超高溫環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響

摘要：目的：探究超高溫環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響。方法：測(cè)試電氣控制柜接線端在不同溫度環(huán)境下、受溫度沖擊情況下和處于真空熱循環(huán)環(huán)境下的粘接強(qiáng)度，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析常溫環(huán)境和超高溫環(huán)境對(duì)接線端粘接強(qiáng)度的影響。結(jié)果：當(dāng)溫度在25℃-45℃時(shí)，DMA值最高，在此溫度區(qū)間，膠粘劑的穩(wěn)定性高，力學(xué)強(qiáng)度變化不大，粘接強(qiáng)度達(dá)到最大程度，電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度在20-80℃內(nèi)穩(wěn)定性較好，在常溫環(huán)境下粘接強(qiáng)度最強(qiáng)，強(qiáng)度保持率最高。而當(dāng)溫度開始進(jìn)入超高溫環(huán)境時(shí)，其粘接強(qiáng)度和強(qiáng)度保持率均隨著溫度的升高急劇下降，其主要原因是高溫改變了膠粘劑的分子結(jié)構(gòu)，其性能也隨之改變，當(dāng)其處于200℃高溫時(shí)，膠粘劑的內(nèi)聚強(qiáng)度接近于0，其性能會(huì)完全失效，可能會(huì)引發(fā)意外危險(xiǎn)。結(jié)論：超高溫環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響程度較大，為保證電路安全，必須要嚴(yán)格控制環(huán)境溫度。

關(guān)鍵詞：超高溫環(huán)境;電氣控制柜;控制柜接線端;粘接強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）08-0010-05

The Influence of Ultra High Temperature Environment on theBonding Strength of Electrical Control Cabinet Terminals

LIN Fu

（School of Information and Manufacturing，Minxi Vocational and Technical College，Longyan Fujian 364000.Chian）

Abstract ： Objective ： To explore the influence of ultra-high temperature environment on the bonding strength ofelectrical control cabinet terminals.Methods：the honding strength of the terminals of the electric control cahinetwas tested under different temperature environment.under the impact of temperature and under the vacuum ther-mal cycle environment.According to the test results.the influence of normal temperature environment and ultra-high temperature environment on the bonding strength of the terminals was analyzed.Results：when the temperatureis 25℃-45℃ .DMA value is the highest.ln this temperature range，the adhesive has high stahility，little change inmechanical strength，and the adhesive strength reaches the maximum degree.The terminal bonding strength of theelectric control cabinet is stable in 20-80℃.the adhesive strength is the strongest and the strength retention rate isthe highest in the normal temperature environment.When the temperature begins to enter the ultra-high tempera-ture environment.the adhesive strength and strength retention rate decrease sharply with the increase of tempera-ture.The main reason is that the high temperature changes the molecular structure of the adhesive.and its perfor-mance also changes.When the temperature is 200℃.the cohesive strength of the adhesive is close to O，and its per-formance will completely fail，which may cause unexpected danger.Conclusion：ultra high temperature envircmmenthas a great influence on the bonding strength of the terminal of the electric control cahinet.ln order to ensure thecircuit safety，it is necessary to strictly control the ambient temperature.

Key words ： ultra high temperature environment;electrical control cabinet;control cabinet terminal;bonding strength

0 引言

電氣控制柜是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求將各種開關(guān)設(shè)備、測(cè)量設(shè)備和相關(guān)保護(hù)設(shè)備組裝在一個(gè)半封閉的金屬柜中，常常用于發(fā)電站、配電所和變電所等重要電力場所，可以實(shí)現(xiàn)無人為操作的供電白動(dòng)控制系統(tǒng)，在工作運(yùn)行時(shí)柜內(nèi)的溫度接近于常溫26℃[1]。電氣控制柜的內(nèi)部設(shè)備由無數(shù)個(gè)電箱相連，電線的接線端的封裝多采用膠粘劑進(jìn)行封裝[2]。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的膠粘劑已經(jīng)不能滿足電氣控制柜的使用需求，因此研究出了各方面性能均比傳統(tǒng)膠粘劑更優(yōu)秀的高分子膠粘劑，目前電氣控制柜常使用環(huán)氧酸酯型高分子膠粘劑對(duì)接線端進(jìn)行封裝，以達(dá)到防水、防潮、防塵以及耐熱的等保護(hù)需求[3]。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，當(dāng)溫度達(dá)到80℃時(shí)電氣控制柜處于高溫環(huán)境，已發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)溫度超過120℃時(shí)，電氣控制柜處于超高溫環(huán)境[4]。

