塑料擊穿 | 解析高分子材料的典型失效機制

在高分子材料的失效分析中，塑料擊穿是一個常見的失效模式，當塑料絕緣材料件在電場作用下無法承受過高的電壓，或者內(nèi)部存在缺陷和雜質(zhì)時，就可能發(fā)生擊穿現(xiàn)象，導致設備故障甚至安全事故。因此，深入分析塑料擊穿的失效機制，對于提升設備質(zhì)量、預防潛在風險具有重要意義。

本案例是關于某動車用插座材質(zhì)為PC500R，插孔的材質(zhì)是銅鍍銀件。現(xiàn)發(fā)現(xiàn)插座中1#孔與2#孔之間被擊穿，厚度為1mm，孔位存在串電現(xiàn)象，導致信號系統(tǒng)檢測到兩種執(zhí)行模式，造成使用異?！，F(xiàn)對NG1和NG2插座進行失效分析，查出其失效原因。

測試分析

1 CT觀察

發(fā)現(xiàn)NG1擊穿位置內(nèi)部除了有黑色的孔洞之外，還有零星白色顆粒，疑似有相對密度比較大的物質(zhì)；NG2擊穿位置有白色發(fā)亮物質(zhì)貫穿整個孔洞。

2 光學顯微觀察

對NG1擊穿位置進行觀察，擊穿位置的1#面和2#面顏色均發(fā)黑，擊穿程度較大，中間區(qū)域形成較大的孔洞；1#面擊穿孔洞邊緣發(fā)現(xiàn)疑似線團的異物。

對NG2擊穿位置進行觀察，首先觀察1#面，擊穿部位顏色發(fā)黑，擊穿程度比NG1較小，形成孔洞較小，孔洞里面有透明的玻纖；觀察2#面，未見明顯擊穿孔洞，有一條明顯的開裂裂紋；透明玻纖鑲嵌在樹脂表面；擊穿方向從1#孔擊穿到2#孔。

3 形貌觀察

對NG2進行形貌進行觀察，首先觀察1#面，表面非常平整，疑似人為被削平；擊穿位置內(nèi)部和未擊穿位置均有玻纖分布；擊穿位置有呈流線型分布的發(fā)亮顆粒，玻纖表面同樣有發(fā)亮顆粒，大部分玻纖表面相對比較光滑，玻纖與樹脂的結合強度相對比較差。

對NG2 2#面進行觀察，宏觀觀察，有較多的玻纖分布在樹脂表面，擊穿位置無明顯孔洞；局部放大，有明顯的開裂裂紋；玻纖鑲嵌在樹脂表面，玻纖表面相對比較光滑，玻纖表面無明顯殘留的樹脂；局部樹脂表面有輕微損傷；切換背散射模式觀察，擊穿位置表面有較多零星分布的發(fā)亮顆粒；損傷樹脂內(nèi)部同樣有較多顆粒，有點顏色較亮，有點顏色較暗，為兩種為不同性質(zhì)的顆粒。

對NG1擊穿位置的形貌進行觀察，首先觀察1#面，擊穿位置有較深的孔洞；擊穿邊緣有線條異物存在；切換背散射模式觀察，同樣發(fā)現(xiàn)擊穿位置周圍有較多零星發(fā)亮顆粒；2#面擊穿位置同樣有較深的孔洞，無明顯異物存在，有零星的發(fā)亮顆粒。

4 EDS分析

得知NG1發(fā)亮顆粒的主要元素為銀、氯，NG2 1#面發(fā)亮顆粒主要為銀元素，還有氯和溴，2#面發(fā)亮顆粒大多為銀、氯、溴元素，個別顆粒為含有Fe、Cr、V金屬顆粒。

對樣NG1插孔的元素進行分析，得知插孔的主要元素是銀，還有少量的銅，表明插孔是鍍銀件，銀容易被鹵素發(fā)生腐蝕，且腐蝕后在電場作用下容易發(fā)生遷移。

5 切片分析

從圖片中可以看出，NG2的2#面未完全擊穿，有一條從樹脂內(nèi)部到2#面的裂紋；圖片中兩個類似圓形的黑色孔洞為灌封環(huán)氧樹脂時引入的氣泡；在擊穿位置內(nèi)部同樣可觀察到呈流線型分布的發(fā)亮物質(zhì)，疑似從外部遷移導致；除擊穿位置內(nèi)部外，未擊穿部位在玻纖邊緣可觀察到發(fā)亮顆粒。

對NG2切片進行形貌觀察，首先觀察流線型分布的發(fā)亮顆粒，在流線型發(fā)亮物質(zhì)的旁邊可觀察到樹枝分叉的形貌，為典型的遷移形貌；部分玻纖與樹脂發(fā)生脫離，玻纖與樹脂之間存在縫隙，銀離子容易在縫隙中遷移；玻纖邊緣可觀察到發(fā)亮顆粒。

對發(fā)亮顆粒元素進行表征，得知發(fā)亮元素主要為銀、溴元素，玻纖邊緣的主要元素同樣為銀、溴元素。

同樣對NG1切片金相顯微鏡進行觀察，擊穿程度較大，1#面到2#面完全貫通；擊穿位置表面分布少量發(fā)亮顆粒。用掃面電子顯微鏡進行觀察，局部發(fā)亮顆粒比較密集，且有長條的發(fā)亮物質(zhì)，疑似銀離子遷移的形貌。對發(fā)亮顆粒物質(zhì)進行分析，得知發(fā)亮主要元素是銀、溴。

6 成分分析

進行主成分分析，得知插座的主成分均為聚碳酸脂，聚碳酸脂中含有酯基，容易發(fā)生吸水。

通過XRF元素分析，可知NG2粒子中含有較多的溴，NG2色母中含有較多的氯和鐵。

結論

總結：

插座失效模式是電擊穿。插座被擊穿的原因是：插座中含有鹵素（氯、溴），對插孔中的銀發(fā)生了腐蝕，變成了銀離子，在濕氣與電場的作用下，沿著玻纖的表面縫隙發(fā)生電化學遷移，降低了孔位之間的絕緣電阻，導致?lián)舸?/p>

建議：

選用無鹵素的原料；改善玻纖與樹脂的粘結強度，切斷遷移通道。

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