Файл: Доценко Н.С. Долговечность элементов радиоэлектронной аппаратуры (влияние влаги).pdf

новится в меньшей степени гигроскопичным и, следо­ вательно, улучшаются электрические параметры мате­ риала. При пребывании в условиях повышенной влаж­ ности, эти параметры становятся более стабильными.

К материалам, не поглощающим влагу, но смачиваю­ щимся, относятся стекло и керамика, но они образуют поверхностную пленку воды, ухудшая поверхностные свойства материала, т. е. его поверхностное сопротивле­ ние снижается, хотя е и tg б остаются без изменения. Объемное сопротивление остается постоянным. К этим же материалам можно отнести слюду и ее производные, а также природные минеральные материалы. Такие ма­ териалы, как полиэтилен и гуттаперча,^находясь в ус­ ловиях повышенной влажности, практически не меняют электрических свойств, их можно отнести к материалам негигроскопичным и несмачивающимся.

Для этих материалов характерно то, что объемное и поверхностное сопротивление остается неизменным, т. е. изоляция будет полностью влагостойкой. Однако воз­ можность получения таких материалов весьма ограни­ чена.

Следует отметить, что влага мало влияет на электри­ ческие свойства неполярных диэлектриков, к которым относятся парафин, полистирол, полиэтилен, янтарь и фторопласт-4, так как они являются гидрофобными мате­ риалами и имеют наибольший из всех материалов крае­ вой угол смачивания. Из полярных материалов наиболее стоек при воздействии влажности фторопласт-3, потому что он имеет структуру с плотно упакованными цепями макромолекул. Этот материал не меняет своих электри­ ческих характеристик в условиях высокой влажности. В полиметилметакрилате, в триацетатной пленке, а также в полярных пластмассах наблюдается ухудшение электрических свойств под действием влаги. Снижение электрических свойств в полимерных пластмассах объяс­ няется влиянием наполнителя.

Под воздействием влаги в слоистых материалах про­ исходит значительное изменение электрических характе­ ристик. Например, при действии 98%-ной о. в. удельное объемное сопротивление гетинакса и текстолита падает до величины 5 -ІО10 ом-см. Поэтому, без дополнительной влагозащиты эти материалы нельзя применять как ди­ электрик. Таким образом, только' незначительное коли­

135

чество изоляционных материалов может применяться без дополнительной влагозащнты (неполярные материалы и некоторые полярные). Остальные изоляционные ма­ териалы требуют дополнительной влагозащиты, которая обычно применяется при изготовлении элементов РЭА.

Для проводниковых материалов характерным яв­ ляется то, что при действии повышенной влажности про­ исходит изменение сечения проводника в результате окисления и коррозии материала. При этом удельное сопротивление поверхностного слоя отличается от удель­ ного сопротивления металла проводника. Кроме изме­ нения сечения проводника от коррозии, может иметь место электролиз проводника.

Проводниковые материалы в основном применяются в изделиях, у которых основным рабочим органом яв­ ляется обмотка: катушки контуров, связи и индуктив­ ности, дроссели высокой и низкой частоты, трансформа­ торы высокой и низкой частоты, проволочные постоянные резисторы, потенциометры и др. Для создания долго­ вечных изделий, работающих в условиях повышенной влажности, наряду с разработкой их оптимальной кон­ струкции необходим рациональный выбор материалов обмоточной проволоки, электроизолирующих покрытий, контактов, каркасов, пропиточных лаков и эмалей, а также материалов корпусов, элементов крепления и т. д. Для пропитки не рекомендуется применять растворы высокополимерных соединений со структурой молекул линейного типа высокой степени полимеризации, напри­ мер, эфироцеллюлозные лаки, так как они обладают высокой вязкостью и плохо проникают в поры материала. Обычно рекомендуется применять вещества с низкой степенью полимеризации или мономеры при условии их дополнительной полимеризации после пропитки. К таким лакам можно отнести феноло-формальдегидные, глифталевые, кремнийорганические и др. (см. табл. 13).

При выборе пропиточных и заливочных компаундов необходимо учитывать совместимость с конкретными материалами конструкции, химическую стойкость, жи­ знеспособность не менее 3—5 н, усадку при отвердении и др.

