濕熱海洋環(huán)境下接插件帶電腐蝕行為研究

呂旺燕，黃建業(yè)，阮紅梅，陳川，陳天生

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510080）

濕熱海洋環(huán)境最大的特點(diǎn)就是高溫、高濕、高鹽霧，電器設(shè)備長(zhǎng)期處于這種惡劣大氣環(huán)境當(dāng)中，如果防護(hù)措施不到位就會(huì)造成電器設(shè)備內(nèi)部元器件的快速污染、腐蝕，進(jìn)而使這些元器件的品質(zhì)快速下降，大大縮短其使用壽命，嚴(yán)重威脅到電器設(shè)施的安全運(yùn)行[1-4]。電路板接插件是電器設(shè)備中重要的元器件之一，分布于各個(gè)系統(tǒng)和部位，擔(dān)負(fù)著電能傳輸、信號(hào)控制與傳遞任務(wù)[5-6]。任何一個(gè)接插件故障都可能導(dǎo)致整個(gè)電路或某一控制設(shè)備無法正常工作或停役。因此非常有必要對(duì)接插件的腐蝕行為進(jìn)行研究，進(jìn)而提出有針對(duì)性的防護(hù)措施。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于接插件腐蝕行為的研究尚采用傳統(tǒng)的大氣腐蝕研究方法和思維模式[7-9]，未考慮流通電流對(duì)于接插件腐蝕的影響。事實(shí)上，電流對(duì)接插件材料腐蝕的影響相對(duì)于其他因素復(fù)雜得多。因此，需結(jié)合空氣溫度、濕度等腐蝕環(huán)境因素有針對(duì)性地研究電流對(duì)接插件腐蝕行為的影響，揭示電流與腐蝕環(huán)境因素對(duì)接插件材料腐蝕行為影響的交互作用，才能真實(shí)反映出濕熱海洋環(huán)境下接插件的腐蝕行為特征及失效機(jī)制，正確評(píng)估接插件材料的腐蝕狀態(tài)，從而有效指導(dǎo)接插件材料的設(shè)計(jì)、維護(hù)和更換。

文中將通過調(diào)查與采集電路板接插件在我國(guó)典型的濕熱海洋大氣環(huán)境中服役時(shí)的溫度、濕度、海洋粒子沉降量等環(huán)境條件數(shù)據(jù)，分析服役環(huán)境的變化規(guī)律，并利用無氧銅標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試片檢測(cè)評(píng)價(jià)服役環(huán)境的腐蝕性。同時(shí)開展電路板接插件在濕熱海洋大氣環(huán)境下帶電工況和不帶電工況試驗(yàn)，通過檢測(cè)外觀、接觸電阻、絕緣電阻，分析接插件在兩種工況下的腐蝕行為規(guī)律及差異，并分析影響電路板接插件腐蝕的關(guān)鍵環(huán)境因素，從而為接插件材料的選材設(shè)計(jì)、維護(hù)和更換提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

將插針式的接線端子和貼片式的數(shù)據(jù)通信接插件焊接在30 mm×30 mm的電路板上，形成電路板接插件樣品，如圖1所示。貼片式數(shù)據(jù)通信接插件為銅鍍錫材質(zhì)，插針式接線端子的螺釘為鋼，其他為銅鍍錫材質(zhì)。電路板采用FR-4環(huán)氧樹脂，厚1.6 mm，單面印刷，采用無鉛焊錫。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 海南三亞試驗(yàn)站自然環(huán)境條件監(jiān)測(cè)

采用 HMP155溫度相對(duì)濕度傳感器對(duì)海南三亞試驗(yàn)站溫濕度條件進(jìn)行連續(xù)收集，并統(tǒng)計(jì)平均值、最高值、最低值以及潮濕時(shí)間等。采用濾膜法采集海鹽粒子沉降量，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)無氧銅測(cè)試片對(duì)海南三亞試驗(yàn)站 1—3月大氣腐蝕等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將標(biāo)準(zhǔn)無氧銅測(cè)試片掛于三亞試驗(yàn)站三樓，避免雨水和陽(yáng)光照射。每個(gè)月取樣并利用電解還原法測(cè)試分析環(huán)境的腐蝕等級(jí)。

