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          電子線材絕緣層熱老化特性的快測控制

          作者:莫劍鋒1,眭 敏1,2,王雪君1 (1.珠海格力電器股份有限公司,珠海519070;2.華南師范大學(xué)信息光電子學(xué)院,廣州510631) 時間:2021-07-16 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:電子線材熱老化特性是整機安全與可靠運轉(zhuǎn)的根本。結(jié)合空調(diào)電子線材絕緣層熱老化試驗,分析不同組分配比(硬化劑、填充物及助劑)與處理工藝對線材密度、抗拉強度與伸長率,及對最終熱老化性能的相關(guān)性影響。結(jié)合分析,得到電子線材熱老化性能的快測控制方案,并驗證其有效性


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202107/426947.htm

          0   引言

          目前,家用電器所采用的大多為交聯(lián)硅橡膠、耐熱聚乙烯、丙烯橡膠、氯丁橡膠、PE 等組成的熱塑性體系[1]。由于長時間負荷運行的電流熱效應(yīng),電荷集膚效應(yīng)的渦流損耗、絕緣介質(zhì)損耗也會生成附加熱量,加速的老化、擊穿[2-6],造成漏電、起火燒機,甚至爆炸等惡劣危害,這就產(chǎn)生了對可靠性評估的需求[7]。

          本文研究對象是絕緣層失效。要求各供應(yīng)商使用不同硬化劑、填充物及助劑,組分配比與處理工藝,試生產(chǎn)不同密度、抗拉強度與伸長率的電子線材,并進行試驗。結(jié)合相關(guān)性分析,得到電子線材性能的方案,并驗證其有效性,對電子線材可靠性快速評估具有工程借鑒價值。

          image.png

          1   熱空氣老化失效

          要求HONGD、LEIX、JINYD、XINY、HUAL 多家企業(yè)生產(chǎn)、送樣不同調(diào)試工藝的電子線材(非量產(chǎn))。試驗標準與方法:RV-90線:135 ± 2 °C/240 h;UL1015線: 136 ± 2 °C/168 h;UL1007 線: 113 ± 2 °C/168 h)進行熱空氣老化試驗。

          試驗結(jié)果:聚氯乙烯樣品的UL1015(22AWG、18AWG)、RV-90( 1.5 mm2 、0.75 mm2 )、UL1007(22AWG)嚴重不合格,出現(xiàn)開裂、脆斷。而對比放入試驗箱的量產(chǎn)樣品僅出現(xiàn)顏色變棕、有折痕情況。

          注:為比較試驗結(jié)果,有意放入正常量產(chǎn)工藝線,以排除試驗波動差異。

          2   線材密度、老化特性測定與回歸分析

          電子線材絕緣層的配方和制程會直接影響其硬度、抗拉強度、延伸率和彈性等,間接影響高溫老化性能。傳統(tǒng)測試老化性能的方法[8] 使用熱空氣長期高溫老化,并測試抗拉強度、斷裂伸長率變化來進行評價。其中,老化試驗周期:UL 聚氯乙烯線材需要7 ~ 10 d,硅橡膠高溫線需要60 d。受周期和試驗資源限制,只能實現(xiàn)少之又少的型式試驗監(jiān)控,存在極大的質(zhì)量管控風險。

          故試圖精煉電子線材相關(guān)可快速檢測的特性參數(shù),如密度、抗拉強度、延伸率等,并采用相關(guān)性分析方法計算其與熱空氣老化試驗結(jié)果的相關(guān)性,試圖通過快測某項特性參數(shù),來快速控制電子線材絕緣層熱老化特性。從熱空氣老化試驗結(jié)果看,硅橡膠絕緣層配方與工藝穩(wěn)定性較好,未出現(xiàn)試驗異常。而聚氯乙烯線材存在配方或工藝窗口不當導(dǎo)致的老化性能差異,故以之為研究對象。

