聚碳酸酯電源鈕斷裂原因

彭 博,陳梓鈞,唐雁煌,徐煥翔,劉子蓮,朱 剛

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所 元器件可靠性分析中心,廣州 510610)

電源鈕是實(shí)現(xiàn)整機(jī)開關(guān)機(jī)的重要零件，直接影響整機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。目前電源鈕失效分析的研究主要集中在可靠性的研究，即在多種應(yīng)力環(huán)境下通過對(duì)正常的按鈕開關(guān)進(jìn)行壽命測(cè)試，判斷按鈕開關(guān)在服役環(huán)境下的潛在薄弱點(diǎn)，進(jìn)而指導(dǎo)材料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)[1-2]。如蔡懿等[1]對(duì)正常的照明按鈕開關(guān)進(jìn)行了鹽霧、電壽命、機(jī)械壽命和動(dòng)作特性等試驗(yàn)，指出了導(dǎo)致照明按鈕開關(guān)容易失效的工藝問題和材料缺陷等，并為提高按鈕開關(guān)可靠性提出了改進(jìn)建議。但是從故障歸零的角度出發(fā)，通過分析斷裂的電源鈕來(lái)研究已經(jīng)存在的失效問題，并對(duì)此提出改進(jìn)意見的相關(guān)研究報(bào)道較少。

圖1 電源鈕宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of power button

電源鈕宏觀形貌如圖1所示，材料為聚碳酸酯(PC)，在內(nèi)側(cè)涂覆潤(rùn)滑劑后，通過電源鈕上的卡槽卡住機(jī)板上的電源開關(guān)，并通過滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的開關(guān)機(jī)。故障機(jī)器無(wú)法開機(jī)，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，電源鈕出現(xiàn)批次性斷裂失效，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，電源鈕的失效比例逐漸增加。為找到電源鈕在使用過程中批量斷裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口宏觀和微觀形貌分析

使用SMZ-100型體視顯微鏡對(duì)斷裂電源鈕進(jìn)行宏觀觀察，如圖2所示。可見斷裂電源鈕在長(zhǎng)邊頂部發(fā)生斷裂，短邊側(cè)面的根部發(fā)生開裂，斷口處未見明顯塑性變形，整體表現(xiàn)為脆性斷裂特征，同時(shí)，在電源鈕表面發(fā)現(xiàn)有油狀物質(zhì)。

圖2 斷裂電源鈕宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of broken power button:a) front of power button; b) fracture position of long side of power button; c) cracking position of short side of power button;d) side of power button; e) oily substance on the surface of power button

通過S-4300型掃描電鏡(SEM)對(duì)斷裂電源鈕的長(zhǎng)邊頂部斷裂位置及短邊側(cè)面的開裂位置進(jìn)行觀察，如圖3所示。可見斷口平滑，有放射狀條紋，脆性斷裂特征明顯。

圖3 斷裂電源鈕SEM形貌Fig.3 SEM morphology of broken power button:a) fracture position at the top of long side;b) cracking position of short side root

1.2 紅外分析

根據(jù)GB/T 6040—2019《紅外光譜分析方法通則》的技術(shù)要求，采用Tensor27型顯微紅外光譜分析儀對(duì)斷裂電源鈕材料的成分進(jìn)行分析，并與聚碳酸酯(PC)+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。圖中2 216 cm-1處為氰基特征峰，967 cm-1處為丁二烯中碳碳雙鍵特征峰，699 cm-1處為單取代苯乙烯特征峰，斷裂電源鈕的紅外圖譜特征峰與標(biāo)準(zhǔn)的吻合較好，表明該電源鈕的成分中含有ABS[3-4]；同時(shí)，ABS吸收峰相對(duì)較弱，表明ABS含量較少。綜上，判斷此斷裂電源鈕的有機(jī)主成分為PC，同時(shí)含有少量ABS。

圖5 斷裂電源鈕斷口上的油狀物質(zhì)、潤(rùn)滑劑及標(biāo)準(zhǔn)硅油的紅外圖譜Fig.5 Infrared spectrum of the oily substance on the fractureof broken power button,lubricant and standard silicone oil