本文深入研究了超高溫環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響，通過準(zhǔn)備各種實(shí)驗(yàn)所需儀器，制備電氣控制柜接線端樣品，應(yīng)用膠粘劑強(qiáng)度測(cè)試方法，設(shè)計(jì)三種對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試電氣控制柜接線端在不同溫度環(huán)境下、受不同溫度沖擊情況下和處于不同真空熱循環(huán)環(huán)境下的粘接強(qiáng)度，并對(duì)膠粘劑進(jìn)行DMA和TGC測(cè)試，并使用掃描電鏡對(duì)接線端處的膠層進(jìn)行微觀觀察，對(duì)比接線端在常溫環(huán)境和超高溫環(huán)境下膠粘強(qiáng)度的不同，從而得出超高溫環(huán)境會(huì)使接線端的膠粘強(qiáng)度急劇下降的結(jié)論[5]。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了探究超高溫環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了3種對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試電氣控制柜接線端在不同溫度環(huán)境下、受溫度沖擊情況下和處于真空熱循環(huán)環(huán)境下的粘接強(qiáng)度，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析常溫環(huán)境和超高溫環(huán)境對(duì)接線端粘接強(qiáng)度的影響[6]。

1.2實(shí)驗(yàn)試劑與設(shè)備

電氣控制柜接線端專用電線，-28B、J-2IC，公牛公司;電線專用膠粘劑，環(huán)氧酸酯膠粘劑，西安科技大學(xué)研究院。

CJYGHCG 21變換紅外光譜溫度測(cè)試儀，英國BANKER公司;熱失重分析儀，德國ANGLE公司;動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，意大利WEAK公司;萬能試驗(yàn)機(jī)，法國FANK公司;掃描電鏡，荷蘭飛利浦;溫度沖擊設(shè)備，北京環(huán)境工程研究所;環(huán)境模擬器，上海環(huán)境研究所[7]。

1.3實(shí)驗(yàn)方法與過程

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方法

選用膠粘劑粘接強(qiáng)度測(cè)定方法，對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定[8]。粘接強(qiáng)度計(jì)算如公式（1）所示。

N=m√T-10kv

（1）

其中，N表示粘接力;m表示環(huán)氧酸酯膠粘劑的質(zhì)量;T為所處溫度;v表示膠粘劑的體積;k表示環(huán)氧酸酯膠粘劑的粘接系數(shù)[9]。

1.3.2 樣件的制備

按照電氣控制柜接線端的接線標(biāo)準(zhǔn)，首先制作環(huán)氧酸酯膠粘劑膠膜，接著將固化后的環(huán)氧酸酯膠粘劑膠膜進(jìn)行DMA和TGC測(cè)試，然后將環(huán)氧酸酯底膠和膠膜依次涂覆粘接于接線端口，對(duì)接線端進(jìn)行粘接封裝，并按照相同的方法制作多個(gè)相同的接線端樣本樣本模型如圖1所示。

1.3.3 不同溫度下膠粘劑粘接強(qiáng)度測(cè)試

測(cè)試電氣控制柜接線端在6種溫度點(diǎn)的粘接強(qiáng)度，并計(jì)算各種溫度下膠粘劑的膠粘強(qiáng)度保持率[10]。

1.3.4 粘接強(qiáng)度溫度沖擊實(shí)驗(yàn)

