Фигура 1.Забавеното напукване при заливане с епоксидна смола обикновено започва от ръбовете на компонентите и изходите -, а не от външната повърхност. Монтажът преминава всички първоначални тестове; повредата се появява след 50–200 термични цикъла в експлоатация.
Монтажът преминава всички тестове за квалификация. Здравей-пот: пропуск. Визуална проверка: чисто. Термичен удар при –40 градуса до +85 градуса, 50 цикъла: издържа. Изпраща се. Четиринадесет месеца по-късно пристигат първите полеви връщания - пукнатини по линията на гърнето-към-корпуса, разслояване в изходните точки на оловото, периодични отваряния на модули, които са измерени чисти при изпращане. Инженерният екип изисква напречни-разрези. Пукнатините са в епоксидната заливка, а не в компонентите. Графикът на втвърдяване в производствения запис е посочен правилно. Материалът не е променен. Разследването приключва като „умора на материала - в рамките на променливостта на очаквания експлоатационен живот“.
Това не е умора на материала. Това е остатъчното напрежение, зададено по време на втвърдяването, което никога не е било измервано и никога не се е появявало в последователността на квалификацията -, тъй като квалификацията не включва топлинните цикли, които са били необходими за освобождаването му.Забавеното напукване при епоксидно запълване с дебел-секция почти винаги е дефект в процеса на втвърдяване, а не дефект на материала. Пукнатината се създава по време на втвърдяване. Появява се в полето.
Екзотермичният механизъм: Защо дебелите участъци се втвърдяват по различен начин от тънките
Епоксидното кръстосано -свързване е екзотермична реакция. Когато смолата и втвърдителят се комбинират и сместа е изложена на топлина, реакцията генерира собствена топлина в допълнение към абсорбирането на топлина от пещта. В тънък образец - типът, използван за UL изпитване на материали - самостоятелно-генерираната топлина се разсейва бързо в атмосферата на пещта чрез голямото съотношение на повърхността-към-обема. Температурата на образеца следи точно зададената точка на пещта през целия цикъл на втвърдяване.
В дебела гърнеста секция - трансформаторна сърцевина с 20 mm излив, захранващ модул с 25 mm дълбочина на пълнене - съотношението повърхност-към-обема е много по-ниско. Топлината от екзотермичната реакция в сърцевината на секцията има дълъг дифузионен път към повърхността, а околната смола, която все още не е реагирала напълно, действа като топлоизолация. Температурата в сърцевината надвишава зададената точка на фурната. При едно-етапно 120-градусово втвърдяване на 20 mm секция, температури в сърцевината от 140–165 градуса не са необичайни, дори когато пещта е настроена на 120 градуса и повърхността на частта измерва 120 градуса с повърхностна термодвойка.
Това превишаване има значение, тъй като скоростта на кръстосано-свързване нараства рязко с температурата. Сърцевината на секцията, движеща се на 20–45 градуса над зададената точка на фурната, завършва своето първично кръстосано -свързване значително по-бързо от външния материал. Мрежата с кръстосани-връзки в ядрото е ефективно „замразена“ на място, докато външните слоеве все още реагират. Когато сглобката се охлади след втвърдяване, и двата региона се свиват термично -, но се свиват от различни начални точки и с различни скорости, тъй като сърцевината вече е твърдо стъкловидно твърдо вещество, докато външните слоеве завършват своето мрежово образуване.
Резултатът е заключено-напрегнато състояние в напълно втвърдената част: остатъчно напрежение на опън във външния материал и остатъчно напрежение на натиск в сърцевината. Това не е хипотеза - това е добре-охарактеризирано явление при термореактивна обработка с дебели-профили, аналогично на остатъчното напрежение при бързо закалено стъкло.
Фигура 2.При едно-етапно 120-градусово втвърдяване на 20 mm секция, температурата в сърцевината рутинно надвишава зададената точка на пещта с 20–45 градуса по време на екзотермично -свързване. Дву{7}}етапният профил ограничава това превишаване чрез иницииране на кръстосано-свързване при 80 градуса, преди да се приложи по-високо{10}}температурният етап.
Защо монтажът преминава първоначалното тестване
Фигура 3.След едно-етапно високо{1}}температурно втвърдяване, втвърдената секция носи заключено-напрегнато състояние: остатъчно напрежение във външните слоеве, остатъчна компресия в сърцевината. Това състояние на напрежение добавя към цикличното топлинно напрежение по време на експлоатация, ускорявайки образуването на пукнатини от умора.