通過傅里葉紅外光譜儀(FTIR)對(duì)斷口油狀物質(zhì)和潤(rùn)滑劑的主要成分進(jìn)行分析，并與硅油的標(biāo)準(zhǔn)紅外圖譜進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。可見斷口位置油狀物質(zhì)的FTIR譜與硅油的高度吻合，說(shuō)明斷口上的油狀物質(zhì)為硅油。

1.3 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析

為了確定潤(rùn)滑劑揮發(fā)物的成分，根據(jù)GB/T 6040—2019的技術(shù)要求，采用Agilent 6890N+5975C型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)潤(rùn)滑劑的揮發(fā)物進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)分析，結(jié)果表明潤(rùn)滑劑可揮發(fā)物中含有99.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的3,3-二氯-1,1,1,2,2-五氟丙烷，0.3%的三氯甲烷及0.5%的有機(jī)硅。

1.4 彎曲性能測(cè)試

為進(jìn)一步分析潤(rùn)滑劑對(duì)電源鈕的影響，取6只未使用過的電源鈕，將其中3只電源鈕浸入潤(rùn)滑劑中放置48 h，根據(jù)GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測(cè)定》的技術(shù)要求，采用CMT4204型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)電源鈕進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試。未浸過潤(rùn)滑劑的電源鈕彎曲時(shí)承受的最大力為158.0 N，浸過潤(rùn)滑劑后的電源鈕彎曲時(shí)承受的最大力為95.8 N，可以發(fā)現(xiàn)浸過潤(rùn)滑劑后的電源鈕彎曲時(shí)承受的最大力明顯降低。表明潤(rùn)滑劑的滲入會(huì)導(dǎo)致電源鈕的彎曲強(qiáng)度大幅度下降。

2 分析與討論

紅外分析結(jié)果表明斷裂電源鈕材料的成分為PC加少量ABS，而廠家提供的電源鈕材料成分為PC，斷裂電源鈕材料實(shí)測(cè)的成分與廠家提供的不一致。由于PC具有較高的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度，ABS的加入可提高其加工性能和抗沖擊性能，但也會(huì)在一定程度上降低其彎曲強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度[5-6]。該電源鈕引入ABS含量較低，所以彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的降低幅度較小，但如果還存在其他影響力學(xué)性能的因素，電源鈕將很容易發(fā)生斷裂。

PC對(duì)鹵代烴(如四氯化碳等)較敏感，在鹵代烴的作用下會(huì)發(fā)生溶脹甚至是應(yīng)力開裂[7-11]。斷裂電源鈕的長(zhǎng)邊頂部和短邊側(cè)面發(fā)生脆性斷裂，同時(shí)在斷裂電源鈕表面出現(xiàn)含有潤(rùn)滑劑成分的油狀物質(zhì)。經(jīng)了解，廠家在裝配電源鈕時(shí)會(huì)在內(nèi)側(cè)涂覆潤(rùn)滑劑，紅外和GC-MS分析結(jié)果表明，涂覆的潤(rùn)滑劑中除含有硅油的成分外，還含有低沸點(diǎn)的三氯甲烷和3,3-二氯-1,1,2,2-五氟丙烷。作為鹵代烴的三氯甲烷和3,3-二氯-1,1,1,2,2-五氟丙烷，尤其是三氯甲烷對(duì)PC和ABS具有較強(qiáng)的溶蝕性，導(dǎo)致PC和ABS強(qiáng)度下降。彎曲試驗(yàn)結(jié)果也表明電源鈕浸入潤(rùn)滑劑后，彎曲強(qiáng)度降低。由于電源鈕的長(zhǎng)邊頂部及短邊側(cè)面的根部是使用過程中的主要受力位置，當(dāng)自身強(qiáng)度不足時(shí)將在這兩個(gè)位置處發(fā)生低應(yīng)力脆斷。

3 結(jié)論及建議

電源鈕的斷裂模式為脆性斷裂，是因?yàn)殡娫粹o材料中含有少量的ABS，ABS會(huì)降低電源鈕的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，而含有鹵代烴的潤(rùn)滑劑滲入電源鈕中，導(dǎo)致電源鈕的強(qiáng)度進(jìn)一步降低，最后導(dǎo)致電源鈕發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。

建議嚴(yán)格控制電源鈕的材料，使同批次電源鈕的質(zhì)量保持一致；對(duì)潤(rùn)滑劑的有機(jī)成分進(jìn)行測(cè)試，確保潤(rùn)滑劑中無(wú)溶蝕性成分。