اپوکسی عایق الکتریکی 78
فصل ۷۸ ـ اثر فشار و تنش مکانیکی بر رزین اپوکسی عایق برق؛ ترک، جداشدگی و پایداری عایق
جهت مشاوره رایگان تماس بگیرید 09221696509
مقدمه
رزین اپوکسی عایق برق معمولاً با هدف ایجاد یک سد الکتریکی پایدار در اطراف قطعات، اتصالات، هادی‌ها یا تجهیزات مختلف به کار می‌رود. با این حال، این رزین در طول عمر خود فقط با میدان الکتریکی مواجه نیست. فشار مکانیکی، ضربه، ارتعاش، کشش، فشار ناشی از مونتاژ، تغییرات ابعادی قطعات و حتی تنش‌های ایجادشده هنگام پخت می‌توانند روی عملکرد یک سیستم عایقی اثر بگذارند. در بسیاری از موارد، خرابی الکتریکی مستقیماً از ضعف ذاتی رزین آغاز نمی‌شود؛ بلکه ابتدا یک ترک، جداشدگی یا حفره ایجاد می‌شود و سپس همین نقص مکانیکی به محل تمرکز میدان الکتریکی تبدیل می‌شود. از این منظر، پایداری مکانیکی و پایداری الکتریکی عایق از یکدیگر جدا نیستند.
برای خرید محصول کلیک کنید
۱. تنش مکانیکی چیست؟
تنش مکانیکی در ساده‌ترین تعریف، نیروی واردشده بر واحد سطح است. رزین اپوکسی در برابر تنش‌های مختلف می‌تواند رفتار متفاوتی داشته باشد. نوع بار، سرعت اعمال آن، دما، ضخامت و وضعیت پخت همگی بر پاسخ رزین اثر می‌گذارند.
—
۲. انواع بار مکانیکی
رزین عایق ممکن است با انواع مختلفی از بار مواجه شود:
– کشش؛
– فشار؛
– برش؛
– خمش؛
– ضربه؛
– ارتعاش؛
– و بارهای تکرارشونده.
در یک تجهیز واقعی ممکن است چند نوع از این تنش‌ها همزمان وجود داشته باشند.
—
۳. تنش کششی
در تنش کششی، دو بخش ماده تمایل دارند در جهت مخالف یکدیگر حرکت کنند. رزین‌های اپوکسی سخت معمولاً در برابر کشش رفتار متفاوتی نسبت به فلزات نرم یا الاستومرها دارند. به همین دلیل طراحی اتصال میان رزین و فلز اهمیت زیادی پیدا می‌کند.
—
۴. تنش فشاری
رزین در بسیاری از کاربردها تحت فشار قرار می‌گیرد. برای مثال، هنگام نصب یا محصور شدن یک قطعه، ممکن است فشار مکانیکی به لایه عایق وارد شود. با این حال مقاومت فشاری بالا به تنهایی نشان‌دهنده مقاومت در برابر تمام انواع بارگذاری نیست.
—
۵. تنش برشی
در فصل مشترک رزین و زیرلایه، نیروهای برشی می‌توانند اهمیت زیادی داشته باشند. اگر چسبندگی کافی نباشد، بار برشی ممکن است موجب جداشدگی پوشش شود. این مسئله در اتصال رزین به فلز، سرامیک و سایر زیرلایه‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد.
—
۶. خمش
قطعه‌ای که در اثر بار مکانیکی خم می‌شود، می‌تواند در رزین نیز تنش ایجاد کند. اگر رزین سخت و کم‌انعطاف باشد، تغییر شکل زیاد زیرلایه ممکن است به ترک یا جداشدگی منجر شود.
—
۷. ضربه
ضربه با بارگذاری آرام و تدریجی تفاوت دارد. در ضربه، انرژی در مدت کوتاهی به ماده منتقل می‌شود. وجود حباب، ترک قبلی یا نقص در فصل مشترک می‌تواند حساسیت سیستم را افزایش دهد.
—
۸. ارتعاش
بسیاری از تجهیزات برقی در محیط‌های صنعتی با ارتعاش مواجه هستند. ارتعاش مداوم می‌تواند یک تنش کوچک را بارها و بارها به عایق وارد کند. در چنین شرایطی، تعداد چرخه‌های بارگذاری اهمیت پیدا می‌کند.
