Figura 1.Crăparea întârziată în ghivece epoxidice inițiază de obicei la marginile componentelor și la ieșirile de plumb - nu la suprafața exterioară. Ansamblul trece toate testele inițiale; defecțiunea apare după 50–200 de cicluri termice în funcțiune.
Ansamblul trece toate testele de calificare. Bună-pot: trece. Inspecție vizuală: curat. Șoc termic la –40 de grade până la +85 grade, 50 de cicluri: trece. Se livrează. Paisprezece luni mai târziu, primele retururi de câmp sosesc - fisuri la nivelul interfeței de ghiveci-la-carcasă, delaminare la punctele de ieșire de plumb, deschideri intermitente pe unitățile care au măsurat curat la expediere. Echipa de ingineri solicită-secțiuni transversale. Fisurile sunt în ghivece epoxidice, nu în componente. Programul de vindecare din fișa de producție este listat corect. Materialul nu s-a schimbat. Investigația se încheie ca „oboseală materială - în cadrul variabilității estimate a duratei de viață”.
Nu este oboseală materială. Este stresul rezidual, stabilit în timpul întăririi, care nu a fost niciodată măsurat și nu a apărut niciodată în secvența de calificare - deoarece calificarea nu includea ciclurile termice necesare pentru eliberarea acestuia.Crăparea întârziată în ghivece epoxidice cu secțiune groasă-este aproape întotdeauna un defect al procesului de întărire, nu un defect material. Fisura este creată în timpul întăririi. Apare pe teren.
Mecanismul exotermic: de ce secțiunile groase se vindecă diferit de cele subțiri
Legătura încrucișată-epoxidice este o reacție exotermă. Când rășina și întăritorul se combină și amestecul este expus la căldură, reacția generează propria căldură în plus față de absorbția căldurii din cuptor. Într-un eșantion subțire - tipul utilizat pentru testarea materialelor UL - căldura generată de sine se disipă rapid în atmosfera cuptorului prin raportul suprafață mare-la-volum. Temperatura eșantionului urmărește îndeaproape valoarea de referință a cuptorului pe tot parcursul ciclului de întărire.
Într-o secțiune groasă în ghiveci - un miez de transformator cu o turnare de 20 mm, un modul de putere cu o adâncime de umplere de 25 mm - raportul suprafață-la-volum este mult mai mic. Căldura din reacția exotermă de la miezul secțiunii are o cale lungă de difuzie la suprafață, iar rășina din jur care nu a reacționat încă complet acționează ca izolație termică. Temperatura la miez depășește valoarea de referință a cuptorului. Într-o singură etapă de polimerizare de 120 de grade a unei secțiuni de 20 mm, temperaturile la miez de 140–165 de grade nu sunt neobișnuite, chiar și atunci când cuptorul este setat la 120 de grade și suprafața piesei măsoară 120 de grade cu un termocuplu de suprafață.
Această depășire contează, deoarece rata de legături{0}}încrucișate crește brusc odată cu temperatura. Miezul secțiunii, care rulează cu 20-45 de grade deasupra punctului de referință al cuptorului, își finalizează legătura încrucișată primară-considerabil mai rapid decât materialul exterior. Rețeaua de legături încrucișate din nucleu este efectiv „înghețată” în poziție în timp ce straturile exterioare încă reacţionează. Când ansamblul se răcește după întărire, ambele regiuni se contractă termic - dar se contractă din puncte de pornire diferite și cu rate diferite, deoarece miezul este deja un solid sticlos rigid, în timp ce straturile exterioare își completează formarea rețelei.
Rezultatul este o stare de tensiune blocată-în partea complet întărită: efort rezidual de tracțiune în materialul exterior și efort rezidual de compresiune în miez. Aceasta nu este o ipoteză - este un fenomen bine-caracterizat în prelucrarea cu secțiune groasă-termosetă, analog tensiunii reziduale din sticla stinsă rapid.