Наиболее широко применяют эпоксидные, полиэфир­ ные и кремнийорганические компаунды, а также мета­ криловые компаунды типа МБК. Эти компаунды яв­

136

ляются термореактивными. В последнее время для влагозащнты элементов и узлов и повышения их долговечно­ сти применяют литую изоляцию на основе комплекса термореактивных пропиточных и заливочных компаун­ дов. Наилучшими свойствами при действии повышенной влажности обладают эпоксидные и эпокситиоколовые компаунды, влажностные характеристики которых при­ ведены в табл. 21.

Компаунды типа МБК обладают высокой влаго- и водостойкостью, эластичностью, а их электроизоляцион­ ные свойства существенно зависят от режима полимери­ зации. Обычно с повышением температуры дополнитель­ ного прогрева и с увеличением его продолжительности электроизоляционные свойства улучшаются. При кон­ струировании элементов с последующей заливкой ком­ паундами МБК необходимо учитывать некоторые осо­ бенности. Например, в связи с повышенной эластич­ ностью полимеров МБК крепление трансформаторов, дросселей и других подобных деталей следует произво­ дить не по литой изоляции, а при помощи специальных металлических деталей. Для заливки, пропитки и обво­ лакивания некоторых видов высоковольтной аппара­ туры, в частности, для импульсных малоемкостных трансформаторов, рекомендуется применять стирольный компаунд КС-1, обладающий высокими электроизоля­ ционными свойствами и влагостойкостью после горячей полимеризации.

По сравнению с компаундами МБК у полимеров КС меньше значения tg б и е, значительно более высокая электрическая прочность и сравнительно небольшое изменение электроизоляционных свойств при введении минерального наполнителя. Недостатком компаунда КС-1 является пониженная морозостойкость, а также несовместимость его с медью, которая затрудняет поли­ меризацию компаунда.

В некоторых случаях пропитка и заливка не обеспе­ чивают необходимой влагостойкости изоляционных ма­ териалов, так как при применении пропиточных лаков не всегда обмотки заполняются пленкообразующим ве­ ществом. Иногда в материале имеются открытые поры, которые могут служить местами проникновения влаги. Это приведет к отдельным повреждениям монолитного слоя изоляционного материала. В связи с этим появ­

137

ляется необходимость в дополнительной влагозащите нанесением покровной изоляции. Покровные материалы должны образовывать твердое, блестящее покрытие, обладать хорошей адгезией, легко наноситься на изде­ лия и быстро высыхать. Основные свойства наиболее употребляемых влагостойких покровных лаков, таких как Э-4100, УР-231, СБ-ІС, ХСЛ и ВЛ-1, приведены в табл. 13, а влажностные характеристики — в табл. 20.

Метод нанесения покрытий зависит от типа элемента, производственных условий и марки лакокрасочного ма­ териала. Наиболее распространенными методами напы­ ления пластмасс являются: газопламенное, вихревое, струйное и напыление в электростатическом поле.

Самым высокопроизводительным методом влагоза­ щиты элементов и узлов является метод опрессовки, материалами для которого служат термопласты, и в ча­ стности полиэтилен высокого и низкого давления, поли­ амиды (смола П-68, поликапролактам), полиуретаны и резины. Из термопластов лучшей влагостойкостью, бо­ лее низкой температурой плавления, в сравнении с по­ лиамидами, и высокими электроизоляционными харак­ теристиками обладают полиуретаны (ПУ-1) и полиэти­ лен низкого давления (табл. 22).

Из резин лучшей влагостойкостью и электроизоля­ ционными характеристиками обладает резина С-572, которая обычно применяется и как влагозащитный, и как изоляционный материал, (например, в узлах сра­ щивания кабелей и проводов, а также в местах ввода кабеля в элемент).

Таким образом, в зависимости от назначения и кон­ структивного исполнения элемента или его функцио­ нального узла по влажностным характеристикам выби­ рается тот или иной изоляционный материал, а также материал и способ для влагозащиты изоляционных ма­ териалов. В некоторых случаях, в целях повышения электрической прочности изоляции, изоляционный ма­ териал помещается в среду с высокими электроизоля­ ционными свойствами. В качестве таких сред обычно используются природные и синтетические жидкие диэ­ лектрики (трансформаторное и конденсаторное масло, кремнийорганические жидкости и др.), а также большое количество газов с высокой электрической прочностью. Так, в замкнутом объеме элемента воздух повышенной

138

влажности заменяется на осушенный элегаз (гексофторид серы), обладающий высокими электрическими свой­ ствами, особенно при повышенных давлениях. При за­ мене воздуха в элементе на элегаз электрическая проч­ ность изоляционного материала увеличивается при­ мерно в 1,5 раза.

