湿热海洋环境下接插件带电腐蚀行为研究

吕旺燕，黄建业，阮红梅，陈川，陈天生

（1.广东电网有限责任公司 电力科学研究院，广州 510080；2.中国电器科学研究院有限公司 工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 510080）

湿热海洋环境最大的特点就是高温、高湿、高盐雾，电器设备长期处于这种恶劣大气环境当中，如果防护措施不到位就会造成电器设备内部元器件的快速污染、腐蚀，进而使这些元器件的品质快速下降，大大缩短其使用寿命，严重威胁到电器设施的安全运行[1-4]。电路板接插件是电器设备中重要的元器件之一，分布于各个系统和部位，担负着电能传输、信号控制与传递任务[5-6]。任何一个接插件故障都可能导致整个电路或某一控制设备无法正常工作或停役。因此非常有必要对接插件的腐蚀行为进行研究，进而提出有针对性的防护措施。

目前国内外对于接插件腐蚀行为的研究尚采用传统的大气腐蚀研究方法和思维模式[7-9]，未考虑流通电流对于接插件腐蚀的影响。事实上，电流对接插件材料腐蚀的影响相对于其他因素复杂得多。因此，需结合空气温度、湿度等腐蚀环境因素有针对性地研究电流对接插件腐蚀行为的影响，揭示电流与腐蚀环境因素对接插件材料腐蚀行为影响的交互作用，才能真实反映出湿热海洋环境下接插件的腐蚀行为特征及失效机制，正确评估接插件材料的腐蚀状态，从而有效指导接插件材料的设计、维护和更换。

文中将通过调查与采集电路板接插件在我国典型的湿热海洋大气环境中服役时的温度、湿度、海洋粒子沉降量等环境条件数据，分析服役环境的变化规律，并利用无氧铜标准测试片检测评价服役环境的腐蚀性。同时开展电路板接插件在湿热海洋大气环境下带电工况和不带电工况试验，通过检测外观、接触电阻、绝缘电阻，分析接插件在两种工况下的腐蚀行为规律及差异，并分析影响电路板接插件腐蚀的关键环境因素，从而为接插件材料的选材设计、维护和更换提供科学依据。

1 试验

1.1 试验样品

将插针式的接线端子和贴片式的数据通信接插件焊接在30 mm×30 mm的电路板上，形成电路板接插件样品，如图1所示。贴片式数据通信接插件为铜镀锡材质，插针式接线端子的螺钉为钢，其他为铜镀锡材质。电路板采用FR-4环氧树脂，厚1.6 mm，单面印刷，采用无铅焊锡。

1.2 试验方法

1.2.1 海南三亚试验站自然环境条件监测

采用 HMP155温度相对湿度传感器对海南三亚试验站温湿度条件进行连续收集，并统计平均值、最高值、最低值以及潮湿时间等。采用滤膜法采集海盐粒子沉降量，同时采用标准无氧铜测试片对海南三亚试验站 1—3月大气腐蚀等级进行评价，将标准无氧铜测试片挂于三亚试验站三楼，避免雨水和阳光照射。每个月取样并利用电解还原法测试分析环境的腐蚀等级。

1.2.2 接插件自然环境暴露试验

三亚试验站为典型的湿热海洋大气环境，将插针式和贴片式两种电路板接插件样品投放到三亚试验站进行棚下自然加速试验，避免雨水和阳光照射。其中一组样品通3 A电流，另一组样品不通电流，如图2所示。试验时间为2017年1—3月，样品每月月末取样一次，一次取样6片，并检查外观，测试接触电阻和绝缘电阻。

1.2.3 电路板接插件电性能测试

采用 YD2512直流低电阻测试仪对电路板接插件的接触电阻进行测试，测试电流为直流 50 mA，采用ZC-90A绝缘电阻测试仪对电路板接插件的绝缘电阻进行测试，测试电压为500 V，保持时间为1 min。电路板接插件进行接触电阻和绝缘电阻测试前，先将样品放在温度为（35±5）℃的空气循环烘箱中处理2 h。