1.2.2 接插件自然環(huán)境暴露試驗(yàn)

三亞試驗(yàn)站為典型的濕熱海洋大氣環(huán)境，將插針式和貼片式兩種電路板接插件樣品投放到三亞試驗(yàn)站進(jìn)行棚下自然加速試驗(yàn)，避免雨水和陽(yáng)光照射。其中一組樣品通3 A電流，另一組樣品不通電流，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)間為2017年1—3月，樣品每月月末取樣一次，一次取樣6片，并檢查外觀，測(cè)試接觸電阻和絕緣電阻。

1.2.3 電路板接插件電性能測(cè)試

采用 YD2512直流低電阻測(cè)試儀對(duì)電路板接插件的接觸電阻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電流為直流 50 mA，采用ZC-90A絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)電路板接插件的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電壓為500 V，保持時(shí)間為1 min。電路板接插件進(jìn)行接觸電阻和絕緣電阻測(cè)試前，先將樣品放在溫度為（35±5）℃的空氣循環(huán)烘箱中處理2 h。

1.2.4 銅電解還原測(cè)試方法

采用 CS350電化學(xué)工作站電解還原法對(duì)銅測(cè)試片表面的腐蝕產(chǎn)物分析，具體方法參考ANSI/ISA- 71.04 2013，其中銅測(cè)試片電解還原電解池如圖3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕熱海洋大氣自然環(huán)境條件分析

通過溫濕度記錄儀采集了三亞試驗(yàn)站 2017年1—3月的溫濕度數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)了每天的潮濕時(shí)間（相對(duì)濕度＞80%）。其中1月份的平均溫度為23.80 ℃、平均相對(duì)濕度為 72.79%，平均潮濕時(shí)間為 6.0 h；2月份的平均溫度為 22.86 ℃、平均相對(duì)濕度為74.72%，平均潮濕時(shí)間為7.4 h；3月份的平均溫度為25.25 ℃、平均相對(duì)濕度為77.99%，平均潮濕時(shí)間為11.6 h。由此可以看出，1—3月的溫度、相對(duì)濕度和潮濕時(shí)間呈上升趨勢(shì)，其中3月的潮濕時(shí)間上升的幅度較大，約是 1月的 2倍。1—3月的最高溫度均＞30 ℃，最大相對(duì)濕度均＞95%。

三亞試驗(yàn)站2017年1—3月的溫濕度瞬時(shí)變化如圖4—6所示，可以看出，溫度和相對(duì)濕度均呈周期性變化。三亞試驗(yàn)站海洋大氣環(huán)境呈干濕交替循環(huán)，每天干濕交替循環(huán)至少1次，平均潮濕時(shí)間約8 h，由此說明電路板接插件在海南三亞進(jìn)行棚下自然暴露試驗(yàn)時(shí)，電路板每天面臨干濕交替濕熱海洋性環(huán)境氣候，且濕熱腐蝕環(huán)境每天長(zhǎng)達(dá)8 h以上，也就意味著電路板接插件長(zhǎng)期暴露于嚴(yán)酷的環(huán)境下，極其容易導(dǎo)致電路板接插件腐蝕失效，進(jìn)而產(chǎn)生更大的影響[5]。

通過海鹽粒子濾膜采集了海鹽粒子沉降量數(shù)據(jù)，三亞試驗(yàn)站2017年1—3月的海鹽粒子沉降量逐漸增大，分別為 0.995，1.013，1.118 mg/(100 cm2·d)。氯離子濃度越高，腐蝕性越強(qiáng)，因?yàn)槁入x子半徑小，穿透力強(qiáng)。當(dāng)氯離子吸附在金屬表面上時(shí)，會(huì)從金屬表面薄弱部位進(jìn)入鈍化膜，使鈍化膜發(fā)生局部破壞，然后對(duì)基體產(chǎn)生腐蝕[10]。三亞地區(qū)氯離子濃度較高，對(duì)電路板接插件的腐蝕較為嚴(yán)重。

