家用電水壺失效分析

李沅駿 向雄志

LI Yuanjun XIANG Xiongzhi

深圳大學材料學院 深圳 518060

Shenzhen Key Laboratory of Polymer Science and Technology, Guangdong Research Center for Interfacial Engineering of Functional Materials, College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University Shenzhen 518060

1 引言

電水壺具有使用方便、加熱迅速、自動斷電、外形美觀等優(yōu)點[1]。隨著生活節(jié)奏的加快，電水壺的市場增長迅速[2-4]。數(shù)據(jù)顯示，全球每年電水壺的銷售量約為1億只，其中歐美市場和中國市場的總和已占七成。當下很多家庭以及酒店房間都配備有電水壺，通過電加熱可以高效方便的燒開水，但這也對電水壺的可靠性提出了較高的要求。本文針對一個使用一年后就發(fā)生漏水的某品牌電水壺進行了失效分析。

2 工況分析

該電水壺壺嘴與壺身材料為SUS304不銹鋼，壺嘴與壺身之間的連接工藝為目前廣泛采用的電阻點焊定位加硅膠封閉，不銹鋼壺身有塑料外殼包裹，如圖1所示。電水壺在使用一年多以后多次發(fā)生短路跳閘事故，在破除表層塑料外殼后發(fā)現(xiàn)壺嘴與壺身之間有多處漏水，如圖2(a)、2(b)所示。同時壺嘴底部漏出的水已經(jīng)沿著壺身流到底部，接觸到壺底的電阻絲，底部的電阻絲已經(jīng)發(fā)生了明顯的銹蝕，如圖2(c)所示。正是由于壺嘴處的滲漏導致短路，使得該水壺在燒水過程中跳閘。同時值得注意的是，如果該水壺絕緣不好，不排除有用戶使用時觸電的可能性。據(jù)用戶反映，該水壺使用之初并沒有發(fā)生類似事故，平均每天使用2～3次，大約使用1年7個月后開始出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。該水壺從開始使用到漏水, 累計運行次數(shù)大約為1200次，遠低于GB/T 22089-2008《電水壺性能要求及試驗方法》中3000個工作周期的使用要求。

3 壺嘴結構分析

3.1 截面宏觀形貌分析

將失效區(qū)域的側截面與未失效區(qū)域的側截面放在電子顯微鏡下觀察，漏水處的宏觀照片如圖3(a)所示，可知壺嘴、壺身本身沒有宏觀裂紋的產(chǎn)生，無點蝕、縫隙腐蝕痕跡。漏水區(qū)域位于壺嘴與壺身的連接處，整體開裂剝離。未失效區(qū)域的宏觀照片如圖3(b)所示，壺嘴與壺身之間硅膠結合緊密，無開裂現(xiàn)象。

3.2 表面微觀形貌分析

將漏水處樣品剝開，利用掃描電鏡對內(nèi)表面進行分析，可觀察到內(nèi)表面上呈現(xiàn)明暗交界明顯、硅膠分布不均勻的現(xiàn)象，如圖4所示。左側脫膠處的基體表面平滑整齊，無腐蝕痕跡，可排除基體發(fā)生腐蝕而引發(fā)穿孔的可能性。

圖1電水壺外觀

圖2電水壺漏水圖

利用EDS能譜對失效區(qū)域進行線掃描分析，結果如圖5所示，左側條絮狀區(qū)域的硅元素含量顯著高于右側區(qū)域，右側區(qū)域的硅元素含量幾乎為零。線掃描結果進一步驗證了失效區(qū)域存在硅膠分布不均勻現(xiàn)象。

圖3壺嘴截面形貌（a:失效區(qū)域 b:未失效區(qū)域）

4 分析與討論

從分析測試結果來看，電水壺失效方式為壺嘴與壺身之間的連接失效，通過對比未失效區(qū)域可知，失效原因為硅膠脫膠導致漏水。

在電水壺使用之初，由于壺嘴與壺身結合較為緊密且尚有一定量的硅膠存在，不容易漏水。而在使用過程中，由于不斷的熱脹冷縮過程，使得部分硅膠填充不足的區(qū)域中，壺嘴與壺身之間的縫隙越來越大，從而導致明顯的漏水。此外，硅膠作為一種易水解橡膠，對濕熱因素的影響比較敏感，濕度環(huán)境下會使硅膠膨脹，還會使含酯、醚等基團的鏈發(fā)生水解反應。壺嘴底部極為容易積水，濕度環(huán)境下，會使硅膠試樣膨脹，還會使含酯、醚等基團的鏈發(fā)生水解反應。在濕熱因素作用下硅膠易發(fā)生老化變質[5-6]。所以盡管水壺使用初期無漏水現(xiàn)象，但水的滲入對硅膠的失效具有明顯的加速作用。水壺在使用過程中每次倒水時必然有部分水存留，這些水沿著縫隙留下，在壺身上沒有任何引流設計，壺身以下的加熱電路部分也沒有任何保護設計，極易發(fā)生短路。

圖4內(nèi)表面硅膠分布不均

圖5 Si元素含量線譜圖

5 建議與改進

電水壺是常用的家用電器，一旦發(fā)生漏水，水接觸到壺底的電阻絲，會造成漏電危險，甚至可致消費者觸電身亡。因此，為杜絕此類現(xiàn)象發(fā)生，建議從以下因素著手改進：

（1）裝配時應規(guī)范操作，保證硅膠填充密實，杜絕滲水現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）壺底加引流防護裝置，防止漏出的水接觸到電阻絲，從而保護消費者的人身安全。