CN109729672B

CN109729672B - 软体融合型外压力自适应装置

Info

Publication number: CN109729672B
Application number: CN201711024361.XA
Authority: CN
Inventors: 李铁风; 李国瑞; 单晔杰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN109729672A

Abstract

本发明公开一种软体融合型外压力自适应装置，由具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构、混合共聚粘流体薄层以及电路与元器件(包括芯片、电路板、LED、变压器、电阻元件、三极管、电容)组成。所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3‑5层，其弹性模量梯度为从内侧（靠近电路与元器件一侧）到外侧（靠近外界海水一侧）弹性模量以指数分布的方式逐渐增加。所述电路与元器件由混合共聚粘流体薄层裹覆，并封装于混合共聚弹性体多层结构内。本发明克服了现有海事装备、电机、深海电子器件等通常需要厚重的耐压壳内、灵活性差、经济成本高等不足，具有安全可靠、成本低廉、适应外压范围极广（0至2000个大气压）等优点，可满足深水至太空环境下的作业需求。

Description

软体融合型外压力自适应装置

技术领域

本发明涉及到一种软体融合型外压力自适应装置，属于电子器件领域。

背景技术

深海装备、电机、深海电子器件(芯片、电路板、LED、变压器、电阻元件、三极管、电容)等，通常需要在几百米乃至数千米的深海压力环境下工作，随着装备下潜深度的增加，电路与元器件组所受的压力也相应加大。传统的做法是将电子器件安装在厚重的耐压壳内，依靠增加箱体壳体厚度来抵抗外界水压。这种技术手段会大大增加电子器件的重量和经济成本，灵活性差、经济成本高。公开号为CN 206059557U的专利公开了一种由充满绝缘液体的柔性外壳封装技术。柔性外壳由刚性顶板与柔性外囊组成。采用充液可变形柔性外壳容器封装电子器件可以防止在100～11000米水深压力下造成的对内部装置的损坏。但是该技术未做到全软体，刚性顶板与柔性外囊的连接部位容易产生可靠性低下等问题。此外，尽管海洋最深处大约为11000米，但是在实际的深海作业中，电子器件很有可能与周围环境发生接触甚至碰撞与挤压，此时电子器件受到的压力将会高于该水深处的静水压力。因此，设计一种全软体的、能承受超过11000米水深压力的新型装置非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有海事装备、电机、深海电子器件(芯片、电路板、LED、变压器、电阻元件、三极管、电容)等，通常需要厚重的耐压壳内，灵活性差，经济成本高等不足，提供一种满足深潜装备需求的软体融合型外压力自适应装置。有别于已有的部分柔性外壳封装技术，该自适应装置利用分层封装技术形成具有弹性模量梯度的多层式全软体密封外壳，能承受相当于20000米水深的静水压力，并且和非全软体密封外壳相比具有更高的可靠性。

本发明提供的技术方案是：

一种软体融合型外压力自适应装置，其特征在于，由具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构、混合共聚粘流体薄层以及电路与元器件组成；所述弹性模量梯度是指所述混合共聚弹性体多层结构的弹性模量从内侧到外侧以函数式分布的方式逐渐增加，所述的内侧是指靠近电路与元器件一侧，所述的外侧是指远离电路与元器件一侧；所述电路与元器件由混合共聚粘流体薄层裹覆，并封装于具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构内；优选的，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3-5层。

进一步地，所述装置可承受200MPa(相当于20000米水深，接近地球上最深的海沟——马里亚纳海沟深度11000米的2倍)的静水压力。

进一步地，所述弹性模量的函数式分布方式满足公式：E(x)＝-AE₀ln[(h+x)/h]+E₀[(h-x)/h]ⁿ，其中，x为弹性体多层结构中任意一层中心点位置与最外层中心点位置的距离，E(x)为弹性体多层结构中任意一层的杨氏模量，E₀为弹性体多层结构的参考杨氏模量，A为对数项调整参数，其取值范围为大于或等于0的实数，h为弹性体多层结构的厚度，n为分布指数，其取值范围为所有实数。优选的，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3层。

进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构交联程度高，具有抗剪切能力，为可产生非线性变形的超弹性固体。

进一步地，所述混合共聚粘流体薄层交联程度低，具有流动性和粘性，抗剪切能力弱，其状态介于固体与液体之间。

进一步地，所述的装置可通过混合共聚弹性体多层结构与混合共聚粘流体薄层的逐级自适应变形将外界的拉压剪复杂载荷转化为施加在装置芯表面的均匀静水压力，并能有效防止在高外压环境下由于软体包覆结构与硬质电路或硬质元器件变形不同而引起的应力集中和界面脱离破裂。