圖7為無氧銅測(cè)試片在海南三亞自然暴露1～3個(gè)月時(shí)間的外觀形貌，可以看到，1，2月份形成的腐蝕產(chǎn)物膜相近，均呈棕色，這可能是因?yàn)?1，2月份的環(huán)境條件相近。3月份的溫度、相對(duì)濕度和潮濕時(shí)間均高于1，2月份，形成的腐蝕產(chǎn)物膜呈黑褐色。

圖8給出了1—3月份銅測(cè)試片的電解還原曲線，參考ANSI/ISA-71.04 2013對(duì)其進(jìn)行分析，并依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海南三亞 1—3月的環(huán)境腐蝕等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。測(cè)試結(jié)果顯示，1月份的腐蝕產(chǎn)物只有CuO，而2，3月份的腐蝕產(chǎn)物為Cu2O和CuO[11]，各種腐蝕產(chǎn)物的厚度列于表1。1，2月份的腐蝕程度分別為0.2190，0.2372 μm/月，而 3 月份的腐蝕程度為 0.3451 μm /月。三亞1—3月海洋大氣環(huán)境的腐蝕等級(jí)均為GX，但3月份比1，2月份要更嚴(yán)酷。

綜合溫度、相對(duì)濕度、潮濕時(shí)間、海鹽粒子沉降量和腐蝕程度測(cè)試分析數(shù)據(jù)，列于表2。1—3月份的溫度、平均相對(duì)濕度、海鹽粒子沉降量相差不大。當(dāng)潮濕時(shí)間相近時(shí)，如 1，2月份，環(huán)境的腐蝕性也相近。當(dāng)潮濕時(shí)間顯著增大時(shí)，如3月份約是1月份的2倍，環(huán)境腐蝕性顯著增大。這可能是因?yàn)槌睗癍h(huán)境下，海鹽粒子將在材料表面形成帶一定濃度鹽溶液的薄液膜，該薄液膜將與材料發(fā)生反應(yīng)，使得材料發(fā)生腐蝕失效[7]。

表1 1—3月份的環(huán)境腐蝕等級(jí)

表2 腐蝕程度與環(huán)境因素的關(guān)系

2.2 濕熱海洋環(huán)境下接插件腐蝕行為分析

兩組接插件樣品開展棚下自然暴露試驗(yàn) 1～3個(gè)月后外觀形貌如圖9所示，貼片式數(shù)據(jù)通信接插件在通3 A電流和不通電流兩種工況下試驗(yàn)1個(gè)月后，外觀無明顯變化；試驗(yàn)2個(gè)月后，焊接位置附近出現(xiàn)白膜，白膜可能是焊錫膏老化形成的[12-13]，金屬?zèng)]有明顯腐蝕；試驗(yàn)3個(gè)月后，焊接位置附近仍然有白膜，金屬仍沒有明顯腐蝕。貼片式數(shù)據(jù)通信接插件暴露于嚴(yán)酷的濕熱海洋環(huán)境下長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月之久，金屬部件沒有發(fā)生腐蝕，可能是影響較小，從表觀形貌上無法分辨，也可能是因?yàn)樵擃愘N片式數(shù)據(jù)通信接插件本身材料的耐腐蝕性能較為優(yōu)異[14]。

插針式接線端子在通3 A電流的工況下試驗(yàn)1個(gè)月后，外觀無明顯變化；試驗(yàn)2個(gè)月后，焊接位置附近出現(xiàn)白膜，金屬?zèng)]有明顯腐蝕；試驗(yàn)3個(gè)月后，金屬仍沒有明顯腐蝕，可能是影響較小，從表觀形貌上無法分辨。在不通電流工況下試驗(yàn)1個(gè)月后，外觀無明顯變化；試驗(yàn)2個(gè)月后，焊接位置附近出現(xiàn)白膜，金屬螺釘發(fā)生輕微腐蝕；試驗(yàn)3個(gè)月后，金屬螺釘嚴(yán)重腐蝕，這可能是電流對(duì)插針式接線端子螺釘?shù)绕鸬揭欢ǖ谋Ｗo(hù)作用，反而抑制了腐蝕的發(fā)生。

