濕熱海洋環境下接插件帶電腐蝕行為研究

呂旺燕，黃建業，阮紅梅，陳川，陳天生

（1.廣東電網有限責任公司 電力科學研究院，廣州 510080；2.中國電器科學研究院有限公司 工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510080）

濕熱海洋環境最大的特點就是高溫、高濕、高鹽霧，電器設備長期處于這種惡劣大氣環境當中，如果防護措施不到位就會造成電器設備內部元器件的快速污染、腐蝕，進而使這些元器件的品質快速下降，大大縮短其使用壽命，嚴重威脅到電器設施的安全運行[1-4]。電路板接插件是電器設備中重要的元器件之一，分布于各個系統和部位，擔負著電能傳輸、信號控制與傳遞任務[5-6]。任何一個接插件故障都可能導致整個電路或某一控制設備無法正常工作或停役。因此非常有必要對接插件的腐蝕行為進行研究，進而提出有針對性的防護措施。

目前國內外對于接插件腐蝕行為的研究尚采用傳統的大氣腐蝕研究方法和思維模式[7-9]，未考慮流通電流對于接插件腐蝕的影響。事實上，電流對接插件材料腐蝕的影響相對于其他因素復雜得多。因此，需結合空氣溫度、濕度等腐蝕環境因素有針對性地研究電流對接插件腐蝕行為的影響，揭示電流與腐蝕環境因素對接插件材料腐蝕行為影響的交互作用，才能真實反映出濕熱海洋環境下接插件的腐蝕行為特征及失效機制，正確評估接插件材料的腐蝕狀態，從而有效指導接插件材料的設計、維護和更換。

文中將通過調查與采集電路板接插件在我國典型的濕熱海洋大氣環境中服役時的溫度、濕度、海洋粒子沉降量等環境條件數據，分析服役環境的變化規律，并利用無氧銅標準測試片檢測評價服役環境的腐蝕性。同時開展電路板接插件在濕熱海洋大氣環境下帶電工況和不帶電工況試驗，通過檢測外觀、接觸電阻、絕緣電阻，分析接插件在兩種工況下的腐蝕行為規律及差異，并分析影響電路板接插件腐蝕的關鍵環境因素，從而為接插件材料的選材設計、維護和更換提供科學依據。

1 試驗

1.1 試驗樣品

將插針式的接線端子和貼片式的數據通信接插件焊接在30 mm×30 mm的電路板上，形成電路板接插件樣品，如圖1所示。貼片式數據通信接插件為銅鍍錫材質，插針式接線端子的螺釘為鋼，其他為銅鍍錫材質。電路板采用FR-4環氧樹脂，厚1.6 mm，單面印刷，采用無鉛焊錫。

1.2 試驗方法

1.2.1 海南三亞試驗站自然環境條件監測

采用 HMP155溫度相對濕度傳感器對海南三亞試驗站溫濕度條件進行連續收集，并統計平均值、最高值、最低值以及潮濕時間等。采用濾膜法采集海鹽粒子沉降量，同時采用標準無氧銅測試片對海南三亞試驗站 1—3月大氣腐蝕等級進行評價，將標準無氧銅測試片掛于三亞試驗站三樓，避免雨水和陽光照射。每個月取樣并利用電解還原法測試分析環境的腐蝕等級。

1.2.2 接插件自然環境暴露試驗

三亞試驗站為典型的濕熱海洋大氣環境，將插針式和貼片式兩種電路板接插件樣品投放到三亞試驗站進行棚下自然加速試驗，避免雨水和陽光照射。其中一組樣品通3 A電流，另一組樣品不通電流，如圖2所示。試驗時間為2017年1—3月，樣品每月月末取樣一次，一次取樣6片，并檢查外觀，測試接觸電阻和絕緣電阻。

1.2.3 電路板接插件電性能測試

采用 YD2512直流低電阻測試儀對電路板接插件的接觸電阻進行測試，測試電流為直流 50 mA，采用ZC-90A絕緣電阻測試儀對電路板接插件的絕緣電阻進行測試，測試電壓為500 V，保持時間為1 min。電路板接插件進行接觸電阻和絕緣電阻測試前，先將樣品放在溫度為（35±5）℃的空氣循環烘箱中處理2 h。