—
۹. خستگی مکانیکی
اگر یک تنش بارها تکرار شود، ممکن است ماده یا فصل مشترک آن دچار خستگی شود. این پدیده با یک بارگذاری منفرد متفاوت است. ممکن است تنشی که در یک بار مشکلی ایجاد نمی‌کند، پس از تعداد زیادی چرخه باعث آسیب تدریجی شود.
—
۱۰. ترک مکانیکی
ترک ممکن است در نتیجه ضربه، تنش حرارتی، خستگی، انقباض پخت یا ترکیبی از این عوامل ایجاد شود و ترک سطحی یا داخلی باید جدی گرفته شود، به‌خصوص اگر عایق در ولتاژ بالا مورد استفاده قرار گیرد.
—
۱۱. ترک و میدان الکتریکی
ترک داخل یک ماده عایق می‌تواند محیطی متفاوت از رزین جامد ایجاد کند. وجود هوا یا رطوبت در ترک، خواص الکتریکی متفاوتی نسبت به رزین دارد. در نتیجه میدان الکتریکی در اطراف ترک می‌تواند یکنواخت نباشد.
—
۱۲. ترک و تخلیه جزئی
اگر ترک یا حفره شرایط مناسبی برای تخلیه ایجاد کند، ممکن است تخلیه جزئی در آن رخ دهد. تخلیه‌های تکراری می‌توانند به مرور به دیواره حفره یا ترک آسیب بزنند. بنابراین یک نقص مکانیکی کوچک ممکن است در طول زمان به یک مسئله الکتریکی تبدیل شود.
—
۱۳. جداشدگی از زیرلایه
گاهی خود رزین سالم است، اما از فلز یا سرامیک جدا می‌شود. در این حالت یک فضای خالی میان دو ماده ایجاد می‌شود. این فضای خالی از نظر مکانیکی و الکتریکی می‌تواند اهمیت داشته باشد.
—
۱۴. فصل مشترک رزین و فلز
فلز و اپوکسی معمولاً خواص مکانیکی و حرارتی یکسانی ندارند. در نتیجه هنگام تغییر دما، هرکدام به مقدار متفاوتی منبسط یا منقبض می‌شوند. این اختلاف می‌تواند در فصل مشترک تنش ایجاد کند.
—
۱۵. فصل مشترک رزین و سرامیک
سرامیک نیز از نظر انبساط حرارتی و رفتار مکانیکی با رزین متفاوت است. اگر طراحی و آماده‌سازی سطح مناسب نباشد، سیکل‌های حرارتی می‌توانند به فصل مشترک فشار وارد کنند.
—
۱۶. نقش آماده‌سازی سطح
تمیزکاری، زبری مناسب، حذف چربی و کنترل رطوبت می‌توانند بر چسبندگی اثر داشته باشند. رزین هرچقدر هم از نظر ذاتی مناسب باشد، اگر به سطح آلوده یا نامناسب بچسبد، عملکرد اتصال می‌تواند ضعیف شود.
—
۱۷. چسبندگی و تنش
چسبندگی خوب به این معنی نیست که سیستم در برابر هر نوع بار مکانیکی مقاوم است. اما چسبندگی ضعیف می‌تواند یکی از نقاط شروع خرابی باشد. بنابراین باید چسبندگی را در کنار خواص خود رزین ارزیابی کرد.
—
۱۸. حباب و تنش مکانیکی
حباب یک ناحیه خالی در ساختار عایق ایجاد می‌کند. از نظر مکانیکی، حباب می‌تواند تمرکز تنش ایجاد کند. از نظر الکتریکی نیز می‌تواند موجب ناهمگونی میدان شود. این دو اثر ممکن است یکدیگر را تشدید کنند.
—
۱۹. گوشه‌های تیز
گوشه تیز علاوه بر تمرکز میدان الکتریکی، می‌تواند تمرکز تنش مکانیکی نیز ایجاد کند. به همین دلیل اصلاح هندسه و ایجاد شعاع مناسب در طراحی بسیاری از قطعات اهمیت دارد.
—
۲۰. سوراخ‌ها و محل پیچ‌ها
محل پیچ، سوراخ، شیار و اتصال می‌تواند هم از نظر مکانیکی و هم از نظر الکتریکی حساس باشد. در این نقاط تغییر ناگهانی هندسه باعث تغییر توزیع تنش و میدان می‌شود. طراحی صحیح باید هر دو جنبه را در نظر بگیرد.