將電氣控制柜接線端樣品放置在溫度沖擊設(shè)備中，對(duì)樣品進(jìn)行常溫、超高溫的溫度沖擊實(shí)驗(yàn)[11]。在實(shí)驗(yàn)的過程中，采用紅外光譜溫度測(cè)試儀監(jiān)測(cè)樣品的溫度，當(dāng)樣品到達(dá)實(shí)驗(yàn)預(yù)定的溫度后，首先將樣品放置在常溫實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行200次、400次、600次的溫度沖擊，然后將樣品從常溫實(shí)驗(yàn)箱轉(zhuǎn)移到超高溫實(shí)驗(yàn)箱，轉(zhuǎn)移時(shí)間不能超過10s，否則溫度會(huì)有所改變，測(cè)試結(jié)果會(huì)有較大誤差。轉(zhuǎn)移成功后，利用掃描電鏡對(duì)經(jīng)過200、400、600次溫度沖擊處理后的樣品進(jìn)行粘接強(qiáng)度測(cè)試及表面微觀樣貌觀察，分析膠層的外貌狀態(tài)[12]。

1.3.5 粘接強(qiáng)度真空熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)

將5個(gè)電氣控制柜接線端樣品放置到溫度環(huán)境模擬器中進(jìn)行真空熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，溫度環(huán)境模擬器的實(shí)驗(yàn)壓力設(shè)定為0.00022-0.000025Pa，常溫段為26℃，常溫溫度差為0-2℃，超高溫端的溫度為180℃[13]。超高溫溫度差為0-5℃。在真空溫度環(huán)境下，對(duì)樣品的熱循環(huán)次數(shù)為20次，每一次循環(huán)包括一個(gè)常溫一個(gè)超高溫[14]。在一號(hào)樣品上粘貼熱電偶，對(duì)一號(hào)樣品進(jìn)行溫度控制。在2-5#樣品上連接紅外線光譜溫度測(cè)試儀，對(duì)這4個(gè)樣品進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。真空熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)后對(duì)樣品進(jìn)行粘接強(qiáng)度測(cè)試和膠層外貌觀察[15]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析出電氣控制柜接線端膠粘劑的耐熱性和超高溫環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響，分析結(jié)果如下。

2.1電氣控制柜接線端膠粘劑的耐熱性

為檢測(cè)膠粘劑的耐熱性，對(duì)凝固后的環(huán)氧酸酯膠粘劑進(jìn)行DMA測(cè)試，DMA的計(jì)算方法如公式（2）所示。

G=（cs+mk）x 100%

（2）

其中，G為DMA值;c為膠粘劑的耐熱率;s為粘接面積;m表示環(huán)氧酸酯膠粘劑的質(zhì)量;k表示環(huán)氧酸酯膠粘劑的粘接系數(shù)。

得到的DMA曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，當(dāng)溫度在25-45℃時(shí)，DMA值最高，在此溫度區(qū)間，膠粘劑的穩(wěn)定性高，力學(xué)強(qiáng)度變化不大，粘接強(qiáng)度達(dá)到最大程度。然而當(dāng)溫度達(dá)到120℃的超高溫時(shí)，其性能開始急劇下降，當(dāng)溫度到200℃時(shí)，膠粘劑開始融化脫落，此時(shí)的粘接強(qiáng)度基本為0，由此可以看出，環(huán)氧酸酯膠粘劑擁有較好的耐熱性，能夠在常溫或高溫環(huán)境下保持良好的粘接強(qiáng)度，但超高溫環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響較大，會(huì)大幅度降低膠粘劑的粘接強(qiáng)度以致失效，因此應(yīng)在電氣柜保護(hù)系統(tǒng)中增加保護(hù)措施，避免在發(fā)生超高溫的情況下對(duì)系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的損壞。