1.2.4 铜电解还原测试方法

采用 CS350电化学工作站电解还原法对铜测试片表面的腐蚀产物分析，具体方法参考ANSI/ISA- 71.04 2013，其中铜测试片电解还原电解池如图3所示。

2 结果与讨论

2.1 湿热海洋大气自然环境条件分析

通过温湿度记录仪采集了三亚试验站 2017年1—3月的温湿度数据，并统计了每天的潮湿时间（相对湿度＞80%）。其中1月份的平均温度为23.80 ℃、平均相对湿度为 72.79%，平均潮湿时间为 6.0 h；2月份的平均温度为 22.86 ℃、平均相对湿度为74.72%，平均潮湿时间为7.4 h；3月份的平均温度为25.25 ℃、平均相对湿度为77.99%，平均潮湿时间为11.6 h。由此可以看出，1—3月的温度、相对湿度和潮湿时间呈上升趋势，其中3月的潮湿时间上升的幅度较大，约是 1月的 2倍。1—3月的最高温度均＞30 ℃，最大相对湿度均＞95%。

三亚试验站2017年1—3月的温湿度瞬时变化如图4—6所示，可以看出，温度和相对湿度均呈周期性变化。三亚试验站海洋大气环境呈干湿交替循环，每天干湿交替循环至少1次，平均潮湿时间约8 h，由此说明电路板接插件在海南三亚进行棚下自然暴露试验时，电路板每天面临干湿交替湿热海洋性环境气候，且湿热腐蚀环境每天长达8 h以上，也就意味着电路板接插件长期暴露于严酷的环境下，极其容易导致电路板接插件腐蚀失效，进而产生更大的影响[5]。

通过海盐粒子滤膜采集了海盐粒子沉降量数据，三亚试验站2017年1—3月的海盐粒子沉降量逐渐增大，分别为 0.995，1.013，1.118 mg/(100 cm2·d)。氯离子浓度越高，腐蚀性越强，因为氯离子半径小，穿透力强。当氯离子吸附在金属表面上时，会从金属表面薄弱部位进入钝化膜，使钝化膜发生局部破坏，然后对基体产生腐蚀[10]。三亚地区氯离子浓度较高，对电路板接插件的腐蚀较为严重。

图7为无氧铜测试片在海南三亚自然暴露1～3个月时间的外观形貌，可以看到，1，2月份形成的腐蚀产物膜相近，均呈棕色，这可能是因为 1，2月份的环境条件相近。3月份的温度、相对湿度和潮湿时间均高于1，2月份，形成的腐蚀产物膜呈黑褐色。

图8给出了1—3月份铜测试片的电解还原曲线，参考ANSI/ISA-71.04 2013对其进行分析，并依据该标准对海南三亚 1—3月的环境腐蚀等级进行评定。测试结果显示，1月份的腐蚀产物只有CuO，而2，3月份的腐蚀产物为Cu2O和CuO[11]，各种腐蚀产物的厚度列于表1。1，2月份的腐蚀程度分别为0.2190，0.2372 μm/月，而 3 月份的腐蚀程度为 0.3451 μm /月。三亚1—3月海洋大气环境的腐蚀等级均为GX，但3月份比1，2月份要更严酷。

综合温度、相对湿度、潮湿时间、海盐粒子沉降量和腐蚀程度测试分析数据，列于表2。1—3月份的温度、平均相对湿度、海盐粒子沉降量相差不大。当潮湿时间相近时，如 1，2月份，环境的腐蚀性也相近。当潮湿时间显著增大时，如3月份约是1月份的2倍，环境腐蚀性显著增大。这可能是因为潮湿环境下，海盐粒子将在材料表面形成带一定浓度盐溶液的薄液膜，该薄液膜将与材料发生反应，使得材料发生腐蚀失效[7]。

