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电子线材绝缘层热老化特性的快测控制

作者:莫剑锋1,眭 敏1,2,王雪君1 (1.珠海格力电器股份有限公司,珠海519070;2.华南师范大学信息光电子学院,广州510631) 时间:2021-07-16 来源:电子产品世界 收藏
编者按:电子线材热老化特性是整机安全与可靠运转的根本。结合空调电子线材绝缘层热老化试验,分析不同组分配比(硬化剂、填充物及助剂)与处理工艺对线材密度、抗拉强度与伸长率,及对最终热老化性能的相关性影响。结合分析,得到电子线材热老化性能的快测控制方案,并验证其有效性


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202107/426947.htm

0   引言

目前,家用电器所采用的大多为交联硅橡胶、耐热聚乙烯、丙烯橡胶、氯丁橡胶、PE 等组成的热塑性体系[1]。由于长时间负荷运行的电流热效应,电荷集肤效应的涡流损耗、绝缘介质损耗也会生成附加热量,加速的老化、击穿[2-6],造成漏电、起火烧机,甚至爆炸等恶劣危害,这就产生了对可靠性评估的需求[7]

本文研究对象是绝缘层失效。要求各供应商使用不同硬化剂、填充物及助剂,组分配比与处理工艺,试生产不同密度、抗拉强度与伸长率的电子线材,并进行试验。结合相关性分析,得到电子线材性能的方案,并验证其有效性,对电子线材可靠性快速评估具有工程借鉴价值。

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1   热空气老化失效

要求HONGD、LEIX、JINYD、XINY、HUAL 多家企业生产、送样不同调试工艺的电子线材(非量产)。试验标准与方法:RV-90线:135 ± 2 °C/240 h;UL1015线: 136 ± 2 °C/168 h;UL1007 线: 113 ± 2 °C/168 h)进行热空气老化试验。

试验结果:聚氯乙烯样品的UL1015(22AWG、18AWG)、RV-90( 1.5 mm2 、0.75 mm2 )、UL1007(22AWG)严重不合格,出现开裂、脆断。而对比放入试验箱的量产样品仅出现颜色变棕、有折痕情况。

注:为比较试验结果,有意放入正常量产工艺线,以排除试验波动差异。

2   线材密度、老化特性测定与回归分析

电子线材绝缘层的配方和制程会直接影响其硬度、抗拉强度、延伸率和弹性等,间接影响高温老化性能。传统测试老化性能的方法[8] 使用热空气长期高温老化,并测试抗拉强度、断裂伸长率变化来进行评价。其中,老化试验周期:UL 聚氯乙烯线材需要7 ~ 10 d,硅橡胶高温线需要60 d。受周期和试验资源限制,只能实现少之又少的型式试验监控,存在极大的质量管控风险。

故试图精炼电子线材相关可快速检测的特性参数,如密度、抗拉强度、延伸率等,并采用相关性分析方法计算其与热空气老化试验结果的相关性,试图通过快测某项特性参数,来快速控制电子线材绝缘层热老化特性。从热空气老化试验结果看,硅橡胶绝缘层配方与工艺稳定性较好,未出现试验异常。而聚氯乙烯线材存在配方或工艺窗口不当导致的老化性能差异,故以之为研究对象。

2.1 测定仪器和方法

密度:采用密度天平EK-300iD;抗拉强度、延伸率:采用室温拉伸试验机;样品分离出绝缘层后直接测定。热空气老化试验:电热鼓风干燥箱。样品分别取样、编号,进行密度、热空气老化试验前、后进行机械性能测试,并计算伸长率保留率、抗拉强度保留率。

其中,伸长率保留率ηε 、抗拉强度保留率ησ 。采用如下公式计算:

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式中,image.png为老化前伸长率测试中位数;image.png为老化后伸长率测试中位数;i 为1,2,3……最大取值为样本序数。

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式中,image.png为老化前伸长率测试中位数;image.png为老化后伸长率测试中位数。

2.2 相关性分析

为建立1 个线材可快测参数对老化特性的关系模型、标准。需要确定各参数对线材老化特性相关性,其强弱可以根据统计理论,采用相关性系数rx,y表示:

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式中, rx, y为随机参数 x,y 的相关系数,-;Dx为随机参数x 的方差,-; Dy 为随机参数y 的方差,-。由计算式可知,相关性系数可描述电子线材快测特性参数与热老化特性相关程度,其越大,相关程度也就越高。

2.3 试验结果

记录每组样品的老化前密度D、最小断裂伸长率、最小抗拉强度和老化后最小伸长率保留率、最小抗拉强度保留率,得到结果数据[8](表2、表3)。

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注:加粗字体为老化不合格数据。

2.4 相关性分析

为确定密度值与线材老化参数(老化前抗拉强度、断裂伸长率及两者老化后的保留率)的关系,计算相关系数(表 4),全部样品密度1.40 g/cm3及以上。利用Minitab 分别绘制密度值与机械性能、热老化试验保留率结果的散点图(图1 密度1.40 及以上的数据)。