1.2.4 銅電解還原測試方法

采用 CS350電化學工作站電解還原法對銅測試片表面的腐蝕產物分析，具體方法參考ANSI/ISA- 71.04 2013，其中銅測試片電解還原電解池如圖3所示。

2 結果與討論

2.1 濕熱海洋大氣自然環境條件分析

通過溫濕度記錄儀采集了三亞試驗站 2017年1—3月的溫濕度數據，并統計了每天的潮濕時間（相對濕度＞80%）。其中1月份的平均溫度為23.80 ℃、平均相對濕度為 72.79%，平均潮濕時間為 6.0 h；2月份的平均溫度為 22.86 ℃、平均相對濕度為74.72%，平均潮濕時間為7.4 h；3月份的平均溫度為25.25 ℃、平均相對濕度為77.99%，平均潮濕時間為11.6 h。由此可以看出，1—3月的溫度、相對濕度和潮濕時間呈上升趨勢，其中3月的潮濕時間上升的幅度較大，約是 1月的 2倍。1—3月的最高溫度均＞30 ℃，最大相對濕度均＞95%。

三亞試驗站2017年1—3月的溫濕度瞬時變化如圖4—6所示，可以看出，溫度和相對濕度均呈周期性變化。三亞試驗站海洋大氣環境呈干濕交替循環，每天干濕交替循環至少1次，平均潮濕時間約8 h，由此說明電路板接插件在海南三亞進行棚下自然暴露試驗時，電路板每天面臨干濕交替濕熱海洋性環境氣候，且濕熱腐蝕環境每天長達8 h以上，也就意味著電路板接插件長期暴露于嚴酷的環境下，極其容易導致電路板接插件腐蝕失效，進而產生更大的影響[5]。

通過海鹽粒子濾膜采集了海鹽粒子沉降量數據，三亞試驗站2017年1—3月的海鹽粒子沉降量逐漸增大，分別為 0.995，1.013，1.118 mg/(100 cm2·d)。氯離子濃度越高，腐蝕性越強，因為氯離子半徑小，穿透力強。當氯離子吸附在金屬表面上時，會從金屬表面薄弱部位進入鈍化膜，使鈍化膜發生局部破壞，然后對基體產生腐蝕[10]。三亞地區氯離子濃度較高，對電路板接插件的腐蝕較為嚴重。

圖7為無氧銅測試片在海南三亞自然暴露1～3個月時間的外觀形貌，可以看到，1，2月份形成的腐蝕產物膜相近，均呈棕色，這可能是因為 1，2月份的環境條件相近。3月份的溫度、相對濕度和潮濕時間均高于1，2月份，形成的腐蝕產物膜呈黑褐色。

圖8給出了1—3月份銅測試片的電解還原曲線，參考ANSI/ISA-71.04 2013對其進行分析，并依據該標準對海南三亞 1—3月的環境腐蝕等級進行評定。測試結果顯示，1月份的腐蝕產物只有CuO，而2，3月份的腐蝕產物為Cu2O和CuO[11]，各種腐蝕產物的厚度列于表1。1，2月份的腐蝕程度分別為0.2190，0.2372 μm/月，而 3 月份的腐蝕程度為 0.3451 μm /月。三亞1—3月海洋大氣環境的腐蝕等級均為GX，但3月份比1，2月份要更嚴酷。

綜合溫度、相對濕度、潮濕時間、海鹽粒子沉降量和腐蝕程度測試分析數據，列于表2。1—3月份的溫度、平均相對濕度、海鹽粒子沉降量相差不大。當潮濕時間相近時，如 1，2月份，環境的腐蝕性也相近。當潮濕時間顯著增大時，如3月份約是1月份的2倍，環境腐蝕性顯著增大。這可能是因為潮濕環境下，海鹽粒子將在材料表面形成帶一定濃度鹽溶液的薄液膜，該薄液膜將與材料發生反應，使得材料發生腐蝕失效[7]。