Figura 2.Într-o întărire cu o singură etapă de 120 de grade a unei secțiuni de 20 mm, temperatura miezului depășește în mod obișnuit valoarea de referință a cuptorului cu 20-45 de grade în timpul exotermei de legătură încrucișată. Profilul în două-etape limitează această depășire prin inițierea legăturii-încrucișate la 80 de grade înainte ca treapta de temperatură-mai ridicată să fie aplicată.
De ce ansamblul trece testarea inițială
Figura 3.După o singură etapă de întărire la temperatură-înaltă-, secțiunea întărită prezintă o stare de tensiune blocată-: tensiune reziduală în straturile exterioare, compresie reziduală în miez. Această stare de solicitare se adaugă la solicitarea termică ciclică în funcționare, accelerând inițierea fisurilor de oboseală.
Tensiunea de tracțiune reziduală din materialul de ghiveci exterior dintr-o întărire cu o singură etapă de secțiune groasă-este de obicei sub rezistența maximă la tracțiune a epoxidului la temperatura camerei. Piesa complet întărită nu se crăpă în timpul întăririi - sau, dacă o face, micro-fisurile sunt sub pragul de detectare al inspecției vizuale. Testarea înaltă-pot la trecerea tensiunii nominale, deoarece rezistența dielectrică efectivă a matricei ușor solicitate nu este semnificativ diferită de referința netensionată.
Problema se dezvăluie sub ciclul termic, iar mecanismul este simplu: fiecare ciclu termic de la temperatură scăzută la temperatură ridicată generează tensiuni ciclice de tracțiune și compresiune în materialul de ghiveci, cauzate de nepotrivirea CTE dintre epoxid, componentele încorporate și carcasă. La locurile de concentrare a tensiunii - colțurile, marginile componentelor, punctele de ieșire ale conductoarelor și interfața-la-carcasă -, amplitudinea tensiunii ciclice este cea mai mare. Tensiunea de tracțiune reziduală de la întărire se adaugă direct la solicitarea ciclică de tracțiune în aceste locații, deoarece ambele sunt tensiuni de tracțiune care acționează în aceeași direcție în timpul fazei de încălzire a ciclului termic.
Amplitudinea tensiunii combinată - efort rezidual de întărire plus solicitarea termică ciclică - poate fi încă sub rezistența la tracțiune finală a epoxidului în primul ciclu. Acesta atinge pragul de inițiere a fisurii de oboseală după un număr de cicluri care depinde de mărimea tensiunii reziduale specifice, nepotrivirea CTE, amplitudinea ciclului termic și geometria concentratorului de tensiuni. Acesta este motivul pentru care defecțiunea apare după 50-200 de cicluri, nu la testarea inițială. Nu este degradarea materialului în timp - este acumularea de stres până la un prag.
De ce acest eșec este identificat greșit în mod sistematic
Atunci când o investigație a eșecului pe teren găsește fisuri în materialul de ghiveci epoxidic, sunt frecvente mai multe identificări greșite:
„Oboseala materială”- epoxidul a eșuat la oboseală, ceea ce înseamnă că materialul a fost inadecvat pentru aplicare. Mecanismul real este acumularea de stres dintr-o combinație de stres rezidual de întărire și stres termic ciclic. Trecerea la un alt material epoxidic fără modificarea procesului de întărire va reproduce defecțiunea, deoarece mecanismul tensiunii reziduale este dependent de proces-, nu de material-.
„Daune prin șoc termic”- ansamblul a fost expus la un eveniment termic neobișnuit de sever. Acest lucru este uneori adevărat, dar modelele de fisuri de la șocul termic inițiază de obicei la suprafața exterioară și se propagă spre interior. Fisurile de tensiune reziduală inițiază de obicei la caracteristicile geometriei interne (marginile componentelor, ieșirile de plumb) și se propagă spre exterior. Locația originii fisurii distinge cele două mecanisme pe-secțiune transversală.