          2.1 測定儀器和方法

          密度:采用密度天平EK-300iD;抗拉強度、延伸率:采用室溫拉伸試驗機;樣品分離出絕緣層后直接測定。熱空氣老化試驗:電熱鼓風干燥箱。樣品分別取樣、編號,進行密度、熱空氣老化試驗前、后進行機械性能測試,并計算伸長率保留率、抗拉強度保留率。

          其中,伸長率保留率ηε 、抗拉強度保留率ησ 。采用如下公式計算:

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          式中,image.png為老化前伸長率測試中位數(shù);image.png為老化后伸長率測試中位數(shù);i 為1,2,3……最大取值為樣本序數(shù)。

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          式中,image.png為老化前伸長率測試中位數(shù);image.png為老化后伸長率測試中位數(shù)。

          2.2 相關(guān)性分析

          為建立1 個線材可快測參數(shù)對老化特性的關(guān)系模型、標準。需要確定各參數(shù)對線材老化特性相關(guān)性,其強弱可以根據(jù)統(tǒng)計理論,采用相關(guān)性系數(shù)rx,y表示:

          1626418985757108.png

          式中, rx, y為隨機參數(shù) x,y 的相關(guān)系數(shù),-;Dx為隨機參數(shù)x 的方差,-; Dy 為隨機參數(shù)y 的方差,-。由計算式可知,相關(guān)性系數(shù)可描述電子線材快測特性參數(shù)與熱老化特性相關(guān)程度,其越大,相關(guān)程度也就越高。

          2.3 試驗結(jié)果

          記錄每組樣品的老化前密度D、最小斷裂伸長率、最小抗拉強度和老化后最小伸長率保留率、最小抗拉強度保留率,得到結(jié)果數(shù)據(jù)[8](表2、表3)。

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          注:加粗字體為老化不合格數(shù)據(jù)。

          2.4 相關(guān)性分析

          為確定密度值與線材老化參數(shù)(老化前抗拉強度、斷裂伸長率及兩者老化后的保留率)的關(guān)系,計算相關(guān)系數(shù)(表 4),全部樣品密度1.40 g/cm3及以上。利用Minitab 分別繪制密度值與機械性能、熱老化試驗保留率結(jié)果的散點圖(圖1 密度1.40 及以上的數(shù)據(jù))。

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          (a)密度與斷裂伸長率

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          (b)密度與抗拉強度

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          (c)密度與抗拉強度保留率

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          (d)密度與斷裂伸長保留率

          圖1 電子線材熱密度與老化特性參數(shù)散點圖

          采用式(2)計算相關(guān)系數(shù)(表4)??紤]全部樣品可見,密度與斷裂伸長率保留率、抗拉強度存在中間程度或弱的負相關(guān)。而只考慮密度1.40 g/cm3及以上樣品試驗結(jié)果數(shù)據(jù),可見密度與斷裂伸長率保留率存在強的負相關(guān),相關(guān)系數(shù)r = ?0.819 、p 值= 0.000 。

          采用 Minitab 軟件對密度1.40 g/cm3及以上樣品試驗結(jié)果繪制密度值與機械性能、熱老化試驗結(jié)果散點圖(圖1)??梢娒芏扰c斷裂伸長率保留率存在強的負相關(guān),其他子圖相關(guān)程度一般或較弱。

          2.5 回歸分析

          運用Minitab 對密度與老化后斷裂伸長率保留率進行回歸分析、方差分析(表5)、殘差檢驗(圖2),結(jié)果如下:

          回歸分析: 密度與斷裂伸長率保留率ηε /%回歸方程為:ηε = 4.208 ? 2.324× D

          S(殘差誤差) = 0.056 559 5,R ? S = q (相關(guān)系數(shù)) 69.6%R ? S = q (調(diào)整) 68.1%

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          從分析結(jié)果可見:P 值遠小于0.05,且R2 數(shù)值為69.6%,證明線性模型能較好擬合。