表1 1—3月份的環境腐蝕等級

表2 腐蝕程度與環境因素的關系

2.2 濕熱海洋環境下接插件腐蝕行為分析

兩組接插件樣品開展棚下自然暴露試驗 1～3個月后外觀形貌如圖9所示，貼片式數據通信接插件在通3 A電流和不通電流兩種工況下試驗1個月后，外觀無明顯變化；試驗2個月后，焊接位置附近出現白膜，白膜可能是焊錫膏老化形成的[12-13]，金屬沒有明顯腐蝕；試驗3個月后，焊接位置附近仍然有白膜，金屬仍沒有明顯腐蝕。貼片式數據通信接插件暴露于嚴酷的濕熱海洋環境下長達3個月之久，金屬部件沒有發生腐蝕，可能是影響較小，從表觀形貌上無法分辨，也可能是因為該類貼片式數據通信接插件本身材料的耐腐蝕性能較為優異[14]。

插針式接線端子在通3 A電流的工況下試驗1個月后，外觀無明顯變化；試驗2個月后，焊接位置附近出現白膜，金屬沒有明顯腐蝕；試驗3個月后，金屬仍沒有明顯腐蝕，可能是影響較小，從表觀形貌上無法分辨。在不通電流工況下試驗1個月后，外觀無明顯變化；試驗2個月后，焊接位置附近出現白膜，金屬螺釘發生輕微腐蝕；試驗3個月后，金屬螺釘嚴重腐蝕，這可能是電流對插針式接線端子螺釘等起到一定的保護作用，反而抑制了腐蝕的發生。

表 3列出了貼片式試驗前后的接觸電阻和絕緣電阻。貼片式接插件在通3 A電流和不通電流兩種工況下的接觸電阻試驗前后基本沒有明顯變化，貼片式接插件的絕緣電阻在兩種工況下試驗1個月后，均下降到107Ω數量級，試驗2個月和3個月后，絕緣電阻仍然維持為107Ω數量級。貼片式數據通信接插件在通3 A電流和不通電流兩種工況下的腐蝕行為基本沒有差異，試驗1～3個月后，銅鍍錫金屬沒有明顯腐蝕，帶電和不帶電兩種工況下腐蝕行為基本一致，帶電對貼片式接插件腐蝕行為沒有多大影響。

表 4列出了插針式接插件試驗前后的接觸電阻和絕緣電阻。插針式接插件在通3 A電流和不通電流兩種工況下的接觸電阻試驗前后基本沒有明顯變化。插針式接插件在通3 A電流的工況下試驗1～3個月，絕緣電阻均保持在 1011Ω 數量級；在不通電流工況下試驗 1～3個月，絕緣電阻逐漸下降，分別為1011，109，106Ω數量級。插針式接線端子在通3 A電流和不通電流兩種工況下的腐蝕行為存在明顯差異，在通3 A電流工況下試驗1～3個月后，接線端子沒有明顯腐蝕。在不通電流工況下試驗 1個月后，接線端子沒有明顯腐蝕；試驗 2個月后，螺釘發生輕微腐蝕；試驗3個月后，螺釘發生嚴重腐蝕。由此可見，對于插針式接線端子來說，通3 A電流能起到一定的防護作用，而對于貼片式數據通信接插件，通3 A電流并沒有產生明顯的影響[15]。

表3 三亞自然環境暴露試驗前后貼片式接插件的接觸電阻和絕緣電阻

表4 三亞自然環境暴露試驗前后插針式接插件接觸電阻和絕緣電阻

3 結論

1）三亞濕熱海洋大氣環境1—3月份呈干濕交替循環，每天至少發生1次循環，平均潮濕時間分別為6.0，7.4，11.6 h。1—3月份的環境腐蝕性均為GX級，其中環境腐蝕性主要受潮濕時間影響，潮濕時間越長，環境腐蝕性越大，3月份腐蝕環境較1月2月更加嚴酷。

2）貼片式數據通信接插件在帶電和不帶電工況下濕熱海洋環境自然暴露3個月后，腐蝕行為基本相似，無明顯差異，接觸電阻沒有發生變化，絕緣電阻均降為107Ω數量級，金屬元器件均未發生明顯的腐蝕現象。

3）插針式接線端子在帶電和不帶電工況下濕熱海洋環境自然暴露 3個月后，接觸電阻沒有發生變化，但腐蝕行為存在明顯差異，在不通電流工況下，螺釘發生嚴重腐蝕，絕緣電阻降為106Ω。在3 A電流通電工況下，螺釘沒有發生腐蝕，絕緣電阻均維持在1011Ω數量級，電流對插針式接線端子螺釘等起到一定的保護作用，反而抑制了腐蝕的發生。

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