 并且形状简单 可以用PS HIPS 这两种材料的脆性比ABS大 注塑时外表面容易有溶接痕 不适合做外观件 并且受力容易开裂 其价格低于ABS约20 比重也比ABS10 也能节省材料成本 所以采用高抗冲聚苯乙烯材料与ABS塑料相比 零件价格约可降30 塑料 3 薄壁零件的塑料PBT PET 薄壁零件的外观塑料件可选聚对苯二甲酸丁二醇酯 PBT 和聚对苯二甲酸乙二酯 PET 这些塑料的壁厚 采用注塑工艺都可以做成壁薄至1 0 5mm的零件 PBT耐高温工作环境 比较硬 PET不耐高温 零件可以做的更薄一些 主要用于制作手机中薄膜按键 电子琴键及电脑键盘按键等薄壁零件 也是饮料瓶壳体材料 PBT是纯净水桶的用料 第三讲塑料 图3 3PBT做的RJ45插座 塑料 4 透明零件的塑料 很多塑料都可以做成透明的 这些材料主要是折光率 硬度 脆性有很大差异 由此价格也差异几倍 聚苯乙烯 PS 是最便宜的透明塑料 但也最脆 易开裂 注射容易有 水痕 用于不受力的零件 AS和ABS塑料是稍好的材料 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 是机械性能比较好的材料 俗称有机玻璃 基材MMA俗称压克力 零件可以受一定的力 PC是透明材料中机械性能很好的材料 用于中等受力的场合 其中折光率好的牌号的PC塑料还能用来做数码相机的镜头和眼镜的镜片 塑料 图3 4透明塑料ABS PMMA PC零件 塑料 5 高刚度和强度零件用的塑料 工程塑料 有些结构件需要承受高载荷 但不能变形 比如塑料齿轮 轴类零件和支撑架等 可以用聚碳酸脂 PC 聚酰胺PA 聚甲醛 POM 聚苯醚 PPO 聚对苯二甲酰对苯二胺 PPA 和它们加了玻纤的增强料 图3 5工程塑料做的齿轮 塑料 6 弹性零件的塑料弹性零件如扎线扣和柔软的垫片 可采用聚丙烯 PP 和聚乙烯 PE 塑料 图3 6塑料线扣 塑料 7 接插件用的塑料 DIP焊接和压接的接插件可以采用增强聚碳酸酯 PC 聚酰胺 PA 聚对苯二甲酸丁二醇酯 PBT 需要过SMT的接插件可以用增强PCT 聚对苯二甲酸环己基乙二酯 聚砜 PSU 聚对苯二酰对苯二胺 PPA 和聚酰亚胺 PI 等塑料 除了机械性能 接插件塑料选择的重要参数是介电常数和耐温性能 塑料 压接接插件焊接接插件图3 7塑料接插件 塑料 3 4几种塑料的知名生产厂商塑料品种有很多都是美国杜邦 DuPont 公司和德国拜尔 Bayer 公司发明的 今天在塑料材料技术上美国和德国仍然是领先者 而日本则紧随其后 国内塑料大公司基本是这些公司产品的制造生产基地 有些中小公司是改性塑料的制造商 1 ABS塑料著名制造商德国拜尔 Bayer 美国通用电气 GE 公司 德国巴斯夫 BASF 公司 台湾奇美公司和韩国LG化学公司 其中拜尔和通用电气的ABS产品种类覆盖面广 其产品性能稳定 而台湾奇美的ABS塑料产品产量全球最大 产品性能满足一般需求 价格也有相对优势 塑料 2 聚碳酸酯塑料著名制造商全球最大的聚碳酸酯生产商是美国通用电气公司 全球第二大聚碳酸酯生产商是德国拜尔公司 美国陶氏 DOW 化学公司位居第三 ABS PC混合料这三大公司也均有生产 台湾奇美和日本三菱工程公司也大量生产聚碳酸酯 3 聚酰胺塑料 尼龙 著名制造商美国杜邦 德国巴斯夫 美国通用电气 法国罗地亚 Rhodia 和日本东丽公司 以尼龙的发明者杜邦公司的产品性能为最好 塑料 3 5案例 产品故障现象 原因和解决方法 产品描述 ABS塑料面板360mm高 下面是两个刚性卡勾 上面是两个弹性卡扣 故障现象 按有效公式计算 卡扣处过盈双边取1 5mm 实际产品过盈从1 5 0 5mm变化 故使用时面板会被碰掉 来回改过几次 卡扣不是紧就是松问题不能根治 图3 8ABS面板卡扣装配 塑料 小结 塑料的以次充好是常见的现象 了解填料可以增加辨别力 塑料的牌号细分也是重要的 这与价格和性能相关 透明材料和染料色母的应用可以得到高质量的塑料外观件 通过了解知名厂商的材料规格书可以比较国内厂商的差距 塑料的拉伸强度 热变形温度是重要的机械参数