Следовательно, электрическая прочность изоляцион­ ного материала элемента или функционального узла может быть повышена помещением функционального узла элемента в среду с высокими электроизоляцион­ ными свойствами; нанесением на поверхность изоляцион­ ного материала покрытия с высокими влажностными характеристиками и электроизоляционными свойствами, дополнительной влагозащитой электроизоляции элек­ тродов функционального узла от внешней среды и элек­ тромонтажа элемента от электродов противоположной полярности путем заливки элемента отвердевающими компаундами. '

Материалы изоляции должны обеспечивать заданные электрические, физико-механические характеристики провода или кабеля при достаточно малой толщине изо­ ляции, высокую стабильность электрических, механи­ ческих и влажностных характеристик проводов, что является основной гарантией их долговечности и экс­ плуатационной надежности. Эти требования диктуются тем, что снижение веса и габаритов кабелей, являющееся существенным фактором прогресса в конструировании РЭА оказывается возможным только благодаря примене­ нию минимальных толщин изоляции. Поэтому в послед­ нее время вытесняются провода и кабели, изолирован­ ные резиной, технология наложения которой не позво­ ляет получить достаточно тонкую и высококачественную изоляцию. Стали широко применяться провода, изоли­ рованные пластмассами и имеющие высокие физико­ механические характеристики.

Приведенные данные по влажностным свойствам ор­ ганических материалов показывают, что некоторые из этих материалов могут обеспечить длительную влагоза­ щиту кабеля, так как проницаемость паров воды через эти материалы очень мала. Высокая стабильность изо­ ляции, как правило, позволяет при заданном уровне долговечности регламентировать более высокие значе­ ния основных параметров кабелей. Кроме того, неко­

139

торые органические материалы обладают и комплексом других необходимых свойств: малым удельным весом, высокой механической прочностью, гибкостью, эластич­ ностью, не подвержены коррозии, не разрушаются блуж­ дающими токами. Стабильность основных характери­ стик кабелей находится в прямой зависимости от каче­ ства наложения изоляции, что определяется техноло­ гичностью материала. Таким образом, при выборе изо­ ляции кабелей решающую роль играют не только элек­ трические, физико-механические и влажностные харак­ теристики, но и технологичность того или иного мате­ риала, обеспечивающая возможность наложения тонкого слоя изоляции при высокой стабильности основных ха­ рактеристик кабеля, а также возможность сращивания кабелей и проводов в процессе изготовления аппаратуры. Поэтому несмотря на то, что ассортимент изоляционных и влагозащитных материалов для кабельной техники достаточно широк, номенклатура материалов, приме­ няемых для изолирования и влагозащиты современных кабелей и проводов, относительно невелика. К таким материалам относятся полиэтилен, полихлорвинил и специальные кабельные влагостойкие пластикаты (табл. 21, 22). Рассматривая эти таблицы, можно заме­ тить, что эпоксидные компаунды с различными наполни­ телями обладают высокими влагозащитными свойствами.

Чтобы правильно выбрать материал влагозащитной оболочки, необходимо знать свойства изоляции кабеля или элемента, которую следует защищать от действия влаги.

Материалы, применяемые для влагозащиты функцио­ нальных узлов и элементов, должны обладать низкой влагопроницаемостыо, высокой электрической и меха­ нической прочностью, способностью конструктивно сое­ диняться с другими материалами, быть стойкими по от­ ношению к действию высоких и низких температур, коррозии и т. д. К сожалению, в настоящее время не существует органических полимерных материалов, пол­ ностью удовлетворяющих всем перечисленным требова­ ниям.

- Использование органических диэлектриков, которые принципиально влагопроницаемы и ограничивают срок службы элемента в зависимости от влажности окружаю­ щей среды, природы герметизирующего материала и

140

свойств защищаемого элемента, а также от принципиаль­ ных схем герметизации, приводит к необходимости тща­ тельного подбора материала.

Выбор герметизирующего материала, основным на­ значением которого является способность противостоять воздействию внешних физических факторов (влаге, теплу, холоду, изменению окружающего давления и т. д.) не­ обходимо производить по коэффициенту диффузии и влагопроницаемости.