Остатъчното напрежение на опън във външния запълващ материал от едно-етапно втвърдяване-секция обикновено е под крайната якост на опън на епоксида при стайна температура. Напълно втвърдената част не се напуква по време на втвърдяването - или ако това се случи, микро-пукнатините са под прага на откриване при визуална проверка. Изпитването на Hi-pot при номинално напрежение преминава, тъй като ефективната диелектрична якост на леко напрегнатата матрица не се различава значително от ненапрегнатата еталонна.
Проблемът се разкрива при термични цикли и механизмът е ясен: всеки термичен цикъл от ниска температура до висока температура генерира циклично напрежение на опън и натиск в материала за запълване, движено от несъответствието на CTE между епоксида, вградените компоненти и корпуса. В местата на концентрация на напрежение - ъглите, ръбовете на компонентите, изходните точки на проводника и интерфейса-към-корпуса - амплитудата на цикличното напрежение е най-висока. Остатъчното напрежение на опън от втвърдяването се добавя директно към цикличното напрежение на опън в тези места, тъй като и двете са напрежения на опън, които действат в една и съща посока по време на фазата на нагряване на термичния цикъл.
Комбинираната амплитуда на напрежение - остатъчно напрежение при втвърдяване плюс цикличен термичен стрес - все още може да бъде под крайната якост на опън на епоксида при първия цикъл. Той достига прага на възникване на пукнатини от умора след редица цикли, които зависят от специфичната величина на остатъчното напрежение, несъответствието на CTE, амплитудата на термичния цикъл и геометрията на концентратора на напрежение. Ето защо повредата се появява след 50–200 цикъла, а не при първоначалното тестване. Това не е разграждане на материала с течение на времето -, а натрупване на напрежение до определен праг.
Защо тази повреда систематично се идентифицира погрешно
Когато разследване на повреда на място открие пукнатини в епоксиден заливъчен материал, често се срещат няколко погрешни идентифицирания:
"Умора на материала"- епоксидът се повреди поради умора, което означава, че материалът е неподходящ за приложението. Действителният механизъм е натрупване на напрежение от комбинация от остатъчен стрес при втвърдяване и цикличен топлинен стрес. Смяната на различен епоксиден материал без промяна на процеса на втвърдяване ще възпроизведе повредата, тъй като механизмът на остатъчното напрежение зависи-от процеса, а не от материала-.
„Повреда от термичен шок“- модулът беше изложен на необичайно силно топлинно събитие. Това понякога е вярно, но моделите на пукнатини от термичен шок обикновено започват от външната повърхност и се разпространяват навътре. Пукнатините от остатъчно напрежение обикновено започват при вътрешни геометрични елементи (ръбове на компоненти, изходни отвори) и се разпространяват навън. Местоположението на произхода на пукнатината разграничава двата механизма в напречното-сечение.
„Недостатъчна адхезия в саксията“- епоксидът не се залепи добре към субстрата или корпуса. Деламинацията в интерфейса на корпуса за запълване- може да е резултат от неадекватна подготовка на повърхността, но може също така да е резултат от остатъчното напрежение на опън, превишаващо якостта на междуфазното свързване. Последното не изисква грешка при подготовката на повърхността - възниква при чисти, правилно подготвени повърхности, когато остатъчното напрежение е достатъчно високо.
"Качество на компонента"- неуспешно водещо или прекратяване на компонент. В случаите, когато пукнатината се разпространява към интерфейс на компонент, появата на пукнатина може да бъде идентифицирана погрешно като повреда на компонент. Анализът на напречното сечение прави разлика между пукнатина, която е започнала в компонента, и тази, която се е разпространила към него от околната епоксидна смола.
При повечето от тези погрешни идентификации записът на процеса на лечение не се преглежда като част от разследването на повредата. Графикът за втвърдяване, посочен в производствения пътник, съответства на спецификацията -, тъй като спецификацията изброява зададената точка на пещта и програмираната продължителност, а не температурата, действително постигната в сърцевината на секцията с гърне. Механизмът на остатъчното напрежение е невидим в производствения запис.
Дву{0}}профилът на втвърдяване: как намалява остатъчния стрес
Дву{0}}профилът на втвърдяване адресира директно екзотермичния механизъм, като разделя реакцията на кръстосано-свързване на два контролирани етапа:
Етап 1 при 80 градусаинициира реакцията на кръстосано{0}}свързване при по-ниска температура, където скоростта на реакцията е по-бавна и екзотермичното генериране на топлина за единица време е по-ниско. При 80 градуса системата започва да изгражда насрещна -плътност на връзките -, достатъчна, за да предотврати бързото ускоряване на скоростта на реакция, което би възникнало, ако системата незабавно бъде изложена на 120 градуса. По-ниската първоначална скорост на реакция намалява само-генерираната екзотермична реакция, поддържайки температурата в сърцевината по-близо до зададената точка на пещта. Плътността на кръстосаните -връзки се развива по-равномерно по дълбочината на сечението по време на етап 1.
