اپوکسی عایق الکتریکی 99
فصل ۹۹ ـ جمع‌شدگی و تنش داخلی رزین اپوکسی عایق برق؛ اثر پخت، ضخامت و هندسه بر ترک و جداشدگی
جهت مشاوره رایگان تماس بگیرید 09221696509
مقدمه
رزین اپوکسی پس از اختلاط و طی فرآیند پخت، از یک ماده واکنش‌پذیر به یک شبکه پلیمری سخت تبدیل می‌شود. این تغییر فقط یک تغییر در سختی نیست؛ در بسیاری از سامانه‌های اپوکسی، همراه با واکنش شیمیایی و تغییرات حرارتی، تغییر حجم نیز رخ می‌دهد. اگر این تغییرات در یک قطعه آزاد اتفاق بیفتند، ممکن است اثر آنها محدود باشد. اما زمانی که رزین به فلز، سرامیک، کابل یا یک لایه قدیمی چسبیده باشد، امکان حرکت آزادانه آن کاهش می‌یابد. در چنین شرایطی، تنش داخلی ایجاد می‌شود. تنش داخلی در صورت کنترل نشدن می‌تواند به ترک، جداشدگی، حفره، کاهش چسبندگی یا ایجاد نقاط ضعیف در سیستم عایقی منجر شود. شناخت تنش داخلی رزین اپوکسی و عوامل مؤثر بر ایجاد آن، نقش مهمی در افزایش دوام و قابلیت اطمینان سیستم‌های عایق برق دارد.
تنش داخلی رزین اپوکسی
برای خرید محصول کلیک کنید
۱. جمع‌شدگی رزین چیست؟
جمع‌شدگی به کاهش ابعاد یا حجم ماده در اثر فرآیندهای فیزیکی یا شیمیایی گفته می‌شود. در رزین اپوکسی، بخشی از این تغییرات می‌تواند با واکنش پخت و نزدیک‌تر شدن ساختار مولکولی همراه باشد. میزان واقعی جمع‌شدگی به فرمولاسیون، نوع هاردنر، فیلر، شرایط پخت و عوامل دیگر بستگی دارد.
—
۲. جمع‌شدگی با خشک شدن یکی نیست
رزین اپوکسی را نباید مانند یک رنگ ساده که صرفاً با تبخیر آب یا حلال خشک می‌شود در نظر گرفت. پخت اپوکسی عمدتاً یک فرآیند شیمیایی است که طی آن شبکه پلیمری شکل می‌گیرد. بنابراین «خشک شدن سطح» لزوماً به معنی تکمیل پخت و تثبیت نهایی خواص نیست.
—
۳. چرا جمع‌شدگی در عایق برق مهم است؟
در یک سیستم عایقی، ایجاد ترک یا حفره می‌تواند اهمیت بیشتری از یک نقص ظاهری معمولی داشته باشد. یک فضای خالی کوچک در مجاورت هادی ممکن است باعث تغییر توزیع میدان الکتریکی شود. در شرایط مناسب، این وضعیت می‌تواند زمینه تخلیه جزئی و پیرشدگی موضعی را فراهم کند.
—
۴.نحوه ایجاد تنش داخلی رزین اپوکسی هنگام پخت
اگر رزین هنگام پخت تمایل به کاهش حجم داشته باشد اما زیرلایه مانع حرکت آن شود، بخشی از تغییر حجم به تنش تبدیل می‌شود. این وضعیت را می‌توان به صورت ساده چنین تصور کرد:
تغییر حجم آزاد + محدودیت حرکتی = احتمال ایجاد تنش داخلی
البته مقدار واقعی تنش به خواص مکانیکی و حرارتی ماده و هندسه قطعه نیز وابسته است.
تنش داخلی رزین اپوکسی
—
۵. رزین روی فلز
فلز معمولاً سخت‌تر از رزین است و در بسیاری از کاربردها حرکت آن نسبت به رزین بسیار محدود است. هنگام پخت، رزین تلاش می‌کند تغییر ابعاد خود را انجام دهد، اما اتصال به فلز این حرکت را محدود می‌کند. در نتیجه تنش در فصل مشترک ایجاد می‌شود.