—
۲۱. فشار ناشی از مونتاژ
هنگام مونتاژ تجهیزات ممکن است پیچ‌ها بیش از حد سفت شوند. این فشار می‌تواند به عایق رزینی منتقل شود. بنابراین گشتاور مونتاژ نیز در برخی تجهیزات باید کنترل شود.
—
۲۲. انبساط حرارتی و تنش
وقتی دمای تجهیز تغییر می‌کند، قطعات منبسط و منقبض می‌شوند. اگر رزین و زیرلایه مقدار انبساط یکسانی نداشته باشند، تنش داخلی ایجاد می‌شود. این مسئله می‌تواند در طول هزاران چرخه حرارتی اهمیت پیدا کند.
—
۲۳. اثر دمای پایین
در دماهای پایین، برخی رزین‌ها می‌توانند رفتار شکننده‌تری پیدا کنند. در چنین شرایطی ضربه یا تغییر شکل ناگهانی ممکن است حساسیت بیشتری ایجاد کند. بنابراین آزمون مکانیکی در دمای محیط همیشه برای تمام شرایط کاری کافی نیست.
—
۲۴. اثر دمای بالا
افزایش دما می‌تواند خواص مکانیکی رزین را تغییر دهد. نزدیک شدن به محدوده Tg اهمیت ویژه‌ای دارد. بنابراین تنش مکانیکی یک مقدار ثابت و مستقل از دما نیست.
—
۲۵. Tg و رفتار مکانیکی
دمای گذار شیشه‌ای محدوده‌ای مهم در رفتار پلیمر است. در اطراف این محدوده، حرکت زنجیره‌های پلیمری افزایش می‌یابد و خواص مکانیکی تغییر می‌کند. از این رو دمای کار تجهیز باید با ویژگی‌های واقعی رزین سازگار باشد.
—
۲۶. پخت و استحکام مکانیکی
<p>پخت صحیح برای رسیدن به ساختار نهایی رزین ضروری است. پخت ناقص می‌تواند خواص مکانیکی را تغییر دهد. از طرف دیگر، شرایط پخت نامناسب ممکن است تنش‌های پسماند ایجاد کند.
—
۲۷. تنش پسماند
گاهی رزین پس از پایان پخت ظاهراً سالم است، اما درون آن تنش‌های داخلی باقی مانده است. این تنش‌ها می‌توانند از واکنش پخت، انقباض، اختلاف دما یا اختلاف انبساط ناشی شوند. در طول زمان، این تنش‌ها ممکن است با سایر عوامل ترکیب شوند.
—
۲۸. ضخامت زیاد
ضخامت زیاد همیشه به معنی مقاومت مکانیکی بیشتر نیست. در مقاطع ضخیم، دفع گرمای واکنش دشوارتر است و احتمال ایجاد اختلاف دما درون توده افزایش می‌یابد. این موضوع می‌تواند به ایجاد تنش داخلی منجر شود.
—
۲۹. لایه‌های نازک
لایه نازک نیز مشکلات خاص خود را دارد. اگر پوشش بسیار نازک و غیریکنواخت باشد، نقاط ضعیف ایجاد می‌شوند. در نتیجه ضخامت باید متناسب با کاربرد و روش اجرا انتخاب شود.
برای خرید محصول کلیک کنید
۳۰. ضربه و آسیب پنهان
گاهی ضربه ظاهری بسیار کمی ایجاد می‌کند اما در داخل رزین ترک یا جداشدگی شکل می‌گیرد. در تجهیزات حساس، بازرسی ظاهری به تنهایی ممکن است کافی نباشد. روش مناسب بازرسی به نوع تجهیز و اهمیت آن بستگی دارد.
—
۳۱. ارتعاش و اتصالات
اگر رزین اطراف یک اتصال یا هادی قرار داشته باشد، ارتعاش می‌تواند تنش تکرارشونده ایجاد کند. اگر اتصال فلزی نیز حرکت کند، اختلاف حرکت میان فلز و رزین می‌تواند اهمیت پیدا کند.
—
۳۲. بارگذاری طولانی‌مدت
رزین ممکن است تحت یک بار ثابت برای مدت طولانی قرار گیرد. رفتار ماده در چنین شرایطی می‌تواند با بارگذاری کوتاه‌مدت متفاوت باشد. بنابراین زمان نیز یکی از عوامل مهم در ارزیابی مکانیکی است.