表 3列出了貼片式試驗(yàn)前后的接觸電阻和絕緣電阻。貼片式接插件在通3 A電流和不通電流兩種工況下的接觸電阻試驗(yàn)前后基本沒有明顯變化，貼片式接插件的絕緣電阻在兩種工況下試驗(yàn)1個(gè)月后，均下降到107Ω數(shù)量級(jí)，試驗(yàn)2個(gè)月和3個(gè)月后，絕緣電阻仍然維持為107Ω數(shù)量級(jí)。貼片式數(shù)據(jù)通信接插件在通3 A電流和不通電流兩種工況下的腐蝕行為基本沒有差異，試驗(yàn)1～3個(gè)月后，銅鍍錫金屬?zèng)]有明顯腐蝕，帶電和不帶電兩種工況下腐蝕行為基本一致，帶電對(duì)貼片式接插件腐蝕行為沒有多大影響。

表 4列出了插針式接插件試驗(yàn)前后的接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件在通3 A電流和不通電流兩種工況下的接觸電阻試驗(yàn)前后基本沒有明顯變化。插針式接插件在通3 A電流的工況下試驗(yàn)1～3個(gè)月，絕緣電阻均保持在 1011Ω 數(shù)量級(jí)；在不通電流工況下試驗(yàn) 1～3個(gè)月，絕緣電阻逐漸下降，分別為1011，109，106Ω數(shù)量級(jí)。插針式接線端子在通3 A電流和不通電流兩種工況下的腐蝕行為存在明顯差異，在通3 A電流工況下試驗(yàn)1～3個(gè)月后，接線端子沒有明顯腐蝕。在不通電流工況下試驗(yàn) 1個(gè)月后，接線端子沒有明顯腐蝕；試驗(yàn) 2個(gè)月后，螺釘發(fā)生輕微腐蝕；試驗(yàn)3個(gè)月后，螺釘發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。由此可見，對(duì)于插針式接線端子來說，通3 A電流能起到一定的防護(hù)作用，而對(duì)于貼片式數(shù)據(jù)通信接插件，通3 A電流并沒有產(chǎn)生明顯的影響[15]。

表3 三亞自然環(huán)境暴露試驗(yàn)前后貼片式接插件的接觸電阻和絕緣電阻

表4 三亞自然環(huán)境暴露試驗(yàn)前后插針式接插件接觸電阻和絕緣電阻

3 結(jié)論

1）三亞濕熱海洋大氣環(huán)境1—3月份呈干濕交替循環(huán)，每天至少發(fā)生1次循環(huán)，平均潮濕時(shí)間分別為6.0，7.4，11.6 h。1—3月份的環(huán)境腐蝕性均為GX級(jí)，其中環(huán)境腐蝕性主要受潮濕時(shí)間影響，潮濕時(shí)間越長(zhǎng)，環(huán)境腐蝕性越大，3月份腐蝕環(huán)境較1月2月更加嚴(yán)酷。

2）貼片式數(shù)據(jù)通信接插件在帶電和不帶電工況下濕熱海洋環(huán)境自然暴露3個(gè)月后，腐蝕行為基本相似，無明顯差異，接觸電阻沒有發(fā)生變化，絕緣電阻均降為107Ω數(shù)量級(jí)，金屬元器件均未發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象。

3）插針式接線端子在帶電和不帶電工況下濕熱海洋環(huán)境自然暴露 3個(gè)月后，接觸電阻沒有發(fā)生變化，但腐蝕行為存在明顯差異，在不通電流工況下，螺釘發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，絕緣電阻降為106Ω。在3 A電流通電工況下，螺釘沒有發(fā)生腐蝕，絕緣電阻均維持在1011Ω數(shù)量級(jí)，電流對(duì)插針式接線端子螺釘?shù)绕鸬揭欢ǖ谋Ｗo(hù)作用，反而抑制了腐蝕的發(fā)生。

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