珠海格力电器股份有限公司,广东珠海 519070
摘要:漏电起痕是电工电子类产品材料抗腐蚀性能的重要评估方法。本文对溶液配备的环境温度、溶液温度,以及测试过程电极角度等影响结果的原因分析,提高测试结果的准确性。
关键词: 电导率、电极压力、电子迁移
Analysis on Accuracy of Material Leakage Tracking Test
Chen Xin-yong*1, Li Jun*2, Lin Zhi-xiong*3
(GREE Electric Appliances, INC, Zhuhai, Guangdong 519070)
Abstract: Leakage tracking is an important method to evaluate the corrosion resistance of electrical and electronic products. In this paper, the ambient temperature of the solution, the temperature of the solution, and the electrode angle of the test process are affected.
Keywords: conductivity, electrode pressure, electron migration
漏电起痕是电工电子类产品材料抗腐蚀性能的重要评估方法,是判定材料能否在恶劣环境下使用的重要依据。通过对测试溶液的配置、过程现象、温度影响等,诠释测试准确性的影响因素。
配置要求
国家标准GB/T 4207-2012《非金属材料耐电痕化指数和相比漏电起痕指数的测定方法》要求溶液A(NH4CL)用纯度不小于99.8%的分析纯无水氯化铵,溶解于电导率不超过1mS/m的去离子水中,溶液的质量分数约为0.1,要求电阻率在3.90Ω·m~4.00Ω·m,换算成电导率为2.50mS/cm~2.564 mS/cm。
NH4CL溶液电导率的测量
(1)电导率仪的测试原理
电导率仪圆柱形探头,如图1-1。阴极是采用不锈钢,阳极是采用铜。测试溶液电导率时,将探头插入电解质溶液中,使两电极之间形成电导池。在正负极金属两端通以交流电压,可溶性的酸、碱、盐类如NaCl、HCl、NaoH等在液体中离解出正离子和负离子。
阳极极
阴极
图1-1
电子从外电源的负极通过外电路流向阴极,在阴极和溶液的界面上发生正离子与电子结合的还原反应如式;同时,在阳极和溶液的界面上发生负离子失去电子的氧化反应如式,氧化反应中释放的电子流向电源正极,与此同时,在外电场作用下,溶液中的正离子向阴极迁移,由于其导电的方向相同,这些离子如同金属中的自由电子,能够在溶液介质中生成电流,如图1-3所示。
图1-3
当溶液中离子浓度增加,在阳极和阴极之间相互移动的离子增多,离子增多,溶液传输电荷的能力越强,溶液电阻越小;当在正负两极间施加恒定电压时,电导池中溶液电阻的变化导致测量电极的电流发生变化,并符合欧姆定律,电导池中流通的电流传输至电导率仪电路中并通过放大器放大,在经过讯号整流,在仪表显示器中输出直流讯号。
(2)NH4CL溶液的配置及其电导率测量操作方法
NH4CL溶液配置核心指标是环境和溶液的温度。NH4CL溶液的电导率对温度的波动非常敏感,标准要求测量时溶液的温度需为23±1℃。然后,选择纯度大于99.8%NH4CL颗粒,用电子称称量0.1g的重量,然后倒入盛有100ML的去离子水的干净烧杯中,NH4CL和去离子水的配比为1:1000,用玻璃棒搅拌,使NH4CL颗粒充分溶于水中。NH4CL充分溶解后,使用标准溶液KCL对电导率仪进行校准。取出少量标准溶液置于干净的烧杯中,将电导率仪探头完全浸入标准溶液中,其对应的每个温度都有参照的电导率值(如表1.1所示)。温度越高,溶液电导率越大(如图1-4曲线所示)。因为NH4CL溶液配置的环境温度控制在23±1℃温度下,校准的电导率值对应23℃的电导率1356uS/cm。如果不一致,调节电极常数满足。
表1.1
图1-4