在對(duì)凝固后的環(huán)氧酸酯膠粘劑進(jìn)行DMA測(cè)試后，對(duì)其進(jìn)行TGC測(cè)試，并利用熱失重分析儀對(duì)膠粘劑的失重現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，分析出膠粘劑的熱失重溫度點(diǎn)，TGC值的計(jì)算如公式（3）所示。

A=（cs+√T）x100%

（3）

其中，A為TCA值;c為膠粘劑的耐熱率;s為粘接面積;T為所處溫度。

得到的TGC曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3熱失重分析儀顯示的結(jié)果可以看出，環(huán)氧酸酯膠粘劑有3個(gè)明顯熱失重溫度點(diǎn)。第一個(gè)熱失重溫度點(diǎn)的溫度為120℃，既處于由高溫環(huán)境剛進(jìn)入超高溫環(huán)境時(shí)，膠粘劑的粘接強(qiáng)度開始發(fā)生變化，在對(duì)應(yīng)的超高溫環(huán)境下，膠粘劑結(jié)構(gòu)內(nèi)的化學(xué)鍵開始發(fā)生斷裂，導(dǎo)致膠粘劑的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，以致其性能不穩(wěn)定。第二、三個(gè)熱失重溫度點(diǎn)的溫度為150℃和200℃，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的DTG值，其計(jì)算如公式（4）所示。

E=（T1+T2）/2xM

（4）

其中，E表示DTG值;T1為所處溫度;T2為熱失重溫度;s為粘接面積;M為接線端總體質(zhì)量。

其熱失重對(duì)應(yīng)的DTG曲線如圖4所示。

2.2超高溫環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響

2.2.1 不同溫度環(huán)境對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響

將電氣控制柜接線端樣品分為6組，分別放到6種不同環(huán)境下進(jìn)行粘接強(qiáng)度檢測(cè)。6種溫度下粘接強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以看出，電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度在20-80℃內(nèi)穩(wěn)定性較好，在常溫環(huán)境下粘接強(qiáng)度最強(qiáng)，強(qiáng)度保持率最高。而當(dāng)溫度開始進(jìn)入超高溫環(huán)境時(shí)，其粘接強(qiáng)度和強(qiáng)度保持率均隨著溫度的升高急劇下降，其主要原因是高溫改變了膠粘劑的分子結(jié)構(gòu)，其性能也隨之改變，當(dāng)其處于200℃高溫時(shí)，膠粘劑的內(nèi)聚強(qiáng)度接近于0，其性能會(huì)完全失效，可能會(huì)引發(fā)意外危險(xiǎn)。

為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可靠性，應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)均值比較方法的單因素分析方法，檢驗(yàn)各個(gè)溫度環(huán)境下的其他單因素是否會(huì)對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度造成顯著性影響，并應(yīng)用FPAG數(shù)據(jù)分析軟件的LRDF程序算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，顯著性水平選擇0.1（90%置信區(qū)間）和0.02（98%置信區(qū)間），采用適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法，在6組實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行組間比較，得到的分析結(jié)果如表2所示。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，從第4組樣品開始H值開始小于0.5，與常溫樣品組相比，存在明顯的差異，說明電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度在超高溫的環(huán)境下其粘接面會(huì)受到一定的作用力，所受作用力破壞了膠粘劑內(nèi)部分子的聚合程度，從而影響其粘接強(qiáng)度使其大幅度下降。相比較，在常溫環(huán)境下的H值均大于0.5，表明常溫環(huán)境下電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度最好，使電氣控制柜在正常環(huán)境下工作時(shí)，能夠發(fā)揮膠粘劑的最大優(yōu)勢(shì)。其中顯著平均值H值的計(jì)算方法如公式（5）所示。

H=TG+0.12/P×100

（5）

其中，H表示顯著平均值;T表示所處環(huán)境的溫度;G表示在此溫度環(huán)境下所處的時(shí)間;0.12為顯著平均值系數(shù);P表示粘接強(qiáng)度保持率。