表1 1—3月份的环境腐蚀等级

表2 腐蚀程度与环境因素的关系

2.2 湿热海洋环境下接插件腐蚀行为分析

两组接插件样品开展棚下自然暴露试验 1～3个月后外观形貌如图9所示，贴片式数据通信接插件在通3 A电流和不通电流两种工况下试验1个月后，外观无明显变化；试验2个月后，焊接位置附近出现白膜，白膜可能是焊锡膏老化形成的[12-13]，金属没有明显腐蚀；试验3个月后，焊接位置附近仍然有白膜，金属仍没有明显腐蚀。贴片式数据通信接插件暴露于严酷的湿热海洋环境下长达3个月之久，金属部件没有发生腐蚀，可能是影响较小，从表观形貌上无法分辨，也可能是因为该类贴片式数据通信接插件本身材料的耐腐蚀性能较为优异[14]。

插针式接线端子在通3 A电流的工况下试验1个月后，外观无明显变化；试验2个月后，焊接位置附近出现白膜，金属没有明显腐蚀；试验3个月后，金属仍没有明显腐蚀，可能是影响较小，从表观形貌上无法分辨。在不通电流工况下试验1个月后，外观无明显变化；试验2个月后，焊接位置附近出现白膜，金属螺钉发生轻微腐蚀；试验3个月后，金属螺钉严重腐蚀，这可能是电流对插针式接线端子螺钉等起到一定的保护作用，反而抑制了腐蚀的发生。

表 3列出了贴片式试验前后的接触电阻和绝缘电阻。贴片式接插件在通3 A电流和不通电流两种工况下的接触电阻试验前后基本没有明显变化，贴片式接插件的绝缘电阻在两种工况下试验1个月后，均下降到107Ω数量级，试验2个月和3个月后，绝缘电阻仍然维持为107Ω数量级。贴片式数据通信接插件在通3 A电流和不通电流两种工况下的腐蚀行为基本没有差异，试验1～3个月后，铜镀锡金属没有明显腐蚀，带电和不带电两种工况下腐蚀行为基本一致，带电对贴片式接插件腐蚀行为没有多大影响。

表 4列出了插针式接插件试验前后的接触电阻和绝缘电阻。插针式接插件在通3 A电流和不通电流两种工况下的接触电阻试验前后基本没有明显变化。插针式接插件在通3 A电流的工况下试验1～3个月，绝缘电阻均保持在 1011Ω 数量级；在不通电流工况下试验 1～3个月，绝缘电阻逐渐下降，分别为1011，109，106Ω数量级。插针式接线端子在通3 A电流和不通电流两种工况下的腐蚀行为存在明显差异，在通3 A电流工况下试验1～3个月后，接线端子没有明显腐蚀。在不通电流工况下试验 1个月后，接线端子没有明显腐蚀；试验 2个月后，螺钉发生轻微腐蚀；试验3个月后，螺钉发生严重腐蚀。由此可见，对于插针式接线端子来说，通3 A电流能起到一定的防护作用，而对于贴片式数据通信接插件，通3 A电流并没有产生明显的影响[15]。

表3 三亚自然环境暴露试验前后贴片式接插件的接触电阻和绝缘电阻

表4 三亚自然环境暴露试验前后插针式接插件接触电阻和绝缘电阻

3 结论

1）三亚湿热海洋大气环境1—3月份呈干湿交替循环，每天至少发生1次循环，平均潮湿时间分别为6.0，7.4，11.6 h。1—3月份的环境腐蚀性均为GX级，其中环境腐蚀性主要受潮湿时间影响，潮湿时间越长，环境腐蚀性越大，3月份腐蚀环境较1月2月更加严酷。

2）贴片式数据通信接插件在带电和不带电工况下湿热海洋环境自然暴露3个月后，腐蚀行为基本相似，无明显差异，接触电阻没有发生变化，绝缘电阻均降为107Ω数量级，金属元器件均未发生明显的腐蚀现象。

3）插针式接线端子在带电和不带电工况下湿热海洋环境自然暴露 3个月后，接触电阻没有发生变化，但腐蚀行为存在明显差异，在不通电流工况下，螺钉发生严重腐蚀，绝缘电阻降为106Ω。在3 A电流通电工况下，螺钉没有发生腐蚀，绝缘电阻均维持在1011Ω数量级，电流对插针式接线端子螺钉等起到一定的保护作用，反而抑制了腐蚀的发生。

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