在测试漏电起痕过程中有三种放电形式。当滴加氯化铵溶液时,电极间会出现微弱的电流,使水分挥发,形成干带。在干带上可以观察到紫色的电晕放电,使绝缘材料表面出现碳沉积。电晕放电的光谱主要集中在紫外区域,紫外线产生的能量较大,黑体辐射出340nm波长的紫外线时,其表面的温度可以到达14880F,该温度足以使材料炭化。在电晕放电中,放电电流由电极流出,但不能到达对面的电极,电流由较慢的离子传递,放电电流较低。
随着碳的沉积,绝缘材料表面出现红色或黄色的闪络放电。不断的闪络放电使电极间的高分子绝缘材料碳树枝化,同时炭化区域膨胀。因此,闪络放电使绝缘材料表面碳形成的最重要因素。
大量闪络放电出现的同时,会伴随电弧放电。闪络放电一般出现在绝缘材料表面,而电弧放电和电晕放电则远离绝缘材料表面。电弧放电出现在两个金属电极和绝缘表面的碳层之间。因此,电极的金属类别会影响电弧放电光谱的类型。电晕放电是小电流放电现象,而电弧放电是巨大电流放电现象。
NH4CL溶液的电导率
如果上文提及的温度是影响电导率准确性的重要因素,电导率会随着温度的升高而升高。当溶液的温度升高后,分子热运动加剧,在同等浓度的情况下会离解出更多的离子,由于电场的方向为阴极指向阳极,所以 、
受电场的引力而向阴极迁移,在阴极表面聚集,
、
受电场斥力而向阳极迁移,在阳极表面聚集,如图2-1所示。此时,
、
在阳极发生氧化反应失去电子,并将电子输送至阴极,
、
在阴极发生还原反应得到从阳极传导的电子,图2-2所示。此时在电路中形成与电子运动方向相反的电流,温度升高,传导的电子越多,电流便越大。如下为阴阳两极的反应式:
+2
+
+ 2
+
+4
+2
图2-1
图2-2
综上所述,配置NH4CL溶液时,未在标准要求的温度下配置,则会导致配置的溶液的电导率产生偏差,温度过高,则实际配置的溶液电导率偏低;温度过低,则实际配置的溶液电导率偏高。测试非金属材料CTI指数时,溶液的电导率偏差影响测试结果的准确性。溶液电导率偏高会造成在施加同等电压时,由于离子介质增多,绝缘表面电阻降低,电极间的电弧变大,绝缘表面的温度升高,导致绝缘材料击穿,加速材料表面的腐蚀和炭化,甚至发生起火。
(2)电极施加于测试材料的压力和角度
标准GBT_4207-2012中要求单个电极对试样的压力应为1.0±0.05N,且电极与试样接触的刀刃应水平,刃面整体应与试样充分接触,如图3-1所示。
图3-1
在试验操作的过程中,假设电极与试样的未充分接触,如电极刀刃与试样表面接触未水平,偏移一定角度,试样表面的受力及电极、氯化铵溶液、试样表面之间的放电、能量的聚集等情况差异大。对比充分接触和偏移2°的两种情况试样的受力情况。图3-3为电极与试样充分接触时的状态,已知电极对试样的压力F为1N,此时试样与电极接触表面所受的力平均分布,则试样表面所受的压强P= 。图3-4为电极与试样角度偏移2°时的状态,此时试样与电极接触面积急剧减小,仅在右下方很小的区域,此时试样表面所受的压强PA=
,因SA<
>P。当试样表面所受的压强变得很大时,试样表面按标准要求的光滑、无擦伤、瑕疵等可能因表面绝缘层的破坏而无法满足。当电极通电时,在此处产生的电晕、闪络会加速其绝缘表面的炭化,使表面形成更深的凹坑。然而,在左端电极与试样未接触部分,电极与试样表面因有角度偏差而存在一定距离,所以电极与溶液反应的热量无法像电极与试样充分接触那样迅速到达绝缘表面,其在到达绝缘表面的过程中损失部分能量,所以造成绝缘表面未与电极接触部分凹痕较浅,越往与电极接触方向,凹痕越深。试样表面痕迹上部分为电极与试样在有距离的情况下的产生的痕迹,下部份为电极与试样接触的情况下产生的痕迹,明显下部分较上部分痕迹深。
图3-3
图3-4
漏电起痕试验涉及众多学科,包括电化学、物理化学、材料科学、电子电工等,比如,NH4CL溶液的配置涉及电化学、物理化学,其指导我们在配置溶液的过程中更好的对温度、溶液浓度等细节地把控。而不同的材料,其耐电痕化的性能不同,需要我们对材料的性能做到熟悉,使我们在试验中更好的根据材料的性能选择其试验电压,加速试样CTI 等级的定级。合理的根据产品或器件的使用环境选择适合的材料是设计产品的基本要求,漏电起痕试验则为我们选择合适耐电痕化材料提供了基础。
参考文献:
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*陈信勇(1982-),工程师,主要研究产品可靠性。