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內容導航：
1、材料的膨脹系數定義：熱膨脹系數 (CTE)
2、材料的膨脹系數定義，線性膨脹系數在注塑產品中的應用
1、材料的膨脹系數定義：熱膨脹系數 (CTE)
覆銅箔板 (CCL) 的熱膨脹系數是衡量基材耐熱性能的又一重要指標。 CCL 的 CTE 大小是樹脂、 增強材料與銅箔三種材料的 CTE綜合的表現結果。 三種主要組成材料中, 樹脂是對CCL的CTE 影響最重要的因素。
熱膨脹系數是指材料受熱后在單位溫度內尺寸變化的比率, 以每攝氏度變化百萬分之幾表示 (PPM),基材的CTE在X、 Y方向和Z方向不同。
一、Z方向熱膨脹系數。
由于熱膨脹系數與環境溫度條件有著 很大的關系, 在印制板的厚度方向的熱膨脹系數稱為 Z 方向熱膨脹系數, 在溫度達到基材的 Tg時,與在 Tg 以下表現出很大的差別。 因此, 一般將CCL的厚度方向 (Z方向) 在 Tg溫度點以下的熱膨脹系數, 簡稱為a1; 在 T點以上的熱膨脹系數, 簡稱為 a2。 在溫度提高的條件下, 由于樹脂形變受到的增強材料的制約很小,因此CCL的Z方向熱膨脹系數會表現出明顯的增加。 構成CCL的樹脂, 當它處于Tg溫度以上的高彈態下的熱膨脹系數 (a2), 是處于 Tg以下的熱膨脹系數 (a1) 的 3~4 倍。 Z 方向的CTE 較大, 受熱膨脹后由于樹脂的膨脹尺寸大于孔壁的銅層膨脹尺寸, 對孔壁銅層產生拉伸應力,會影響金屬化孔的質量。
二、X,Y方向熱膨脹系數
X, Y 方向熱膨脹系數是 CCL 水平方向的熱膨脹系數, 簡稱 CTE。 水平方向的熱膨脹系數大多表示的是在30~130C溫度范圍的值。FR-4型覆銅板在Tg以上溫度,它的X、Y方向由于樹脂被其中作為增強材料玻璃布的牽制, 在環境溫度提高, 樹脂產生形變時, 覆銅板的X、 Y方向熱膨脹系數表現得變化不太明顯。 X、 Y方向 CTE大小, 還有另外一種表示方式,即基板從50℃等速升到260℃條件時的X方向或Y方向的尺寸變化率。X Y方向的 CTE應與安裝的元器件基體的熱膨脹系數匹配， 能降低焊點受執應力的影響，不然將會在焊接或使用時，田于溫度變化引起焊點的應力變化和可靠性下降甚至失效。 在采用無鉛焊接技術或產品使用溫度較高或變化較大時,應選擇CTE較小或與所安裝器件基體的 CTE相匹配的基材。
三、溫度升高條件下Z方向 (板的厚度方向) 的總膨脹百分比.
IPC-4101B 標準中對與無鉛焊接相兼容的 FR-4 覆銅板規定了在升高溫度 50~260℃的條件下, Z方向的總膨脹尺寸百分比。IPC標準中所列的無鉛兼容性 FR-4型覆銅板, 基材牌號和樹脂的 Tg不同, 其總膨脹尺寸百分比有所不同, 如:FR-4/126 型 Tg為 170℃的 CTE 不大于3%,FR-4/99型T:為150℃的CTE不大于3.5%,FR-4/101型T為110℃的CTE不大于4%。
一般 FR-4 型 CCL 的 X、 Y方向 CTE 值為 13ppm~16xppm, 與銅箔的熱膨脹系數相近 (14xppm ~18ppm), Z 方向的熱膨脹系數, a 1為 50ppm~70ppm ,a2為 200ppm~300ppm, 遠大于銅的熱膨脹系數。 而低熱膨脹系數型CCL的熱膨脹系數的指標值沒有統一規定,一般CCL的水平方向 (X、Y方向)的CTE應在8ppm~12ppm.。X Y方向的CTE 更低的CCL產品可達到9ppm以下, 如果環氧-玻璃布基覆銅箔層壓板在樹脂組成中加入了有利于CTE 降低的無機填料, 可使產品的CTE 更低能達到9ppm以下。
2、材料的膨脹系數定義，線性膨脹系數在注塑產品中的應用
線膨脹系數也稱線脹系數。固體物質的溫度每改變1℃時，其長度的變化和它在O℃時長度之比，叫做“線膨脹系數”，單位為1/K。由于物質的不同，線膨脹系數亦不相同，其數值也與實際溫度和確定長度1時所選定的參考溫度有關，但由于固體的線膨脹系數變化不大，通?？梢院雎?，而將線膨脹系數變化當作與溫度無關的常數。對于塑料產品來說是指溫度升高1℃時，每1cm的塑料伸長的厘米數，若表示塑料在某一溫度區間的線脹特性時，就稱為平均線脹系數。塑料的線性膨脹系數一般是鋼材的10倍左右。常用塑料的線性膨脹系數見下表：
常見塑料的線性膨脹系數
韌性哥敲黑板：從上面可以看出，TPV的線脹系數達到22.3，那按照道理，比如擠出型材、板材、線纜方面，可能在夏天會出現翹曲、拱起來、褶皺。但實際使用情況并不如此，通常TPV擠出的板材、型材、線纜，在加工后都會收縮，一般的收縮數據約在3.5%~1.5%，和硬度有關，通常90A的，大約收縮2%，越軟收縮越大。尤其是經過加溫后，通常TPE-S/TPV都會收縮，而不是膨脹，這個可能與材料分子釋放應力，自由運動有關，也可能與少量軟化油揮發有關。
對于汽車裝在車身鈑金上的細長的塑料件來說這是一個不小的尺寸變化，如何保證其在高低溫環境下的裝配效果，結構和對線性膨脹系數的選擇就很關鍵了。下面是某車型下邊梁護板的圖片：
其總長為2073毫米，總寬為153毫米，所選材質為PP EPDM-T20,如果按冬天最低氣溫-20 ℃，夏天氣溫為30 ℃。該產品是7月份試制完成并轉產的，當時各方面的裝配間隙面差都很好，且與鈑金的貼合度很好。但是到了冬天則裝不上了，即使勉強能裝上，前后端也會出現裂紋。
夏天裝配效果
冬天問題照片1
冬天問題照片2
夏天轉產時氣溫大約30℃，根據裝配效果我們認為當時尺寸與理論設計尺寸一致，那么到了-20 ℃的冬天則尺寸變化=2073 ×8.682×10-5×50≈9（-20-23℃的線膨脹系數按與23-80℃相當來計算）。整體尺寸要縮短9毫米，該產品的定位點在中間位置，則前后各所短4.5毫米，，由于兩端已經與鈑金進行緊固連接，沒有變形量，所以在兩端與鈑金貼合不上且短也是必然的。對于這類產品一方面我們要選擇線性膨脹系數小的材料，這樣成本就會增高，重點還得放到結構的設計上，除定位點外，前后各固定點長度方向都要放開，兩端頭的固定點預留出適當的變形量，是我們后續產品設計需要考慮的。
本文參考文獻：曹渡主編《汽車內外飾設計與實戰》
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來源：網絡收集
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