„Aderență insuficientă la ghiveci”- epoxidul nu s-a lipit bine de substrat sau carcasă. Delaminarea la interfața carcasei-de ghiveci poate rezulta din pregătirea inadecvată a suprafeței, dar poate rezulta și din cauza tensiunii de tracțiune reziduale care depășește rezistența interfațală a legăturii. Acesta din urmă nu necesită nicio eroare de pregătire a suprafeței - apare pe suprafețe curate, corect pregătite atunci când efortul rezidual este suficient de mare.
"Calitatea componentelor"- a eșuat o reziliere a unei componente. În cazurile în care fisura se propagă la o interfață de componentă, aspectul fisurii poate fi identificat greșit ca o defecțiune a componentei. Analiza-secțiunii transversale distinge între o fisură care a început la componentă și una care s-a propagat la aceasta din epoxidul din jur.
În majoritatea acestor identificări greșite, înregistrarea procesului de vindecare nu este revizuită ca parte a investigației eșecului. Programul de întărire afișat în documentul de producție se potrivește cu specificația -, deoarece specificația afișează punctul de referință al cuptorului și durata programată, nu temperatura atinsă efectiv la miezul secțiunii în ghivece. Mecanismul de stres rezidual este invizibil în evidența producției.
Profilul de vindecare în două-etape: cum reduce stresul rezidual
Profilul de vindecare în două-etape abordează mecanismul exoterm direct, împărțind reacția de-reticulare în două etape controlate:
Etapa 1 la 80 de gradeinițiază reacția de reticulare-la o temperatură mai scăzută, unde viteza de reacție este mai lentă și generarea de căldură exotermă pe unitatea de timp este mai mică. La 80 de grade, sistemul începe să creeze o densitate de legătură încrucișată - suficient pentru a preveni accelerarea rapidă a vitezei de reacție care ar avea loc dacă sistemul ar fi expus imediat la 120 de grade. Viteza de reacție inițială mai mică reduce exoterma generată de sine, menținând temperatura centrală mai aproape de punctul de referință al cuptorului. Densitatea legăturilor încrucișate se dezvoltă mai uniform pe toată adâncimea secțiunii în timpul etapei 1.
Etapa 2 la 120 de gradeapoi conduce sistemul la vindecare completă. Până la începerea Etapei 2, rețeaua Etapei 1 a dezvoltat deja suficientă rigiditate pentru a limita exoterma suplimentară în timpul Etapei 2. Legătura încrucișată rămasă are loc într-o rețea care este parțial constrânsă de structura Etapei 1, iar diferența de temperatură dintre miez și suprafață în timpul Etapei 2 este substanțial redusă în comparație cu un singur grad{7}120.
Rezultatul este o secțiune întărită cu efort rezidual de tracțiune mai mic în materialul exterior. Ansamblul are încă o tensiune reziduală - fără proces de întărire îl elimină în întregime - dar amploarea este suficient de redusă încât amplitudinea combinată a tensiunii reziduale plus solicitarea termică ciclică să rămână sub pragul de inițiere a fisurilor de oboseală pentru o durată de viață semnificativ mai lungă.
Acesta nu este un argument teoretic. Se observă empiric: ansamblurile care au suferit crăpare întârziată cu o singură-întărire la 120 de grade pe același material de ghiveci au arătat o durată de viață extinsă după trecerea la un profil în două-etape, fără a modifica materialul, geometria sau orice alt parametru de proces. Programul de vindecare este variabila.
Decalajul critic în testele de calificare
Secvențele standard de testare de calificare pentru ansambluri cu ghivece includ de obicei un număr limitat de cicluri termice - 50 până la 100 de cicluri este obișnuit în standardele IEC și UL pentru categoriile de echipamente specifice. Un ansamblu în ghiveci cu secțiune groasă-cu efort rezidual dintr-o întărire într-o singură etapă-poate trece 50 sau chiar 100 de cicluri termice înainte ca solicitarea cumulativă să atingă pragul de inițiere a fisurii. Când defecțiunea are loc la 150–200 de cicluri de funcționare - care pot corespunde la 12–18 luni de funcționare la unul sau două cicluri termice pe zi - secvența de calificare nu a expus-o.