—
۳۳. خزش
برخی پلیمرها در برابر بار ثابت می‌توانند در طول زمان تغییر شکل تدریجی نشان دهند. این پدیده با عنوان خزش شناخته می‌شود. مقدار خزش به دما، تنش، زمان و ساختار ماده وابسته است.
—
۳۴. رهایی تنش
پس از اعمال تغییر شکل، بخشی از تنش ممکن است با گذشت زمان کاهش یابد. این رفتار در پلیمرها می‌تواند اهمیت داشته باشد. در کاربردهای دقیق مکانیکی باید رفتار زمانی ماده نیز در نظر گرفته شود.
—
۳۵. بار مکانیکی و عایق‌کاری
هدف اصلی رزین عایق، ایجاد جداسازی الکتریکی است. اما برای حفظ این جداسازی، ساختار رزین باید از نظر مکانیکی نیز پایدار بماند. یک عایق ترک‌خورده یا جداشده ممکن است دیگر شرایط اولیه خود را نداشته باشد.
—
۳۶. آزمون کشش
آزمون کشش می‌تواند اطلاعاتی درباره استحکام و تغییر شکل ماده ارائه دهد. اما نتیجه آزمون کشش یک نمونه مستقل را نباید مستقیماً به رفتار یک پوشش روی فلز تعمیم داد. شرایط واقعی باید جداگانه بررسی شود.
—
۳۷. آزمون فشار
آزمون فشار برای برخی کاربردهای محصورکننده یا نگهدارنده می‌تواند مفید باشد. این آزمون اطلاعاتی درباره تحمل بار فشاری ماده فراهم می‌کند. اما برای ارزیابی کامل یک سیستم عایقی کافی نیست.
—
۳۸. آزمون ضربه
آزمون ضربه برای بررسی حساسیت ماده به بارگذاری سریع استفاده می‌شود. نوع آزمون و انرژی ضربه باید مشخص باشد. بدون ذکر روش آزمون، مقایسه دو عدد ضربه‌ای می‌تواند گمراه‌کننده باشد.
—
۳۹. آزمون ارتعاش
برای تجهیزات دارای ارتعاش، می‌توان آزمون‌های ارتعاشی متناسب با کاربرد انجام داد. در این آزمون‌ها عواملی مانند فرکانس، دامنه و مدت ارتعاش اهمیت دارند. پس از آزمون نیز بهتر است وضعیت عایق بررسی شود.
—
۴۰. آزمون سیکل مکانیکی
گاهی یک بارگذاری تکرارشونده برای شبیه‌سازی شرایط واقعی انجام می‌شود. پس از تعداد مشخصی چرخه، نمونه از نظر ترک، جداشدگی و خواص الکتریکی ارزیابی می‌شود. این روش برای شناخت رفتار بلندمدت می‌تواند مفید باشد.
—
۴۱. ترکیب تنش مکانیکی و الکتریکی
در تجهیز واقعی، ممکن است تنش مکانیکی و میدان الکتریکی همزمان وجود داشته باشند. اگر ترک یا حفره‌ای تحت میدان الکتریکی قرار گیرد، اهمیت آن بیشتر می‌شود. بنابراین آزمون‌های ترکیبی در پروژه‌های حساس می‌توانند اطلاعات ارزشمندتری ارائه کنند.
—
۴۲. ترکیب تنش مکانیکی و حرارتی
تغییر دما موجب تغییر ابعاد می‌شود. اگر این تغییرات با محدودیت مکانیکی همراه باشند، تنش افزایش می‌یابد. سیکل‌های حرارتی طولانی‌مدت می‌توانند چنین اثراتی را آشکار کنند.
—
۴۳. رطوبت و ترک
ترک یا جداشدگی می‌تواند مسیر ورود رطوبت به ناحیه داخلی را فراهم کند. رطوبت نیز ممکن است خواص الکتریکی را تغییر دهد. در نتیجه یک آسیب مکانیکی می‌تواند زمینه‌ساز یک مشکل رطوبتی و سپس الکتریکی شود.
—
۴۴. تعمیر آسیب مکانیکی
اگر ترک یا جداشدگی مشاهده شود، صرفاً پر کردن ظاهری آن همیشه راه‌حل مناسبی نیست. ابتدا باید علت ایجاد آسیب مشخص شود. اگر علت اصلی مانند ارتعاش، حرکت زیرلایه یا تنش حرارتی برطرف نشود، تعمیر ممکن است دوباره آسیب ببیند.
