低温环境下的可靠性挑战与峻茂耐低温环氧树脂胶解决方案

关键词：#耐低温胶水 #液氮级环氧树脂粘接 #液氦粘接 #低温传感器封装 #耐低温灌封胶 #低温密封#低温高强度粘接#耐低温老化#低温胶开裂#低温下脱胶#-200度低温粘接

摘要 (Abstract)

在航空航天传感器、超导磁体、液化天然气 (LNG) 储运及科研实验中，结构组件往往面临 -55°C 至 -269°C 的极端低温考验。常规环氧树脂在低温下会发生玻璃态硬化，储能模量 (Storage Modulus) 急剧上升，导致内应力无法释放，最终引发界面脱粘或基材脆性断裂。本文将基于峻茂耐低温系列产品，深入剖析峻茂（SCITEO/SCIKOU）通过应力松弛机制与分子链结构设计，解决 CTE 失配引发的脆性断裂难题，实现结构组件在低温环境下的可靠互连。本文所描述的的低温是指-55℃及更低。

一、 极低温失效的物理本质：为何常规胶粘剂在低温环境“脆裂”？

工程技术人员在设计低温封装时，面临的最大挑战是材料热物理性能的非线性突变。当温度跨越室温（25°C）下探至深冷区（<-150°C）时，失效模式主要集中在两点。

1.1 无法消除的 CTE 差异Δα

物理定律决定了有机高分子（Polymer）的热膨胀系数（CTE）远高于金属或陶瓷。

• 铝/不锈钢： CTE ≈13~17 ppm/°C
• 常规环氧树脂： CTE≈60~100 ppm/°C

在从 25°C 冷却至 -255°C 的过程中，胶层的体积收缩量是基材的 5-10 倍。这种巨大的收缩差（Differential Contraction）会在粘接界面产生极高的剪切应力（Shear Stress）。

1.2 模量冻结与断裂韧性KIC骤降

普通环氧树脂在低温下会进入“深度玻璃态”，高分子链段被完全冻结，储能模量（Storage Modulus）激增至 5-8 GPa。此时材料变得极硬且脆，丧失了通过形变来释放应力的能力。一旦累积的内应力超过材料的断裂韧性（Fracture Toughness, KIC），胶体本体即发生瞬间脆性开裂（Cracking），或从基材表面剥离（Delamination）。

二、 峻茂技术路径：构建耐深冷冲击的分子骨架

常规聚氨酯韧性和粘接强度优异，但是其耐低温上限也就-50℃，而硅胶弹性更优粘接强度一般，其低温超过-55度就比较困难了，故此我们把-55度及以下就可以称为耐低温，峻茂基于环氧树脂 (Epoxy) 优异的粘接力，从“应力管理”的配方逻辑进行了深度改性。

2.1 分子链动力学设计：低温下的“微观自由度”

对于极限耐温 -255°C 的 SC-273 产品，我们摒弃了高交联密度的刚性苯环结构，引入了特殊的长链脂肪族骨架与柔性醚键。

• 机理： 这种分子结构设计保留了低温下的“微观自由度”。即便在液氮温度下，高分子链段仍保留一定的旋转和蠕变能力（Creep Capability）。

• 效果： 当 CTE 失配产生收缩拉力时，胶层能通过微观层面的分子链滑移，将集中应力耗散掉（Stress Dissipation），从而避免应力尖峰导致的开裂。

2.2 CSR粒子增韧技术

为了提高断裂韧性，我们在配方中均匀分散了CSR (Core-Shell Rubber)粒子。

• 空穴化效应 (Cavitation)： 当胶层受到低温收缩拉力时，CSR粒子内部发生空穴化，释放由于体积收缩产生的静水压力。

• 剪切屈服 (Shear Yielding)： CSR粒子诱导周围的环氧基体产生塑性剪切带，阻碍微裂纹的进一步扩展。

2.3 高剥离强度（Peel Strength）的构建

峻茂耐低温-255度胶的剥离强度高达 26 Piw (Pounds per inch width)。这是一个在结构硬胶中较高的数值。 这意味着胶体与基材之间建立了极强的极性锚定。在深冷收缩时，强大的界面结合力（Adhesion Force）能够“拉住”收缩的胶体，强迫胶体发生弹性形变而不是从界面脱落。同时常温下的剪切强度可高达32Mpa以上。

2.4 功能性填料体系的差异化策略

• 针对 -55度、-60度、-70°C 工况，我们在配方中填充了导热介质，实现了 1.5 W/m·K 的导热系数和 93 Shore D+ 的高硬度，重点在于保护传感器免受震动损伤，利用高模量固定元器件。同时低温下导热功能能更好的保护元器件环境损伤。