Acesta este un decalaj sistematic: calificarea a fost efectuată corect, testul a trecut, dar modul de eșec funcționează pe o scară de ciclu mai lungă decât acoperă testul. Proiectele în care procesul de întărire introduce stres rezidual necesită fie o secvență mai lungă a ciclului termic de calificare, fie un proces de întărire care reduce stresul rezidual la un nivel în care numărul ciclului de calificare standard este cu adevărat predictiv pentru durata de viață.
Profilul de întărire în două-etape reduce mărimea tensiunii reziduale, ceea ce reduce amplitudinea totală a tensiunii pe ciclu. Acest lucru, combinat cu același număr de cicluri termice în secvența de calificare, oferă mai degrabă o asigurare autentică decât o asigurare care este limitată de incapacitatea testului de a dezvălui modul de defecțiune.
Identificarea dacă un design actual este în pericol
Următoarele condiții de proiectare și proces indică un risc crescut de stres rezidual în ghivece epoxidice cu secțiune groasă-:
Adâncimea secțiunii de ghiveci depășește 10 mm în orice dimensiune.
Programul actual de vindecare este într-o singură{0}}etapă la 100 de grade sau mai mult.
Nu este înregistrată nicio monitorizare prin termocuplu a temperaturii miezului în timpul întăririi - este înregistrată numai temperatura aerului de suprafață sau cuptor.
Istoricul defecțiunilor arată fisuri care apar după mai multe cicluri termice în funcțiune, ansamblurile trecând inspecția inițială.
Locațiile de origine a fisurilor pe-secțiunea transversală sunt la marginile componentelor, la ieșirile de plumb sau la caracteristicile geometriei interne -, nu la suprafața exterioară.
Numărul de cicluri termice de calificare a fost de 50 de cicluri sau mai puțin, iar durata de viață este de așteptat să implice 200 sau mai multe cicluri termice.
Un pas practic de verificare este producerea probelor de testare la grosimea efectivă a secțiunii de producție și programul de întărire, încorporarea unui termocuplu în centrul secțiunii și înregistrarea profilului real al temperaturii miezului în timpul întăririi. Dacă temperatura miezului depășește semnificativ valoarea de referință a cuptorului în timpul fazei de interconectare, mecanismul de exotermă este activ și se generează stres rezidual.
HDT, Tg și RTI: proprietățile termice care definesc anvelopa de funcționare
Un profil de întărire în două-etape, executat corespunzător, produce un material întărit cu proprietățile termice nominale complete: Tg 117,8 grade conform TMA (ASTM E831), HDT 130 grade , RTI 130 grade conform fișierului UL E120665. Aceste valori definesc anvelopa de operare pentru ansamblul întărit:
Tg 117,8 grade- temperatura de tranziție sticloasă măsurată prin analiză termomecanică; utilizați acest lucru pentru calculele bugetului CTE și analiza stabilității dimensionale. Peste Tg, CTE crește de la 49,772 ppm/grad (1, sub Tg) la 148,482 ppm/grad (2, peste Tg) - aproximativ o creștere de 3 ori.
HDT 130 de grade- temperatura la care materialul întărit se deviază sub o sarcină standard de 1,8 MPa; utilizați acest lucru pentru încărcările mecanice-la temperatură ridicată.
RTI 130 de grade- Evaluarea UL pentru păstrarea continuă a proprietăților electrice și mecanice; proiectele care necesită service continuu peste 90 de grade care sunt în afara evaluării E532/H532 (RTI 90 de grade) se încadrează în clasificarea E536/H536.