—
۴۵. آماده‌سازی برای ترمیم
در ترمیم رزین، سطح آسیب‌دیده باید به‌درستی آماده شود. مواد سست، آلودگی، چربی و رطوبت می‌توانند مانع چسبندگی مناسب شوند. رزین ترمیمی نیز باید از نظر شیمیایی و الکتریکی با سیستم موجود سازگار باشد.
—
۴۶. کنترل کیفیت پس از تعمیر
پس از ترمیم، بهتر است فقط ظاهر کار بررسی نشود. بسته به حساسیت تجهیز می‌توان چسبندگی، مقاومت عایقی، تحمل ولتاژ یا سایر آزمون‌های مورد نیاز را بررسی کرد. آزمون انتخابی باید متناسب با نوع تجهیز باشد.
—
۴۷. وضعیت پادنار 8119
در اطلاعات فنی موجود برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، داده عددی مشخصی درباره استحکام کششی، فشاری، مدول، مقاومت ضربه‌ای یا عمر خستگی مکانیکی در اختیار این دانشنامه قرار نگرفته است. بنابراین نمی‌توان برای این محصول اعداد مکانیکی مشخصی را بدون گزارش آزمایشگاهی یا مستند فنی معتبر اعلام کرد.
—
۴۸. ارتباط نتایج الکتریکی با خواص مکانیکی 8119
نتایج اعلام‌شده برای نمونه یک میلی‌متری 8119 در شرایط خشک و مرطوب، مربوط به آزمون الکتریکی مشخص هستند. این نتایج به خودی خود استحکام مکانیکی، مقاومت ضربه‌ای یا دوام ارتعاشی محصول را اثبات نمی‌کنند. برای چنین ادعاهایی آزمون‌های مکانیکی جداگانه لازم است.
—
۴۹. مهم‌ترین نکات اجرایی
برای کاهش خطر آسیب مکانیکی در یک سیستم عایق رزینی، توجه به موارد زیر اهمیت دارد:
1. آماده‌سازی صحیح زیرلایه؛
2. پخت کامل مطابق دستورالعمل؛
3. جلوگیری از ایجاد حباب؛
4. کنترل ضخامت؛
5. طراحی مناسب گوشه‌ها؛
6. کنترل تنش‌های حرارتی؛
7. جلوگیری از ضربه و فشار غیرضروری؛
8. کنترل ارتعاش در تجهیزات حساس؛
9. بررسی دوره‌ای ترک و جداشدگی؛
10. و انجام آزمون پس از تعمیر یا تغییرات اساسی.
—
۵۰. جمع‌بندی
رزین اپوکسی عایق برق باید نه‌تنها در برابر میدان الکتریکی، بلکه در برابر شرایط مکانیکی حاکم بر تجهیز نیز پایدار باشد. کشش، فشار، برش، ضربه، ارتعاش، خزش، سیکل‌های مکانیکی و تنش‌های ناشی از مونتاژ می‌توانند به صورت مستقیم یا غیرمستقیم بر دوام عایق اثر بگذارند. اهمیت این موضوع زمانی بیشتر می‌شود که یک آسیب مکانیکی مانند ترک یا جداشدگی، به ایجاد حفره یا تغییر هندسه در عایق منجر شود. در چنین شرایطی ممکن است میدان الکتریکی نیز دچار تمرکز موضعی شده و احتمال تخلیه جزئی یا آسیب بیشتر افزایش یابد.
به همین دلیل یک سیستم عایقی موفق باید از دو منظر همزمان بررسی شود: تحمل الکتریکی و پایداری مکانیکی. در مورد رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، داده‌های موجود درباره ولتاژ شکست و تحمل الکتریکی نمونه، اطلاعات مربوط به عملکرد الکتریکی در شرایط آزمون مشخص را ارائه می‌کنند؛ اما برای بیان استحکام کششی، مقاومت ضربه‌ای، دوام ارتعاشی یا عمر خستگی مکانیکی، باید به نتایج آزمون‌های مکانیکی اختصاصی استناد کرد. در نهایت، بهترین عایق الکتریکی صرفاً ماده‌ای نیست که در یک آزمون ولتاژ بالا عملکرد خوبی داشته باشد؛ بلکه ماده و سیستم عایقی باید بتوانند در طول زمان و در برابر مجموعه‌ای از تنش‌های الکتریکی، حرارتی، محیطی و مکانیکی، ساختار خود را حفظ کنند.
۰ دیدگاه