          回歸殘差分析圖(圖2)顯示密度對抗拉強度保留率的正態(tài)概率圖沒有明顯的“ S 狀”彎曲趨勢,說明回歸模型殘差圖正常、回歸模型合理,可以很好“模擬”趨勢。

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          a)正態(tài)概率圖    &   b)與擬合值殘差分布圖

          image.png

          c)直方分布圖   &   d)與順序分布圖

          圖2 回歸方程擬合殘差分析圖

          2.6 快測標準

          試驗數(shù)據(jù)及分析表明,密度值在1.522、1.516、1.454 g/cm3 等老化后斷裂伸長率不合格,導(dǎo)致出現(xiàn)開裂、脆斷情況,且密度對抗拉強度保留率存在顯著線性回歸關(guān)系。

          建立依據(jù)線材密度快速評價老化性能的標準。修改公司企業(yè)標準QJ/GD 41.09.001《內(nèi)部布線檢驗規(guī)范》第一部分機內(nèi)配線。5.2.15 密度測試項目:對于聚氯乙烯線材,用密度天平對線材進行密度測試,測試線材絕緣皮的密度應(yīng)小于1.4 g/cm3 。

          該方法簡單、快速,與熱空氣老化型式試驗互補,可廣泛應(yīng)用于線材行業(yè)。

          3   結(jié)束語

          本文對空調(diào)電子線材熱絕緣層可靠性工藝窗口進行試驗、驗證,測試了不同組分配方與硫化工藝下得到的樣品對老化特性參數(shù)的影響,并結(jié)合相關(guān)性分析、回歸分析方法,確定了線材老化特性的快測項目與標準。

          1)空調(diào)高溫線材絕緣層熱老化,UL 聚氯乙烯線材需要7 ~ 10 d,硅橡膠高溫線需要60 d,試驗周期與資源需求量極大。

          2)組分配方與硫化工藝差異條件下得到的分組樣件。入廠快測密度與熱老化相關(guān)試驗結(jié)果(抗拉強度及其老化后保留率、斷裂伸長率及其老化后保留率)的相關(guān)系數(shù)分別為?0.006 、?0.143 、0.457、?0.819 ??梢?,密度與斷裂伸長率保留率存在強的負相關(guān)。

          3)建立線材入廠快測項目密度(D)與斷裂伸長保留率( ηε )的線性回歸方程: ηε = 4.208 ? 2.324× D。P 值遠小于0.05,且R2 數(shù)值為69.6%,證明線性模型能較好擬合?;貧w殘差圖正常、回歸模型合理,可以很好“模擬”趨勢。

          4)結(jié)合相關(guān)分析,確定空調(diào)UL 聚氯乙烯線材的老化特性快測標準:用密度天平對線材絕緣皮進行密度測試,結(jié)果應(yīng)小于1.4 g/cm3 。方法簡單、快速,與熱空氣老化型式試驗互補,可廣泛應(yīng)用于家電等行業(yè)。

          參考文獻:

          [1] HUANG X,NAKAMURA Y.A review of fundamental combustion phenomena in wire fires[J].Fire Technol.2020,

          56:315–360.

          [2] 李雯雯,高陽,孫英華,等.老化評估模型對電纜絕緣性能老化問題的研究[J].電器與能效管理技術(shù),2018(13):26-29.

          [3] 王文拓.電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及注意事項[J].河南建材,2016(4):194-195.

          [4] 郭萍.電纜火災(zāi)的原因,特點及建議[J].上海消防,2000(6):41-42.

          [5] 徐鴻.從零部件技術(shù)看家電質(zhì)量發(fā)展[J].家電科技,2019(3):2.

          [6] 呂事桂,楊立,范春利,等.電纜高分子絕緣層整體熱老化下紅外測溫熱物性的定量評估[J].高分子材料科學(xué)與工程,2013,29(2):187-190.

          [7] GB/T 2951.1-1997.電纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第1部分:通用試驗要求 第2節(jié):熱老化試驗[S].北京:中國標準出版社,1997.

          (本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期)



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