книги из ГПНТБ / Доценко Н.С. Долговечность элементов радиоэлектронной аппаратуры (влияние влаги)

когезии, что сказывается на коэффициенте диффузии воды через материал, так и за счет увеличения поляр­ ности, что выражается в увеличении коэффициента ра­ створимости воды в полимере.

Кремнийорганические компаунды и фторосилаксановые резины имеют сравнительно невысокие влагоза­ щитные свойства. Видимо это происходит потому, что макромолекулярная структура этих соединений харак­ теризуется малой величиной межмолекулярных сил притяжения, что и способствует легкому продвижению воды через эти материалы. Поэтому коэффициент диф­ фузии воды в этих материалах сравнительно высокий. Особенно он велик у фторосилаксановых резин, дости­ гая величины 5 -ІО-3 см2/ч. По-видимому, здесь имеет место то же явление, что и у полистирола, т. е. диффузия воды в материале идет в две стадии [24]: первая — про­ движение молекул воды в системе пор и пустот мате­ риала, образующихся в результате наличия крупных подвесок у макромолекул материала; вторая— диффу­ зия из пустот в области, заполненные материалом, т. е. активированная диффузия. Во второй стадии скорость прохождения молекул воды на два порядка менее, чем в первой. Поэтому фторосилаксановые резины не могут быть рекомендованы для целей герметизации.

Обращают на себя внимание хорошие влажностные характеристики пластиков на стекловолокне в качестве подложки. Связующим в этих пластиках был эпоксидно­ фенольный лак на основе ЭД-6. Поскольку стекло яв­ ляется практически непроницаемым для паров воды, весь перенос влаги происходит по связующему веществу, а стекло представляет барьер на пути прохождения во­ дяных паров, которые вынуждены огибать этот барьер,

130

увеличивая путь в толще материала и уменьшая, следо­ вательно, коэффициент диффузии воды через пластик. Уменьшение же коэффициента растворимости воды в пла­ стике вызвано тем, что вода не растворяется в стекло­ волокне и тем самым уменьшает коэффициент раствори­ мости комплексного материала. Кроме того, здесь воз­ можно проявление того же механизма взаимодействия полярных групп эпоксидно-фенольного лака со стеклом, приводящего к их связыванию, как и в случае взаимо­ действия полярных групп сополимера винилхлорида с винилацетатом с порошком ТЮ2, введенным в сополи­ мер [35]. Уменьшение числа полярных групп за счет связывания их со стеклом уменьшает коэффициент растворимости воды в пластике.

Использование в слоистых пластиках бумаги или текстиля для подложки в гетинаксе и текстолите приво­ дит наряду с неплохими значениями коэффициента диф­ фузии к очень высоким значениям коэффициента раство­ римости влаги в материале, что ведет к непригодности этих материалов для использования в качестве влаго­ защиты.

В табл. 21 приведены влажностные характеристики более 30 резин, большинство которых используются в промышленности как герметизирующие покрытия. Ко­ эффициент влагопроницаемости этих резин лежит в диа­ пазоне ІО- 8 —■ІО-9 г/{см-торр-ч). Безусловно, лучше использовать для влагозащиты резины с более низкими коэффициентами влагопроницаемости. Например, за­ мена резины 8190 на резину С-572 приведет к увеличе­ нию эффективности покрытия примерно на порядок, т. е. срок службы этого покрытия будет на порядок выше.

По-видимому, к резинам с высокими влагозащитными свойствами можно отнести также, кроме резины С-572, и резины 8615, 8508, ШН, ПЛ-118-lla, К-44, К-45 и др.

Рассмотренные в табл. 21 полиуретановые резины обладают невысокими влагозащитными свойствами бла­ годаря довольно высоким коэффициентам растворимости воды в материале. Большая же растворимость воды в по­ лиуретановых резинах обусловлена полярностью по­ лиуретана.

В табл. 22 приводятся влажностные характеристики полимерных смол и пленок на их основе. Из табл. 22 видно, что имеется ряд полимерных материалов, обла-

131

дающих высокими герметизирующими свойствами. Очень низким коэффициентом влагопроницаемости обладает фторопласт-3, что обусловлено высокой плотностью упаковки молекул этого полимера и наличием больших сил когезии между цепями молекул. Несмотря на его полярность и сравнительно высокий коэффициент раст-

132

воримости влаги в нем, он мало проницаем благодаря исключительно малому коэффициенту диффузии влаги D = 3,6-10—7 смЧч.

Это же можно сказать и о капролоне, полученном методом анионной полимеризации. Благодаря большой плотности сил когезии он имеет низкий коэффициент диффузии воды и почти на порядок менее проницаем,

тиленом высокого давления. Увеличение степени ориен­ тации макромолекул у этого материала привело к зна­ чительному улучшению указанных влажностных харак­ теристик.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ

Материалы, используемые в элементах РЭА, можно разделить на изоляционные, проводниковые, контакт­ ные и конструкционные. При действии повышенной влажности окружающей среды они изменяют и механи­ ческие, и электрические свойства.

Для изоляционных материалов характерно, то что при длительном пребывании в условиях повышенной влажности большинство из них способно поглощать влагу и, следовательно, изменять свои параметры, т. е. они ухудшают свои электрические характеристики. Обычно падает удельное объемное сопротивление рѵ и

сопротивление изоляции Диз, растет tg 6 и увеличи­ вается е (рис. 15, 44 и 45).

Поэтому при выборе изоляционного материала очень важно знать, как изменяются под влиянием влажности его электрические характеристики, независимо от того,

133

служит ли изоляционный материал для изготовления выводных изоляторов и корпусов радиодеталей или же используется в качестве основного диэлектрика.

Рис. 44. Зависимость изменения параметров в пьезокерамических элементах: а — от напряженности электрического поля и о. в.;

б — от температуры и о. в.

их битумом, парафином, стиролом и другими пропи­ точными составами. В результате этого, материал ста­

134

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