Етап 2 при 120 градусаслед това задвижва системата до пълно излекуване. Докато започне Етап 2, мрежата от Етап 1 вече е развила достатъчно твърдост, за да ограничи допълнителната екзотермия по време на Етап 2. Оставащото кръстосано-свързване се случва в мрежа, която е частично ограничена от структурата на Етап 1, а температурната разлика между сърцевината и повърхността по време на Етап 2 е значително намалена в сравнение с един-етап на 120-градусово втвърдяване.
Резултатът е втвърден участък с по-ниско остатъчно напрежение на опън във външния материал. Сглобката все още има известно остатъчно напрежение - без процес на втвърдяване го елиминира напълно -, но величината е намалена достатъчно, така че комбинираната амплитуда на остатъчното напрежение плюс цикличното термично напрежение остава под прага за възникване на пукнатини от умора за значително по-дълъг експлоатационен живот.
Това не е теоретичен аргумент. Наблюдава се емпирично: възли, които са претърпели забавено напукване с едно-етапно 120-градусово втвърдяване върху същия запълващ материал, са показали удължен експлоатационен живот след преминаване към дву-етапен профил, без промяна на материала, геометрията или който и да е друг параметър на процеса. Схемата за лечение е променливата.
Критичната празнина в квалификационните тестове
Стандартните последователности от тестове за квалификация за монтажни комплекти обикновено включват ограничен брой термични цикли - 50 до 100 цикъла са обичайни в стандартите IEC и UL за специфичните категории оборудване. Дебело{3}}сглобка от гърне с остатъчно напрежение от едно-етапно втвърдяване може да премине 50 или дори 100 термични цикъла, преди кумулативното напрежение да достигне прага за възникване на пукнатини. Когато повредата възникне при 150–200 цикъла в експлоатация -, което може да съответства на 12–18 месеца работа при един или два термични цикъла на ден - последователността на квалификация не го изложи.
Това е систематична празнина: квалификацията е извършена правилно, тестът е преминал, но режимът на неуспех работи в по-дълъг мащаб на цикъла, отколкото покрива тестът. Проекти, при които процесът на втвърдяване въвежда остатъчно напрежение, изискват или по-дълга квалификационна последователност от термични цикли, или процес на втвърдяване, който намалява остатъчното напрежение до ниво, при което стандартният брой на квалификационните цикли е наистина предсказващ експлоатационния живот.
Дву{0}}етапният профил на втвърдяване намалява величината на остатъчното напрежение, което намалява общата амплитуда на напрежението за цикъл. Това, съчетано със същия брой термични цикли в последователността на квалификацията, осигурява истинска увереност, а не увереност, която е ограничена от неспособността на теста да разкрие режима на повреда.
Идентифициране дали текущият дизайн е изложен на риск
Следните условия на проектиране и процес показват повишен риск от остатъчно напрежение при епоксидно заливане с дебел-разрез:
Дълбочината на заливката надвишава 10 mm във всяко измерение.
Текущият график за втвърдяване е един-етап при 100 градуса или повече.
Не се наблюдава термодвойка на температурата в сърцевината по време на втвърдяване - се записва само повърхностна температура или температура на въздуха в пещта.
Историята на неизправностите показва пукнатини, появяващи се след многократни термични цикли в експлоатация, като модулите преминават първоначална проверка.
Местоположенията на произхода на пукнатините в напречното-сечение са по ръбовете на компонентите, изходите на изводите или вътрешните геометрични елементи -, а не по външната повърхност.
Броят на квалификационните термични цикъла е 50 цикъла или по-малко, а експлоатационният живот се очаква да включва 200 или повече термични цикъла.
Практическа стъпка за проверка е да се произведат тестови образци с действителната производствена дебелина на секция и график на втвърдяване, вграждане на термодвойка в центъра на секция и записване на действителния температурен профил на сърцевината по време на втвърдяване. Ако температурата в сърцевината значително надвишава зададената точка на пещта по време на фазата на кръстосано -свързване, екзотермичният механизъм е активен и се генерира остатъчно напрежение.
HDT, Tg и RTI: Термичните свойства, които определят работната обвивка
Дву{0}}етапен профил на втвърдяване, правилно изпълнен, произвежда втвърден материал с пълни номинални термични свойства: Tg 117,8 градуса по TMA (ASTM E831), HDT 130 градуса, RTI 130 градуса под UL файл E120665. Тези стойности определят работната обвивка за втвърдения възел:
Tg 117,8 градуса- температурата на встъкляване, измерена чрез термомеханичен анализ; използвайте това за изчисления на бюджета на CTE и анализ на стабилността на размерите. Над Tg КТР нараства от 49,772 ppm/градус (1, под Tg) до 148,482 ppm/градус (2, над Tg) - приблизително 3 пъти увеличение.