—
۶. اثر ضریب انبساط حرارتی
تنش فقط از پخت ناشی نمی‌شود. پس از پخت، تغییر دما نیز می‌تواند باعث تغییر ابعاد رزین و زیرلایه شود. اگر ضریب انبساط حرارتی دو ماده متفاوت باشد، با هر چرخه گرمایش و سرمایش، تنش جدیدی در فصل مشترک ایجاد می‌شود.
—
۷. ترکیب دو نوع تنش
در بسیاری از قطعات، دو فرآیند با هم اتفاق می‌افتند:
تنش ناشی از پخت + تنش ناشی از اختلاف انبساط حرارتی
اگر این تنش‌ها زیاد باشند، احتمال ترک یا جداشدگی افزایش پیدا می‌کند.
—
۸. ضخامت زیاد همیشه بهتر نیست
ممکن است تصور شود که افزایش ضخامت رزین همیشه موجب افزایش ایمنی عایقی می‌شود. از نظر عایقی، افزایش ضخامت ممکن است در برخی شرایط مفید باشد، اما از نظر فرآیند پخت و تنش داخلی، افزایش ضخامت می‌تواند مشکلات جدیدی ایجاد کند. در لایه‌های ضخیم، گرمای واکنش و اختلاف دمای داخل و سطح نیز اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
—
۹. گرمای واکنش
واکنش پخت اپوکسی می‌تواند گرما تولید کند. در یک لایه نازک، این گرما معمولاً راحت‌تر به محیط منتقل می‌شود. اما در حجم بزرگ‌تر رزین، دفع گرما دشوارتر می‌شود و دمای داخلی ممکن است با سطح تفاوت پیدا کند.
—
۱۰. گرادیان دما و تنش
اگر مرکز یک توده رزین گرم‌تر از سطح آن باشد، قسمت‌های مختلف ماده تمایل متفاوتی به انبساط و انقباض خواهند داشت. این اختلاف می‌تواند تنش داخلی ایجاد کند. به همین دلیل، ضخامت و هندسه در فرآیندهای ریخته‌گری رزین اهمیت زیادی دارند.
—
۱۱. گوشه‌های تیز
گوشه‌های تیز فقط از نظر میدان الکتریکی مهم نیستند. از نظر مکانیکی نیز می‌توانند محل تمرکز تنش باشند. در نتیجه، گوشه تیز ممکن است از دو جهت نامطلوب باشد:
– تمرکز میدان الکتریکی و تمرکز تنش مکانیکی
اصلاح هندسه در بسیاری از موارد می‌تواند هر دو مشکل را کاهش دهد.
—
۱۲. تغییر ناگهانی ضخامت
اگر ضخامت رزین در یک قسمت بسیار کم و در قسمت دیگر بسیار زیاد باشد، رفتار حرارتی و جمع‌شدگی دو بخش یکسان نخواهد بود. این اختلاف می‌تواند تنش موضعی ایجاد کند. طراحی یکنواخت‌تر، در صورت امکان، معمولاً کنترل فرآیند را آسان‌تر می‌کند.
—
۱۳. فصل مشترک رزین و فلز
چسبندگی مناسب باعث می‌شود نیروها بین دو ماده بهتر منتقل شوند. اما چسبندگی بسیار بالا نیز به معنی حذف تنش داخلی نیست. اگر دو ماده بخواهند به میزان متفاوت منقبض یا منبسط شوند، اتصال همچنان تحت تنش قرار می‌گیرد.
—
۱۴. جداشدگی از فلز
اگر تنش فصل مشترک از ظرفیت سیستم بیشتر شود، ممکن است جداشدگی رخ دهد. جداشدگی می‌تواند ابتدا بسیار کوچک و غیرقابل مشاهده باشد. اما فضای ایجادشده در فصل مشترک می‌تواند در برابر رطوبت و تخلیه الکتریکی حساس شود.
—
۱۵. ترک داخلی
تمام ترک‌ها از بیرون قابل مشاهده نیستند. ممکن است یک ترک در داخل توده رزین شکل بگیرد و در نهایت به سطح برسد. در تجهیزات حساس، صرف بازرسی ظاهری نمی‌تواند تمام عیوب داخلی را رد کند.