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(a)密度与断裂伸长率

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(b)密度与抗拉强度

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(c)密度与抗拉强度保留率

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(d)密度与断裂伸长保留率

图1 电子线材热密度与老化特性参数散点图

采用式(2)计算相关系数(表4)。考虑全部样品可见,密度与断裂伸长率保留率、抗拉强度存在中间程度或弱的负相关。而只考虑密度1.40 g/cm3及以上样品试验结果数据,可见密度与断裂伸长率保留率存在强的负相关,相关系数r = −0.819 、p 值= 0.000 。

采用 Minitab 软件对密度1.40 g/cm3及以上样品试验结果绘制密度值与机械性能、热老化试验结果散点图(图1)。可见密度与断裂伸长率保留率存在强的负相关,其他子图相关程度一般或较弱。

2.5 回归分析

运用Minitab 对密度与老化后断裂伸长率保留率进行回归分析、方差分析(表5)、残差检验(图2),结果如下:

回归分析: 密度与断裂伸长率保留率ηε /%回归方程为:ηε = 4.208 − 2.324× D

S(残差误差) = 0.056 559 5,R − S = q (相关系数) 69.6%R − S = q (调整) 68.1%

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从分析结果可见:P 值远小于0.05,且R2 数值为69.6%,证明线性模型能较好拟合。

回归残差分析图(图2)显示密度对抗拉强度保留率的正态概率图没有明显的“ S 状”弯曲趋势,说明回归模型残差图正常、回归模型合理,可以很好“模拟”趋势。

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a)正态概率图    &   b)与拟合值残差分布图

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c)直方分布图   &   d)与顺序分布图

图2 回归方程拟合残差分析图

2.6 快测标准

试验数据及分析表明,密度值在1.522、1.516、1.454 g/cm3 等老化后断裂伸长率不合格,导致出现开裂、脆断情况,且密度对抗拉强度保留率存在显著线性回归关系。

建立依据线材密度快速评价老化性能的标准。修改公司企业标准QJ/GD 41.09.001《内部布线检验规范》第一部分机内配线。5.2.15 密度测试项目:对于聚氯乙烯线材,用密度天平对线材进行密度测试,测试线材绝缘皮的密度应小于1.4 g/cm3 。

该方法简单、快速,与热空气老化型式试验互补,可广泛应用于线材行业。

3   结束语

本文对空调电子线材热绝缘层可靠性工艺窗口进行试验、验证,测试了不同组分配方与硫化工艺下得到的样品对老化特性参数的影响,并结合相关性分析、回归分析方法,确定了线材老化特性的快测项目与标准。

1)空调高温线材绝缘层热老化,UL 聚氯乙烯线材需要7 ~ 10 d,硅橡胶高温线需要60 d,试验周期与资源需求量极大。

2)组分配方与硫化工艺差异条件下得到的分组样件。入厂快测密度与热老化相关试验结果(抗拉强度及其老化后保留率、断裂伸长率及其老化后保留率)的相关系数分别为−0.006 、−0.143 、0.457、−0.819 。可见,密度与断裂伸长率保留率存在强的负相关。

3)建立线材入厂快测项目密度(D)与断裂伸长保留率( ηε )的线性回归方程: ηε = 4.208 − 2.324× D。P 值远小于0.05,且R2 数值为69.6%,证明线性模型能较好拟合。回归残差图正常、回归模型合理,可以很好“模拟”趋势。

4)结合相关分析,确定空调UL 聚氯乙烯线材的老化特性快测标准:用密度天平对线材绝缘皮进行密度测试,结果应小于1.4 g/cm3 。方法简单、快速,与热空气老化型式试验互补,可广泛应用于家电等行业。

参考文献:

[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,高阳,孙英华,等.老化评估模型对电缆绝缘性能老化问题的研究[J].电器与能效管理技术,2018(13):26-29.

[3] 王文拓.电气火灾监控系统的设计及注意事项[J].河南建材,2016(4):194-195.

[4] 郭萍.电缆火灾的原因,特点及建议[J].上海消防,2000(6):41-42.

[5] 徐鸿.从零部件技术看家电质量发展[J].家电科技,2019(3):2.

[6] 吕事桂,杨立,范春利,等.电缆高分子绝缘层整体热老化下红外测温热物性的定量评估[J].高分子材料科学与工程,2013,29(2):187-190.

[7] GB/T 2951.1-1997.电缆绝缘和护套材料通用试验方法 第1部分:通用试验要求 第2节:热老化试验[S].北京:中国标准出版社,1997.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年6月期)



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