进一步地，所述混合共聚粘流体薄层与混合共聚弹性体的质量比为1:4-1:12。

进一步地，所述混合共聚粘流体薄层以及混合共聚弹性体多层结构为硅橡胶与丙烯酸酯共聚而成的复合高分子材料，通过改变硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及固化剂的质量比来控制固化后材料的流动性和弹性模量。

进一步地，所述混合共聚粘流体薄层由质量比为100:100:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP(过氧化二异丙苯)固化剂固化而成。

进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构中最外侧的一层具有参考杨氏模量E₀，由质量比为10:10:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成。

进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3层，所述具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层式结构从内到外分别由质量比为4:4:1、7:7:1、10:10:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成。

进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构与混合共聚粘流体薄层组成的复合包覆结构为全软体密封结构。

进一步地，所述混合共聚粘流体薄层的厚度为2～3mm。

进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构的总厚度为20～30mm。

进一步地，所述电路与元器件包括但不限于芯片、电路板、LED、变压器、电阻元件、三极管、电容。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明的装置为全软体密封包覆结构，具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构和混合共聚粘流体薄层共同形成柔性包覆结构，使电池与外界隔离，避免了电路与元器件受海水腐蚀，避免了线路之间的短路，此外，全软体外壳可为电路与元器件在运输过程中提供缓冲减震的作用。

2.全软体密封包覆结构，在受到深海压力情况下，能产生自适应变形，避免使内部结构受到剪切载荷。进一步的，具有弹性模量梯度的分层式软体外壳，由外到内弹性模量呈函数形式降低，在受到外界复杂载荷后可通过逐级自适应变形将其转化为施加在电路与元器件表面的均匀静水压力，从而使该电路与元器件经过200MPa(相当于20000米水深)的压力测试后仍可进行正常工作。

3.混合共聚的包覆材料体系，可以方便调节机械性能和电性能，并且由于软体与硬体材料间有粘流层作用，可以有效防止在高外压环境下由于软、硬结构变形不同而引起的应力集中和界面脱离破裂，此外通过选取与内部电路与元器件等硬结构所用的材料成分相近的共聚单体，可以形成强界面，使包覆结构与内部硬结构牢固粘接。

4.易于变形，可满足复杂空间下的工作需求。

5.与传统硬质外壳相比，对生物更加友好。

6.结构简单，经济可靠，绿色环保，可大规模生产。

本发明能够在水下机器人、水下探测器、水下照明等领域有着广泛应用。

附图说明

图1是软体融合型外压力自适应装置示意图。

图中所示：1.具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构，2.混合共聚粘流体薄层，3.芯片，4.电路板，5.LED，6.变压器，7.电阻元件，8.三极管，9.电容，10.导线。

图2是软体融合型外压力自适应装置中的肖特基二极管在200MPa静水耐压试验前后的伏安曲线。

具体实施方式

如图1所示，软体融合型外压力自适应装置由具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1、混合共聚粘流体薄层2以及电路与元器件组成；所述弹性模量梯度是指所述混合共聚弹性体多层结构1的弹性模量从内侧到外侧以函数式分布的方式逐渐增加，所述的内侧是指靠近电路与元器件一侧，所述的外侧是指远离电路与元器件一侧；所述电路与元器件由混合共聚粘流体薄层2裹覆，并封装于具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1内。

所述电路与元器件，包括但不限于芯片3、电路板4、LED5、变压器6、电阻元件7、三极管8、电容9。

所述弹性模量的函数式分布方式满足公式：E(x)＝-AE₀ln[(h+x)/h]+E₀[(h-x)/h]ⁿ，其中，x为弹性体多层结构1中任意一层中心点位置与最外层中心点位置的距离，E(x)为弹性体多层结构1中任意一层的杨氏模量，E₀为弹性体多层结构1的参考杨氏模量，A为对数项调整参数，h为弹性体多层结构1的厚度，n为分布指数。在本实施方式中，A取为0，n取为1，h为30mm，E₀由弹性体多层结构1最外侧一层的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及固化剂的质量比决定。

所述混合共聚弹性体多层结构1交联程度高，具有抗剪切能力，为可产生非线性变形的超弹性固体。所述混合共聚粘流体薄层2交联程度低，具有流动性，抗剪切能力弱，其状态介于固态与液态之间。如此设置，具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1和混合共聚粘流体薄层2共同形成的柔性包覆结构能通过逐级自适应变形将外界的拉压剪复杂载荷转化为施加在电路与元器件表面的均匀静水压力，并能有效防止在高外压环境下由于软体包覆结构与硬质电路或硬质元器件变形不同而引起的应力集中和界面脱离破裂。