—
۱۶. ترک سطحی
ترک سطحی ممکن است بر اثر تنش مکانیکی، حرارتی، جمع‌شدگی، ضربه یا پیرشدگی ایجاد شود. اگر این ترک در یک محیط مرطوب یا آلوده قرار گیرد، ممکن است مسیر مناسبی برای نفوذ رطوبت و آلودگی ایجاد کند.
—
۱۷. ارتباط ترک با تخلیه جزئی
اگر ترک یا حفره در داخل عایق دارای گاز باشد، خواص الکتریکی آن با رزین اطراف متفاوت خواهد بود.ذدر صورت وجود میدان کافی، امکان وقوع تخلیه جزئی در چنین فضای خالی وجود دارد. بنابراین ترک مکانیکی می‌تواند در نهایت به یک مسئله الکتریکی تبدیل شود.
—
۱۸. حفره بین رزین و زیرلایه
یکی از نقاط حساس، فضای خالی بین رزین و فلز یا سرامیک است. این حفره ممکن است از ابتدا در اثر خیس‌نشدن مناسب سطح ایجاد شده باشد یا بعدها بر اثر جداشدگی شکل بگیرد. هر دو حالت باید در کنترل کیفیت مورد توجه قرار گیرند.
—
۱۹. نقش آماده‌سازی سطح
آماده‌سازی صحیح زیرلایه می‌تواند چسبندگی را بهبود دهد. سطح باید از موادی مانند:
– گردوغبار
– روغن
– گریس
– رطوبت
– آلودگی شیمیایی
– لایه‌های سست
پاک شود. روش آماده‌سازی دقیق باید متناسب با جنس زیرلایه و دستورالعمل محصول انتخاب شود.
—
۲۰. رطوبت و تنش داخلی
رطوبت فقط یک عامل الکتریکی نیست. وجود رطوبت در سطح یا فصل مشترک می‌تواند چسبندگی را کاهش دهد و شرایط تشکیل عیوب بین‌سطحی را تغییر دهد. بنابراین اجرای رزین روی سطح مرطوب می‌تواند هم مشکل مکانیکی و هم مشکل عایقی ایجاد کند.
—
۲۱. پخت ناقص
اگر پخت کامل انجام نشود، خواص نهایی رزین ممکن است به مقدار مورد انتظار نرسد. ممکن است:
– سختی کاهش یابد
– چسبندگی تغییر کند
– مقاومت حرارتی کاهش یابد
– خواص دی‌الکتریک تغییر کند
– جذب رطوبت افزایش یابد
بنابراین کنترل فرآیند پخت اهمیت اساسی دارد.
—
۲۲. پخت بیش از حد یا دمای نامناسب
از طرف دیگر، دمای بیش از حد نیز می‌تواند مشکلاتی ایجاد کند. ممکن است زیرلایه، کابل یا سایر اجزای تجهیز تحمل شرایط پخت را نداشته باشند. بنابراین فرآیند پخت باید نه فقط برای رزین، بلکه برای کل مجموعه بررسی شود.
—
۲۳. نسبت اختلاط
رزین و هاردنر باید طبق نسبت مشخص محصول ترکیب شوند. افزودن هاردنر بیشتر با این تصور که «پخت سریع‌تر یا کامل‌تر می‌شود» روش صحیحی نیست. همچنین کم کردن هاردنر نیز می‌تواند واکنش را ناقص کند. نسبت دقیق برای هر محصول باید از مستندات رسمی همان محصول گرفته شود.
—
۲۴. اختلاط نامناسب
حتی اگر نسبت وزنی درست باشد، اختلاط ناقص می‌تواند باعث ایجاد نواحی با ترکیب متفاوت شود. این نواحی ممکن است رفتار مکانیکی و الکتریکی متفاوتی داشته باشند. بنابراین کیفیت اختلاط بخشی از کیفیت نهایی عایق است.
—
۲۵. حباب در اثر اختلاط
اختلاط شدید می‌تواند هوا را وارد رزین کند. اگر این هوا قبل از پخت خارج نشود، ممکن است به صورت حباب داخلی باقی بماند. در قطعات حساس، روش اختلاط باید به گونه‌ای انتخاب شود که ورود هوا حداقل شود.