Aceste valori ale proprietăților termice sunt atinse numai atunci când întărirea în două-etape este finalizată corespunzător. Un ansamblu care a primit doar Etapa 1 - sau Etapa 1 la o temperatură insuficientă - va avea Tg și HDT sub aceste valori. Specimenele martor vindecate împreună cu loturile de producție și testate pentru HDT oferă o verificare practică a procesului: un HDT măsurat substanțial sub 130 de grade indică o întărire incompletă de Etapa 2.
Produs similar pentru ghiveci cu secțiune groasă-cu control al stresului de întărire
E536/H536 este un compus de ghiveci epoxidic cu două-componente, UL 94 V{-0-ignifug-, conceput special pentru aplicații cu secțiuni groase-în care tensiunea de întărire este mecanismul principal de eroare. Profilul său de întărire în două etape (80 grade × 2 ore + 120 grade × 4 ore) limitează exoterma de bază în timpul Etapei 1 și realizează dezvoltarea completă a proprietății în Etapa 2. RTI 130 grade, HDT 130 grade, Shore D 89 și grosime minimă certificată UL de 1.745 mm (negru) E120665.
Nu este adecvat pentru aplicații care necesită o conductivitate termică peste 0,5 W/m·K (utilizați E533/H533 pentru asta) sau pentru medii de producție cu întărire la temperatura camerei (utilizați E532/H532 pentru asta). Profilul de întărire în două-etape necesită capacitatea cuptorului atât la 80 de grade, cât și la 120 de grade, cu rampă și timpi de reținere controlați.
→ 🔗Pagina produsului E536/H536 - Date tehnice, Raport de testare TMA, Note de aplicare
Întrebări cheie de inginerie
Cum știu dacă ansamblul meu actual are stres rezidual din procesul de întărire?
Metoda directă este de a încorpora un termocuplu în centrul secțiunii de ghiveci și de a înregistra temperatura centrală în timpul întăririi. Dacă temperatura centrală depășește valoarea de referință a cuptorului cu mai mult de 10-15 grade în timpul fazei de reticulare, se generează stres rezidual. Metoda indirectă este de a efectua cicluri termice accelerate la un număr de cicluri semnificativ mai mare decât secvența de calificare (de exemplu, 500 de cicluri) și de a verifica locurile de inițiere a fisurilor. Fisurile care inițiază la caracteristicile geometriei interne mai degrabă decât la suprafața exterioară sunt în concordanță cu stresul rezidual ca motor.
Dacă trec de la o singură{0}}etapă la una în două-etape pe ansamblul meu existent, trebuie să mă recalific?
În majoritatea cazurilor, da - cel puțin, modificarea procesului de întărire ar trebui să fie reflectată în specificația procesului de producție și validată pe eșantioanele de testare pentru a confirma că proprietățile întărite îndeplinesc cerințele de proiectare. Pentru ansamblurile care fac parte dintr-un produs final listat UL-, modificarea programului de întărire a compusului de ghiveci poate declanșa o notificare sau o cerință de reevaluare cu organismul de înregistrare. Acest lucru ar trebui confirmat înainte de implementarea modificării procesului. Validarea ar trebui să includă ciclul termic la un număr de cicluri suficient pentru a confirma că modul de defecțiune care a apărut în programul de vindecare anterior nu apare pe cel nou.
Tensiunea reziduală poate fi măsurată ne-distructiv pe ansamblurile finite?
Măsurarea ne-distructivă a tensiunii reziduale în epoxidice este posibilă din punct de vedere tehnic utilizând tehnici precum fotoelasticitatea sau micro-spectroscopia Raman, dar acestea nu sunt instrumente de producție de rutină. Analiza distructivă-secțiunii transversale urmată de inspecția microscopică a fisurilor este mai practică pentru verificarea producției. Cel mai accesibil instrument de verificare a producției este specimenul martor: o mostră întărită produsă simultan cu fiecare lot de producție, depozitată și testată periodic prin cicluri termice și inspecție-secțională transversală. Abaterea în specimenul martor prezice, dar nu garantează, ceea ce este prezent în lotul de producție.
Următorii pași - Contactați Fong Yong Chemical
