電子線材絕緣層熱老化特性的快測控制

莫劍鋒 眭敏 王雪君

摘 要：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。

關(guān)鍵詞：電子線材；絕緣層；熱老化；快測控制

0 引言

目前，家用電器所采用的電子線材絕緣層大多為交聯(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，加速絕緣層的老化、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)生了對電子線材絕緣層可靠性評估的需求[7]。

本文研究對象是電子線材絕緣層熱老化失效。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，并進行熱老化試驗。結(jié)合相關(guān)性分析，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，對電子線材可靠性快速評估具有工程借鑒價值。

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：1352 C/240 h±° ；UL1015 線：1362 C/168 h±° ；UL1007線：1132 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。

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）。

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/cm 3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)）。

采用式（2）計算相關(guān)系數(shù)（表4）。考慮全部樣品可見，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/cm 3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/cm 3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）。可見密度與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：

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。

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。可見，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。回歸殘差圖正常、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：

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[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.