برای خرید محصول کلیک کنید
۲۶. خلأ و حباب‌زدایی
در بعضی فرآیندهای صنعتی، از خلأ برای کاهش حباب استفاده می‌شود. اما اعمال خلأ نیز باید کنترل‌شده باشد. کاهش فشار می‌تواند باعث کف کردن یا افزایش حجم ظاهری رزین شود و اگر فرآیند بدون کنترل انجام شود، حتی ممکن است مشکلات جدیدی ایجاد کند.
—
۲۷. ضخامت لایه و جمع‌شدگی
در پوشش‌های نازک، تغییر حجم مطلق معمولاً کوچک‌تر است. در حجم‌های بزرگ رزین، مقدار مطلق تغییر حجم می‌تواند قابل توجه‌تر شود. به همین دلیل، فرآیندهای Potting و ریخته‌گری نیازمند توجه ویژه به جمع‌شدگی و گرمای پخت هستند.
—
۲۸. رزین‌های پرشده با فیلر
افزودن فیلر می‌تواند بسیاری از خواص رزین را تغییر دهد. بسته به نوع و مقدار فیلر، ممکن است:
– جمع‌شدگی تغییر کند
– رسانندگی حرارتی تغییر کند
– ضریب انبساط حرارتی تغییر کند
– مدول مکانیکی تغییر کند
– ویسکوزیته افزایش یابد
اما هیچ‌کدام را نمی‌توان بدون دانستن فرمولاسیون واقعی به محصول خاصی نسبت داد.
—
۲۹. فیلر و تنش حرارتی
در برخی فرمولاسیون‌ها، فیلر می‌تواند ضریب انبساط حرارتی کامپوزیت را کاهش دهد. این موضوع ممکن است در کاهش اختلاف انبساط با بعضی زیرلایه‌ها مفید باشد. اما اثر نهایی به نوع، مقدار، شکل و پراکنش فیلر وابسته است.
—
۳۰. پراکنش نامناسب فیلر
اگر ذرات فیلر به صورت یکنواخت پخش نشوند، مناطق با خواص متفاوت ایجاد می‌شوند. تجمع ذرات می‌تواند بر:
– تنش مکانیکی
– انتقال حرارت
– ویسکوزیته
– حباب‌زدایی
– خواص الکتریکی
اثر بگذارد.
—
۳۱. تنش پسماند
پس از پایان پخت و سرد شدن، ممکن است بخشی از تنش در ساختار باقی بماند. این تنش را تنش پسماند می‌نامند. اگر مقدار آن بالا باشد، قطعه ممکن است حتی بدون اعمال بار خارجی محسوس نیز در وضعیت تنش قرار داشته باشد.
—
۳۲. تأثیر تنش داخلی و تنش پسم
تنش پسماند به تنهایی الزاماً به معنی خرابی نیست. اما اگر با عوامل دیگری مانند:
– لرزش
– سیکل حرارتی
– رطوبت
– اضافه‌ولتاژ
– نقص داخلی
همراه شود، می‌تواند احتمال خرابی تدریجی را افزایش دهد.
—
۳۳. هندسه قطعه
هندسه مناسب می‌تواند در کاهش تنش مفید باشد. سطوح با تغییرات شدید ضخامت، گوشه‌های تیز و نواحی محدودشده معمولاً نیازمند توجه بیشتری هستند. طراحی مناسب قالب و قطعه می‌تواند مشکلات فرآیند را از ابتدا کاهش دهد.
—
۳۴. نقش شعاع انحنا
افزایش شعاع در گوشه‌ها می‌تواند تمرکز تنش مکانیکی را کاهش دهد. از سوی دیگر، همین تغییر می‌تواند توزیع میدان الکتریکی را نیز بهبود دهد. بنابراین در طراحی عایق‌های حساس، شعاع گوشه‌ها یک پارامتر صرفاً مکانیکی نیست.
—
۳۵. لایه‌های متعدد
گاهی به جای اجرای یک لایه بسیار ضخیم، می‌توان از چند مرحله اجرای لایه‌ای استفاده کرد. این کار در برخی کاربردها می‌تواند کنترل فرآیند، خروج حباب و مدیریت ضخامت را آسان‌تر کند. اما کیفیت چسبندگی بین لایه‌ها و زمان مناسب اجرای لایه بعدی باید کنترل شود.