2.2.2 溫度沖擊對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響

分別在常溫環(huán)境和超高溫環(huán)境下對(duì)電氣控制柜接線端樣品進(jìn)行相同次數(shù)的溫度沖擊，沖擊次數(shù)為200次、400次和600次，并利用掃描電鏡對(duì)膠層表面進(jìn)行微觀觀察。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在常溫環(huán)境下，無論多少次的溫度沖擊對(duì)粘接面的粘接強(qiáng)度影響并不顯著，說明膠粘劑在常溫環(huán)境下性質(zhì)穩(wěn)定。而當(dāng)樣品處于超高溫環(huán)境中時(shí)，隨著溫度沖擊次數(shù)的不斷增加，樣品的膠層部分的裂紋越來越明顯，其產(chǎn)生裂紋的原因是，超高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力在溫度沖擊過程中進(jìn)入到膠層的空隙中，使得膠層空隙越來越大，從而形成明顯的裂紋，在超高溫溫度沖擊下膠層的外貌變化如圖5所示。

與受超高溫溫度沖擊的膠層對(duì)比，受常溫溫度沖擊的膠層所受壓力較小，因此其膠層相對(duì)較薄，并且膠質(zhì)緊密，中間的空隙較小，在溫度沖擊下不易發(fā)生變化，使其膠粘強(qiáng)度高。

2.2.3 真空熱循環(huán)對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響

在真空環(huán)境下，排除空氣的影響，對(duì)電氣控制柜接線端樣品進(jìn)行常溫?zé)嵫h(huán)和超高溫?zé)嵫h(huán)，利用紅外線光譜測(cè)試儀對(duì)真空溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用掃描電鏡對(duì)膠層的微觀面貌進(jìn)行觀察。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，受常溫?zé)嵫h(huán)的樣品膠層表面光滑無裂痕，沒有明顯的韌性斷裂，表示常溫環(huán)境對(duì)樣品的粘接強(qiáng)度沒有影響。而受超高溫真空循環(huán)的樣品的膠層表面粗糙，并且出現(xiàn)大量的直線型裂痕，有膠層脫落的趨勢(shì)，表明超高溫對(duì)樣品的膠粘強(qiáng)度破壞力較大，說明所使用的環(huán)氧酸酯膠粘劑并不具備良好的耐高溫特性。受超高溫真空循環(huán)的樣品的膠層表面如圖6所示。

3 結(jié)語

文章通過3種對(duì)比實(shí)驗(yàn)深入研究超高溫對(duì)對(duì)電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具可靠性，容易使人信服。其中由不同溫度對(duì)在常溫環(huán)境下的電氣控制柜接線端粘接強(qiáng)度明顯強(qiáng)于超高溫環(huán)境。當(dāng)溫度由高溫轉(zhuǎn)向超高溫時(shí)，膠粘劑分子內(nèi)部的化學(xué)劑受熱應(yīng)力沖擊斷裂，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，膠粘劑的內(nèi)聚強(qiáng)度隨著溫度的升高而快速下降，膠粘劑的各方面性能顯著下降。溫度沖擊和真空熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，對(duì)電氣控制柜接線端雖具有較好的耐溫度沖擊性和真空熱循環(huán)性能，但仍然不耐超高溫沖擊和熱循環(huán)，其使用的環(huán)氧酸酯膠粘劑還需進(jìn)一步優(yōu)化。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)充分考慮溫度對(duì)粘接強(qiáng)度的影響，采用一定傳感器對(duì)接線端的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并安裝降溫設(shè)備，避免接線度因受超高溫影響導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，以此來滿足電氣控制柜特殊的溫度環(huán)境對(duì)膠粘劑性能的需求，從而促進(jìn)膠粘劑行業(yè)的發(fā)展更進(jìn)一步。

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收稿日期：2020-03-12

作者簡介：林福（1975-），男，漢族，福建漳平人，工程碩士，副教授，研究方向：電氣自動(dòng)化與機(jī)電控制技術(shù)應(yīng)用。