所述混合共聚弹性体多层结构1与混合共聚粘流体薄层2均为硅橡胶与丙烯酸酯共聚而成的复合高分子材料，如此设置，混合共聚弹性体多层结构1与混合共聚粘流体薄层2为同一种材料，相互可紧密粘接，而共聚单体硅橡胶与硅基材料的粘合性好，易于与电路与元器件形成强界面从而不易脱粘。此外，混合共聚的材料体系，可以方便调节机械性能，包括弹性模量、流动性、粘性，以及导电性能。

所述混合共聚粘流体薄层2的厚度为3mm。

所述混合共聚弹性体多层结构1的总厚度为30mm。

所述的具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1，其层数为3层，所述混合共聚粘流体薄层2由质量比为100:100:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成，所述具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1从内到外分别由质量比为4:4:1、7:7:1、10:10:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成。如此设置，可在满足性能要求的基础上降低工艺复杂程度。

所述混合共聚粘流体薄层2与混合共聚弹性体多层结构1的质量比为1:10，如此设置，电路与元器件的可靠性得到提高。

所述混合共聚弹性体多层结构1与混合共聚粘流体薄层2组成的复合包覆结构为全软体密封结构。

结合图1说明本发明的原理：混合共聚弹性体1受到深海压力载荷时，产生相应的逐级自适应变形，将外界的复杂载荷相对均匀地传递给电路与元器件表面的混合共聚粘流体薄层2；混合共聚粘流体薄层2由于自身的流动性，保证了内部电路与元器件仅受到均匀的静水压应力。电路与元器件受到静水压应力后的变形不足以破坏自身的材料与结构。此外，密封的混合共聚弹性体1隔绝了外界导电的海水，既避免了电路与元器件受海水腐蚀，也避免了电路与元器件线路之间的短路。

本发明经过200MPa(相当于20000米深水压力)的静水耐压试验。在此压力下，达到200Mpa时停止加压，并在此压力下保持2小时。试验结束后，经检查电路完好，工作性能未受损。如图2所示，为本发明中肖特基二极管在200MPa静水耐压试验前后的伏安曲线，从图中可以看到，该二极管在经过200MPa耐压试验后所受影响很小，说明本发明的装置具有很好的耐压效果。

Claims

1.一种软体融合型外压力自适应装置，其特征在于，所述的装置由具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构、混合共聚粘流体薄层以及电路与元器件组成；所述弹性模量梯度是指所述混合共聚弹性体多层结构的弹性模量从内侧到外侧以函数式分布的方式逐渐增加，所述的内侧是指靠近电路与元器件一侧，所述的外侧是指远离电路与元器件一侧；所述电路与元器件由混合共聚粘流体薄层裹覆，并封装于具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构内；所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3-5层；所述弹性模量的函数式分布方式满足公式：E(x)＝-AE0ln[(h+x)/h]+E0[(h-x)/h]n，其中，x为弹性体多层结构中任意一层中心点位置与最外层中心点位置的距离，E(x)为弹性体多层结构中任意一层的杨氏模量，E0为弹性体多层结构的参考杨氏模量，A为对数项调整参数，其取值范围为大于或等于0的实数，h为弹性体多层结构的厚度，n为分布指数，其取值范围为所有实数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置可承受200MPa的静水压力。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置可通过混合共聚弹性体多层结构与混合共聚粘流体薄层的逐级自适应变形将外界的拉压剪复杂载荷转化为施加在电路与元器件表面的均匀静水压力，并能有效防止在高外压环境下由于软、硬结构变形不同而引起的应力集中和界面脱离破裂。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合共聚弹性体多层结构交联程度高，具有抗剪切能力，为可产生非线性变形的超弹性固体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合共聚粘流体薄层交联程度低，具有流动性和粘性，抗剪切能力弱，其状态介于固体与液体之间。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合共聚粘流体薄层与混合共聚弹性体的质量比为1:4-1:12。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合共聚粘流体薄层由质量比为100:100:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3层，所述具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层式结构从内到外分别由质量比为4:4:1、7:7:1、10:10:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及固化剂固化而成。

9.根据权利要求1-8任一项所述的装置，其特征在于，所述电路与元器件选自芯片、电路板、LED、变压器、电阻元件、三极管、电容。