• 针对 -200、-255°C 工况，我们降低了填料比例，保持中等硬度 (60 Shore D)，以最大化基体树脂的韧性和延伸率。

三、峻茂耐低温产品选型指南

针对不同客户的耐温等级（从军标级到液氮级），峻茂提供梯度的解决方案。

四、 典型工程应用案例解析

4.1 案例一：LNG 储运系统的极低温压力传感器

• 工况要求：传感器探头需长期浸没在 -162°C 的液化天然气中，这就需要耐化学侵蚀性能，且需承受储罐充放液时的温度循环冲击，承受管道加压时的震动。
• 难度： 原使用的常规密封胶在低温高压下出现微裂纹，导致 LNG 渗入传感器内部，造成电路短路。
• 峻茂解决方案：选用峻茂耐极低温环氧树脂胶。
• 选型依据：该产品的 60D 硬度 提供了类似工程塑料的韧性，配合 26 Piw 的剥离强度，有效吸收了不锈钢外壳收缩产生的剪切力。
• 验证： 经过 -196°C 液氮浸泡 500 小时 后，无界面分离。

4.2 案例二：航空级电连接器 (-55°C) 灌封

• 工况要求：满足 GJB 150.5A 温度冲击试验，要求在 -55°C 驻留72小时后，绝缘电阻不下降，胶体不开裂。
• 难度：连接器金属外壳与导线绝缘皮的收缩率差异大，低温下容易在界面处产生脱粘缝隙。
• 峻茂方案：选用峻茂-55度耐高低温胶和-70度耐低温导热胶。二者都是低粘度利用其优异的润湿性（Wetting）和低温下的应力松弛能力，确保了异种材料界面的紧密结合。高硬度为连接器针脚提供了极佳的机械支撑，防止震动断路。

五、 可靠性数据支撑 (Reliability Data)

对于工程采购与技术人员的担忧，峻茂在知名高校的科研实验中、在中电科、迈瑞等军民研领域表现了极端环境下的稳定性。

5.1 极低温下的强度保持率 (Retention at Cryogenic Temp)

在北航的镍组件粘接测试下的低温性能：

• @ -80°C： 剪切强度 23 MPa
• @ -200°C (液氮区)： 剪切强度 19 MPa
• @ -255°C (接近液氦)： 剪切强度 17 MPa工程解读： 即使在 -255°C，材料并未发生严重的脆性衰减，17 MPa 的强度足以满足绝大多数结构粘接需求。

5.2 介质耐受性 (Chemical Resistance)

在固化后，峻茂耐低温胶对多种化学介质表现出优异的惰性 ：

• 模拟燃油： 浸泡200小时，强度保持 23 MPa。
• 纯水浸泡： 400小时后强度 22 MPa。

这证明了材料交联网络的致密性，液体无法渗透进入胶层破坏界面。

5.3 优秀的电绝缘性

该系列的绝缘电阻率都达到了15次方Ω·cm。即便在低温凝露或潮湿环境下，仍能保障传感器电路的绝缘安全。

六、 结语

从 -55°C 的平流层飞行器到 -255°C 的量子计算低温恒温器，温度的每一次下探都是对材料微观结构的极限挑战。峻茂为传感器与精密电子行业提供了高可靠的低温互连解决方案。我们不只是提供胶水，更是为您提供在绝对零度边缘保持连接可靠性的信心。

附录：常见问题工程索引 (FAQ)

Q1: 低温胶能否直接接触液氮？会有什么风险？

峻茂回答: 可以。固化后的环氧树脂网络具有优异的耐化学介质性，在液氮 (-196°C)介质中呈化学惰性，不会发生溶解或溶胀，且不会污染低温介质。

Q2: 既然要求耐低温，为什么固化还需要加热？

峻茂回答: 这是一个常见的误区。耐低温性能取决于固化后的分子结构，而加热固化是为了让树脂的交联反应更完全，从而更致密的网络结构。对于高要求应用，我们通常建议60-120℃热固化且分阶固化工艺，以消除固化过程中的内应力。

Q3: 如何解决大体积灌封在低温下的开裂问题？

峻茂回答: 大体积灌封由于固化放热和体积收缩，应力更容易集中。峻茂耐低温胶固化剂占比很低，混合放热非常低，低温环氧灌封胶收缩率都在0.2%内属于非常低水平，如果追求严格的收缩率，我们有收缩率在0.05%的耐低温环氧树脂灌封胶。

峻茂耐低温胶产品链接