—
۳۶. خطر اجرای لایه جدید روی سطح نامناسب
اگر لایه قبلی بیش از حد سخت یا آلوده شده باشد، اجرای لایه جدید ممکن است چسبندگی مطلوبی ایجاد نکند. وجود گردوغبار، رطوبت یا آلودگی بین دو لایه می‌تواند یک فصل مشترک ضعیف ایجاد کند.
—
۳۷. کنترل ضخامت
ضخامت واقعی باید در نقاط مختلف قطعه بررسی شود. ضخامت بیش از حد می‌تواند مشکلات حرارتی و فرآیندی ایجاد کند و ضخامت کمتر از مقدار طراحی‌شده نیز ممکن است سطح عایقی کافی ایجاد نکند. بنابراین هدف، صرفاً «زیاد کردن ضخامت» نیست؛ بلکه رسیدن به ضخامت طراحی‌شده و یکنواخت است.
—
۳۸. ترک ناشی از شوک حرارتی
تغییر بسیار سریع دما می‌تواند تنش زیادی در رزین و زیرلایه ایجاد کند. اگر این تغییرات به صورت مکرر اتفاق بیفتند، امکان رشد ترک‌های ریز وجود دارد. در تجهیزات فضای باز، چرخه‌های طبیعی دمایی نیز باید مورد توجه قرار گیرند.
—
۳۹. تنش در فصل مشترک چندلایه
اگر یک سیستم شامل فلز، لایه قدیمی، رزین جدید و پوشش خارجی باشد، هر فصل مشترک می‌تواند رفتار متفاوتی داشته باشد. در چنین شرایطی، احتمال جداشدگی در ضعیف‌ترین فصل مشترک بیشتر است.
—
۴۰. چگونه تنش داخلی را کاهش دهیم؟
به صورت کلی می‌توان روی عوامل زیر تمرکز کرد:
– انتخاب فرمولاسیون مناسب
– کنترل نسبت اختلاط
– آماده‌سازی صحیح سطح
– کنترل دمای پخت
– کنترل ضخامت
– کاهش حباب
– طراحی مناسب هندسه
– کنترل تغییرات ناگهانی ضخامت
– توجه به اختلاف انبساط حرارتی
– اجرای صحیح لایه‌های متعدد
روش دقیق باید با محصول و کاربرد واقعی سازگار باشد.
—
۴۱. بازرسی پس از پخت
پس از پخت، سطح باید از نظر وجود:
– ترک
– حفره
– جداشدگی
– تغییر رنگ غیرعادی
– شره
– نواحی ناقص
بررسی شود. البته نبود عیب ظاهری به معنی نبود تمام عیوب داخلی نیست.
—
۴۲. آزمون چسبندگی
در پروژه‌های حساس، آزمون چسبندگی می‌تواند اطلاعات بیشتری درباره کیفیت اتصال رزین به زیرلایه ارائه کند. روش آزمون باید متناسب با نوع پوشش و زیرلایه انتخاب شود.
—
۴۳. آزمون‌های الکتریکی
در صورت نیاز می‌توان آزمون‌های الکتریکی متناسب با تجهیز انجام داد. برای مثال:
– مقاومت عایقی
– ولتاژ تحمل
– ولتاژ شکست
– تخلیه جزئی
هر کدام اطلاعات متفاوتی ارائه می‌کنند و نباید یکی را جایگزین دیگری دانست.
—
۴۴. نمونه شاهد
یکی از روش‌های مفید در پروژه‌های حساس، تهیه نمونه شاهد با همان ماده و شرایط اجرای قطعه اصلی است. این نمونه می‌تواند برای بررسی:
– وضعیت پخت
– ظاهر
– ضخامت
– چسبندگی
– آزمون‌های الکتریکی
استفاده شود.
—
۴۵. رزین اپوکسی پادنار 8119
طبق اطلاعات فنی ارائه‌شده برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، نتایج آزمون روی نمونه ۱ میلی‌متری شامل ولتاژ شکست ۲۱ کیلوولت در حالت خشک و ۱۴ کیلوولت در حالت مرطوب بوده است. همچنین ولتاژ تحمل یک‌دقیقه‌ای در حالت خشک ۳.۵ کیلوولت و در حالت مرطوب ۲.۵ کیلوولت اعلام شده است. این اطلاعات برای همان نمونه و شرایط آزمون قابل استناد هستند، اما اطلاعاتی درباره میزان جمع‌شدگی، تنش پسماند، ضریب انبساط حرارتی یا رفتار قطعات ضخیم ارائه نمی‌کنند. بنابراین نمی‌توان از این داده‌ها، بدون آزمون اختصاصی، نتیجه گرفت که یک قطعه ضخیم یا یک سیستم Potting در برابر تنش‌های داخلی ناشی از پخت عملکرد مشخصی خواهد داشت.