Для герметизации неразъемных и разъемных непод­ вижных соединений применяются прокладочные и уп­ лотнительные материалы, которые должны обладать достаточной плотностью, упругостью, эластичностью, прочностью и влагонепроницаемостью, стойкостью к температурным воздействиям, определенной долговеч­ ностью при работе.

В основном применяются резины и герметики на ос­ нове жидких тиоколов, полисилаксанового каучука, кремнийорганического каучука и др. Герметики, резины и термопластичные пластмассы применяются для покры­ тия металлических деталей для защиты от коррозии, а также для защиты радиокомпонентов от влажности ок­ ружающей среды.

В гл. 2 показано, что для органических полимерных материалов характерна так называемая активированная сорбция, т. е. непосредственное внедрение в процессе теплового движения молекул воды в промежутки между молекулами полимера, имеющими размеры в 100 раз больше, чем молекулы воды. Этот процесс может быть

Обычно предполагают, что скорость прохождения паров воды через оболочку определяется скоростью диффузии, поэтому могут быть использованы основные уравнения диффузии (гл. 3). Влажностные характери­ стики основных герметизирующих материалов приведены в табл. 21 и 22.

Рациональность конструкции влагозащитной поли­ мерной оболочки определяется временем эффективной влагозащиты, которое рассчитывается из влажностных характеристик материала оболочки. Следовательно, ис­ пользование материалов, имеющих низкие коэффици­

141

енты влагопроницаемости, диффузии влаги через мате­ риал несомненно удлиняет срок службы конструкции. При выборе определенной толщины герметизирующего покрытия можно обеспечить сохранность рабочих свойств в течение эксплуатационного периода работы элемента.

16. Методырасчета показателей долговечности элементов РЭА

Все методы расчета показателей долговечности можно разделить на два вида: поверочные методы расчета и методы расчета на заданную долговечность. Кроме того, эти виды могут быть приближенными (ориентировоч­ ными), опирающимися на простейшую математическую модель, или полными, учитывающими влияние зависи­ мости функциональных узлов, режимы работы элемен­ тов и другие факторы.

Приближенный поверочный расчет долговечности элементов

Обычно для приближенного расчета показателей долговечности модель строят в предположении, что ус­ ловная интенсивность отказов постоянна, т. е. функция плотности / (і/у) является экспоненциальной. В этих случаях описанная в гл. 1 структура расчета временных составляющих срока службы элементов применяется к совокупности новых элементов, а функция плотности характеризует время до первого отказа. Учет процесса восстановления отказавших функциональных узлов по­ зволит получить полную картину долговечности эле­ мента. При этом необходимо отметить, что процесс вос­ становления зависит от того, устраняется полностью причина отказа или она остается.

Устранение причины отказа возможно в том случае, если отказ возникает в результате дефекта или ошибки при производстве. Если отказ вызван неисправностью узла преобразования энергии, причем процесс восста­ новления состоит в замене элемента новым и, следова­ тельно, имеющим ту же вероятность отказа, то считают, что имеет место тот случай, когда причина отказа ос­ тается.

Для рассмотрения модели неоднородности совокуп­ ности определенного класса элементов, когда каждый

142

функциональный узел имеет постоянную интенсивность отказа, причем функциональные узлы элемента не вос­ станавливаются, необходимо сделать следующие допу­ щения:

1.Для каждого отдельного функционального узла элемента время до отказа имеет экспоненциальную плот­ ность распределения с параметром Я.

2.Элементы совокупности определенного класса фи­ зически неразличимы, но имеют различные Я. Априор­ ная плотность распределения величины Я для данного элемента, имеющего герметизирующую оболочку из по­ лимерного материала, совокупности определенного класса (резисторы, конденсаторы и др.) есть двухпара­

С учетом того, что гамма-функция плотности вели­ чины определяется выражением

а (a‘k)h- 'e - aX

где а > 0; Ь >0. Тогда безусловная плотность распре­ деления долговечности

ПІа,ь)=і U - %lh{Xa,b)d%.

о

Интегрируя это выражение, получим

Интенсивность отказов этой плотности распределе­ ния имеет гиперболический вид и монотонно убывает:

На основании этого зависимость между интенсив­ ностью воздействия f (Р, Ѳ, Z, С), вызывающего посте­ пенное снижение срока службы функционального узла, и средним сроком службы элемента, в течение которого происходит постепенное проникновение влаги внутрь

143