HDT 130 градуса- температурата, при която втвърденият материал се огъва при стандартно натоварване от 1,8 MPa; използвайте това за механично{2}}поемане на натоварване при повишена температура.
RTI 130 градуса- Рейтинг на UL за непрекъснато запазване на електрическите и механичните свойства; дизайни, изискващи непрекъснато обслужване над 90 градуса, които са извън рейтинга на E532/H532 (RTI 90 градуса), са в рамките на рейтинга на E536/H536.
Тези стойности на термичните свойства се постигат само когато дву{0}}етапното втвърдяване е завършено правилно. Сглобка, която е получила само Етап 1 - или Етап 1 при недостатъчна температура -, ще има Tg и HDT под тези стойности. Свидетелските проби, втвърдени заедно с производствените партиди и тествани за HDT, осигуряват практическа проверка на процеса: измерен HDT значително под 130 градуса показва непълно втвърдяване на Етап 2.
Свързан продукт за заливане на дебел-профил с контрол на напрежението при втвърдяване
E536/H536 е дву-компонентен, UL 94 V-0 -забавящ пламък епоксиден заливъчен състав, проектиран специално за приложения с дебели-профили, където напрежението при втвърдяване е основният механизъм на повреда. Неговият двустепенен профил на втвърдяване (80 градуса × 2 часа + 120 градуса × 4 часа) ограничава екзотермията на сърцевината по време на Етап 1 и постига пълно развитие на свойствата в Етап 2. RTI 130 градуса, HDT 130 градуса, Shore D 89 и минимална UL сертифицирана дебелина от 1,58–1,74 mm (черен цвят) под UL файл E120665.
Не е подходящо за приложения, изискващи топлопроводимост над 0,5 W/m·K (използвайте E533/H533 за това) или за производствени среди при стайна -температура (използвайте E532/H532 за това). Дву{7}}профилът на втвърдяване изисква възможност за пещ както при 80 градуса, така и при 120 градуса с контролирани времена на нарастване и задържане.
👉 🔗 E536/H536 Продуктова страница - Технически данни, Доклад от теста на TMA, Бележки за приложението
Ключови инженерни въпроси
Как да разбера дали текущият ми модул има остатъчно напрежение от процеса на втвърдяване?
Директният метод е да се вгради термодвойка в центъра на секцията за заливане и да се запише температурата в сърцевината по време на втвърдяването. Ако температурата в сърцевината надвишава зададената точка на пещта с повече от 10–15 градуса по време на фазата на кръстосано-свързване, се генерира остатъчно напрежение. Индиректният метод е да се извърши ускорен термичен цикъл до брой цикли, значително по-висок от квалификационната последователност (напр. 500 цикъла) и да се провери за места на иницииране на пукнатини. Пукнатини, които започват по вътрешните геометрични елементи, а не по външната повърхност, са в съответствие с остатъчното напрежение като водач.
Ако премина от едно-етап към дву-етапен график за втвърдяване на моя съществуващ комплект, трябва ли да се преквалифицирам?
В повечето случаи, да - най-малко, промяната на процеса на втвърдяване трябва да бъде отразена в спецификацията на производствения процес и валидирана върху пробни образци, за да се потвърди, че втвърдените свойства отговарят на проектните изисквания. За сглобки, които са част от UL-изброен краен продукт, промяната в графика за втвърдяване на сместа за заливане може да задейства уведомяване или изискване за повторна-оценка с органа за изброяване. Това трябва да бъде потвърдено преди прилагане на промяната на процеса. Валидирането трябва да включва топлинен цикъл до брой цикли, достатъчен, за да потвърди, че режимът на повреда, който се е появил в предишния график за втвърдяване, не се появява в новия.
Може ли остатъчното напрежение да бъде измерено не-разрушително върху завършени възли?
Не-разрушителното измерване на остатъчното напрежение в епоксидната смола е технически възможно с помощта на техники като фотоеластичност или микро-Раманова спектроскопия, но това не са рутинни производствени инструменти. Разрушителният анализ на напречното-сечение, последван от микроскопска проверка на пукнатини, е по-практичен за производствена проверка. Най-достъпният инструмент за проверка на производството е образецът-свидетел: втвърден образец, произведен едновременно с всяка производствена партида, съхраняван и периодично тестван чрез термичен цикъл и проверка на напречното-сечение. Отклонението в свидетелския образец предсказва, но не гарантира, какво присъства в производствената партида.
Следващи стъпки - Свържете се с Fong Yong Chemical