—
۴۶. چرا نتیجه آزمون یک میلی‌متر برای قطعه ضخیم کافی نیست؟
رفتار یک لایه ۱ میلی‌متری الزاماً با یک توده چند سانتی‌متری رزین یکسان نیست. در حجم بزرگ‌تر، موضوعاتی مانند گرمای واکنش، انتقال حرارت، زمان پخت، حباب زدایی و تنش داخلی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. به همین دلیل برای قطعات ضخیم، بهتر است آزمون روی ساختار واقعی یا نمونه‌ای با هندسه و ضخامت مشابه انجام شود.
—
۴۷. کنترل فرآیند مهم‌تر از افزایش بی‌رویه ضخامت
یکی از خطاهای رایج این است که برای افزایش ایمنی، ضخامت رزین بدون توجه به فرآیند افزایش داده شود. در حالی که یک لایه ضخیم و پرتنش ممکن است از یک سیستم چندلایه کنترل‌شده، عملکرد مطلوب‌تری نداشته باشد. طراحی عایق باید هم خواص الکتریکی و هم فرآیند ساخت را در نظر بگیرد.
—
۴۸. چک‌لیست کنترل تنش داخلی
پیش از اجرای رزین بهتر است این موارد بررسی شوند:
سطح خشک و تمیز است؟
جنس زیرلایه مشخص است؟
ضخامت طراحی‌شده مشخص است؟
هندسه قطعه باعث حبس هوا نمی‌شود؟
حجم رزین و شرایط پخت کنترل شده است؟
نسبت اختلاط مطابق دستورالعمل محصول است؟
گرمای پخت به قطعات مجاور آسیب نمی‌زند؟
اختلاف انبساط حرارتی بررسی شده است؟
اتصال بین لایه‌ها مناسب است؟
نمونه شاهد در نظر گرفته شده است؟
—
۴۹. جمع‌بندی
جمع‌شدگی و تنش داخلی از موضوعاتی هستند که در ظاهر ممکن است کمتر از ولتاژ شکست یا مقاومت عایقی مورد توجه قرار گیرند، اما در عملکرد بلندمدت یک سیستم عایقی اهمیت زیادی دارند. رزین اپوکسی هنگام پخت دچار تغییرات شیمیایی و حرارتی می‌شود. هنگامی که این ماده به فلز، سرامیک، کابل یا لایه دیگری متصل است، امکان حرکت آزادانه آن محدود می‌شود و در نتیجه تنش داخلی می‌تواند شکل بگیرد. اگر این تنش با اختلاف انبساط حرارتی، ضخامت زیاد، حباب، رطوبت، هندسه نامناسب یا چسبندگی ضعیف همراه شود، احتمال ایجاد ترک و جداشدگی افزایش می‌یابد. ترک و حفره نیز در یک سیستم الکتریکی می‌توانند به نقاط مستعد تخلیه جزئی و پیرشدگی تبدیل شوند.
در مورد رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، داده‌های اعلام‌شده برای نمونه ۱ میلی‌متری، شامل ولتاژ شکست ۲۱ کیلوولت در حالت خشک و ۱۴ کیلوولت در حالت مرطوب، اطلاعاتی درباره رفتار الکتریکی نمونه در شرایط آزمون هستند؛ اما برای قضاوت درباره جمع‌شدگی، تنش پسماند یا رفتار یک قطعه ضخیم باید آزمون‌های اختصاصی انجام شود. در نهایت، طراحی یک عایق اپوکسی موفق فقط به انتخاب ماده‌ای با استقامت الکتریکی مناسب محدود نمی‌شود؛ فرآیند پخت، ضخامت، هندسه، چسبندگی، انتقال حرارت و اختلاف انبساط حرارتی نیز باید هم‌زمان کنترل شوند.
۰ دیدگاه