塑料击穿 | 解析高分子材料的典型失效机制

塑料击穿 | 解析高分子材料的典型失效机制

在高分子材料的失效分析中，塑料击穿是一个常见的失效模式，当塑料绝缘材料件在电场作用下无法承受过高的电压，或者内部存在缺陷和杂质时，就可能发生击穿现象，导致设备故障甚至安全事故。因此，深入分析塑料击穿的失效机制，对于提升设备质量、预防潜在风险具有重要意义。

本案例是关于某动车用插座材质为PC500R，插孔的材质是铜镀银件。现发现插座中1#孔与2#孔之间被击穿，厚度为1mm，孔位存在串电现象，导致信号系统检测到两种执行模式，造成使用异常。现对NG1和NG2插座进行失效分析，查出其失效原因。

测试分析

1 CT观察

发现NG1击穿位置内部除了有黑色的孔洞之外，还有零星白色颗粒，疑似有相对密度比较大的物质；NG2击穿位置有白色发亮物质贯穿整个孔洞。

2 光学显微观察

对NG1击穿位置进行观察，击穿位置的1#面和2#面颜色均发黑，击穿程度较大，中间区域形成较大的孔洞；1#面击穿孔洞边缘发现疑似线团的异物。

对NG2击穿位置进行观察，首先观察1#面，击穿部位颜色发黑，击穿程度比NG1较小，形成孔洞较小，孔洞里面有透明的玻纤；观察2#面，未见明显击穿孔洞，有一条明显的开裂裂纹；透明玻纤镶嵌在树脂表面；击穿方向从1#孔击穿到2#孔。

3 形貌观察

对NG2进行形貌进行观察，首先观察1#面，表面非常平整，疑似人为被削平；击穿位置内部和未击穿位置均有玻纤分布；击穿位置有呈流线型分布的发亮颗粒，玻纤表面同样有发亮颗粒，大部分玻纤表面相对比较光滑，玻纤与树脂的结合强度相对比较差。

对NG2 2#面进行观察，宏观观察，有较多的玻纤分布在树脂表面，击穿位置无明显孔洞；局部放大，有明显的开裂裂纹；玻纤镶嵌在树脂表面，玻纤表面相对比较光滑，玻纤表面无明显残留的树脂；局部树脂表面有轻微损伤；切换背散射模式观察，击穿位置表面有较多零星分布的发亮颗粒；损伤树脂内部同样有较多颗粒，有点颜色较亮，有点颜色较暗，为两种为不同性质的颗粒。

对NG1击穿位置的形貌进行观察，首先观察1#面，击穿位置有较深的孔洞；击穿边缘有线条异物存在；切换背散射模式观察，同样发现击穿位置周围有较多零星发亮颗粒；2#面击穿位置同样有较深的孔洞，无明显异物存在，有零星的发亮颗粒。

4 EDS分析

得知NG1发亮颗粒的主要元素为银、氯，NG2 1#面发亮颗粒主要为银元素，还有氯和溴，2#面发亮颗粒大多为银、氯、溴元素，个别颗粒为含有Fe、Cr、V金属颗粒。

对样NG1插孔的元素进行分析，得知插孔的主要元素是银，还有少量的铜，表明插孔是镀银件，银容易被卤素发生腐蚀，且腐蚀后在电场作用下容易发生迁移。

5 切片分析

从图片中可以看出，NG2的2#面未完全击穿，有一条从树脂内部到2#面的裂纹；图片中两个类似圆形的黑色孔洞为灌封环氧树脂时引入的气泡；在击穿位置内部同样可观察到呈流线型分布的发亮物质，疑似从外部迁移导致；除击穿位置内部外，未击穿部位在玻纤边缘可观察到发亮颗粒。

对NG2切片进行形貌观察，首先观察流线型分布的发亮颗粒，在流线型发亮物质的旁边可观察到树枝分叉的形貌，为典型的迁移形貌；部分玻纤与树脂发生脱离，玻纤与树脂之间存在缝隙，银离子容易在缝隙中迁移；玻纤边缘可观察到发亮颗粒。

对发亮颗粒元素进行表征，得知发亮元素主要为银、溴元素，玻纤边缘的主要元素同样为银、溴元素。

同样对NG1切片金相显微镜进行观察，击穿程度较大，1#面到2#面完全贯通；击穿位置表面分布少量发亮颗粒。用扫面电子显微镜进行观察，局部发亮颗粒比较密集，且有长条的发亮物质，疑似银离子迁移的形貌。对发亮颗粒物质进行分析，得知发亮主要元素是银、溴。

6 成分分析

进行主成分分析，得知插座的主成分均为聚碳酸脂，聚碳酸脂中含有酯基，容易发生吸水。

通过XRF元素分析，可知NG2粒子中含有较多的溴，NG2色母中含有较多的氯和铁。

结论

总结：

插座失效模式是电击穿。插座被击穿的原因是：插座中含有卤素（氯、溴），对插孔中的银发生了腐蚀，变成了银离子，在湿气与电场的作用下，沿着玻纤的表面缝隙发生电化学迁移，降低了孔位之间的绝缘电阻，导致击穿。

建议：

选用无卤素的原料；改善玻纤与树脂的粘结强度，切断迁移通道。

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