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塑料擊穿 | 解析高分子材料的典型失效機制

2024-11-29  瀏覽量:349

 

塑料擊穿 | 解析高分子材料的典型失效機制

 

在高分子材料的失效分析中,塑料擊穿是一個常見的失效模式,當塑料絕緣材料件在電場作用下無法承受過高的電壓,或者內部存在缺陷和雜質時,就可能發生擊穿現象,導致設備故障甚至安全事故。因此,深入分析塑料擊穿的失效機制,對于提升設備質量、預防潛在風險具有重要意義。

 

 

本案例是關于某動車用插座材質為PC500R,插孔的材質是銅鍍銀件?,F發現插座中1#孔與2#孔之間被擊穿,厚度為1mm,孔位存在串電現象,導致信號系統檢測到兩種執行模式,造成使用異常?,F對NG1和NG2插座進行失效分析,查出其失效原因。

 

測試分析

 

1 CT觀察

 

發現NG1擊穿位置內部除了有黑色的孔洞之外,還有零星白色顆粒,疑似有相對密度比較大的物質;NG2擊穿位置有白色發亮物質貫穿整個孔洞。

 

 

2 光學顯微觀察

 

對NG1擊穿位置進行觀察,擊穿位置的1#面和2#面顏色均發黑,擊穿程度較大,中間區域形成較大的孔洞;1#面擊穿孔洞邊緣發現疑似線團的異物。

 

 

對NG2擊穿位置進行觀察,首先觀察1#面,擊穿部位顏色發黑,擊穿程度比NG1較小,形成孔洞較小,孔洞里面有透明的玻纖;觀察2#面,未見明顯擊穿孔洞,有一條明顯的開裂裂紋;透明玻纖鑲嵌在樹脂表面;擊穿方向從1#孔擊穿到2#孔。

 

 

3 形貌觀察

 

對NG2進行形貌進行觀察,首先觀察1#面,表面非常平整,疑似人為被削平;擊穿位置內部和未擊穿位置均有玻纖分布;擊穿位置有呈流線型分布的發亮顆粒,玻纖表面同樣有發亮顆粒,大部分玻纖表面相對比較光滑,玻纖與樹脂的結合強度相對比較差。

 

 

對NG2 2#面進行觀察,宏觀觀察,有較多的玻纖分布在樹脂表面,擊穿位置無明顯孔洞;局部放大,有明顯的開裂裂紋;玻纖鑲嵌在樹脂表面,玻纖表面相對比較光滑,玻纖表面無明顯殘留的樹脂;局部樹脂表面有輕微損傷;切換背散射模式觀察,擊穿位置表面有較多零星分布的發亮顆粒;損傷樹脂內部同樣有較多顆粒,有點顏色較亮,有點顏色較暗,為兩種為不同性質的顆粒。

 

 

對NG1擊穿位置的形貌進行觀察,首先觀察1#面,擊穿位置有較深的孔洞;擊穿邊緣有線條異物存在;切換背散射模式觀察,同樣發現擊穿位置周圍有較多零星發亮顆粒;2#面擊穿位置同樣有較深的孔洞,無明顯異物存在,有零星的發亮顆粒。

 

 

4 EDS分析

 

得知NG1發亮顆粒的主要元素為銀、氯,NG2 1#面發亮顆粒主要為銀元素,還有氯和溴,2#面發亮顆粒大多為銀、氯、溴元素,個別顆粒為含有Fe、Cr、V金屬顆粒。

對樣NG1插孔的元素進行分析,得知插孔的主要元素是銀,還有少量的銅,表明插孔是鍍銀件,銀容易被鹵素發生腐蝕,且腐蝕后在電場作用下容易發生遷移。

 

 

5 切片分析

 

從圖片中可以看出,NG2的2#面未完全擊穿,有一條從樹脂內部到2#面的裂紋;圖片中兩個類似圓形的黑色孔洞為灌封環氧樹脂時引入的氣泡;在擊穿位置內部同樣可觀察到呈流線型分布的發亮物質,疑似從外部遷移導致;除擊穿位置內部外,未擊穿部位在玻纖邊緣可觀察到發亮顆粒。

 

 

對NG2切片進行形貌觀察,首先觀察流線型分布的發亮顆粒,在流線型發亮物質的旁邊可觀察到樹枝分叉的形貌,為典型的遷移形貌;部分玻纖與樹脂發生脫離,玻纖與樹脂之間存在縫隙,銀離子容易在縫隙中遷移;玻纖邊緣可觀察到發亮顆粒。

對發亮顆粒元素進行表征,得知發亮元素主要為銀、溴元素,玻纖邊緣的主要元素同樣為銀、溴元素。

 

 

同樣對NG1切片金相顯微鏡進行觀察,擊穿程度較大,1#面到2#面完全貫通;擊穿位置表面分布少量發亮顆粒。用掃面電子顯微鏡進行觀察,局部發亮顆粒比較密集,且有長條的發亮物質,疑似銀離子遷移的形貌。對發亮顆粒物質進行分析,得知發亮主要元素是銀、溴。

 

 

6 成分分析

 

進行主成分分析,得知插座的主成分均為聚碳酸脂,聚碳酸脂中含有酯基,容易發生吸水。

通過XRF元素分析,可知NG2粒子中含有較多的溴,NG2色母中含有較多的氯和鐵。

 

結論

 

總結:

插座失效模式是電擊穿。插座被擊穿的原因是:插座中含有鹵素(氯、溴),對插孔中的銀發生了腐蝕,變成了銀離子,在濕氣與電場的作用下,沿著玻纖的表面縫隙發生電化學遷移,降低了孔位之間的絕緣電阻,導致擊穿。

 

建議:

選用無鹵素的原料;改善玻纖與樹脂的粘結強度,切斷遷移通道。

 

*** 以上內容均為原創,如需轉載,請注明出處 ***

 

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