聚碳酸酯电源钮断裂原因

2020-11-09陈梓钧唐雁煌徐焕翔刘子莲

理化检验(物理分册) 2020年9期

彭博,陈梓钧,唐雁煌,徐焕翔,刘子莲,朱刚

(工业和信息化部电子第五研究所元器件可靠性分析中心,广州 510610)

电源钮是实现整机开关机的重要零件，直接影响整机运行的安全性和可靠性。目前电源钮失效分析的研究主要集中在可靠性的研究，即在多种应力环境下通过对正常的按钮开关进行寿命测试，判断按钮开关在服役环境下的潜在薄弱点，进而指导材料生产工艺的改进[1-2]。如蔡懿等[1]对正常的照明按钮开关进行了盐雾、电寿命、机械寿命和动作特性等试验，指出了导致照明按钮开关容易失效的工艺问题和材料缺陷等，并为提高按钮开关可靠性提出了改进建议。但是从故障归零的角度出发，通过分析断裂的电源钮来研究已经存在的失效问题，并对此提出改进意见的相关研究报道较少。

图1 电源钮宏观形貌Fig.1 Macro morphology of power button

电源钮宏观形貌如图1所示，材料为聚碳酸酯(PC)，在内侧涂覆润滑剂后，通过电源钮上的卡槽卡住机板上的电源开关，并通过滑动实现整机的开关机。故障机器无法开机，经检查后发现，电源钮出现批次性断裂失效，且随着时间的延长，电源钮的失效比例逐渐增加。为找到电源钮在使用过程中批量断裂的原因，笔者对其进行了检验与分析。

1 理化检验

1.1 断口宏观和微观形貌分析

使用SMZ-100型体视显微镜对断裂电源钮进行宏观观察，如图2所示。可见断裂电源钮在长边顶部发生断裂，短边侧面的根部发生开裂，断口处未见明显塑性变形，整体表现为脆性断裂特征，同时，在电源钮表面发现有油状物质。

图2 断裂电源钮宏观形貌Fig.2 Macro morphology of broken power button:a) front of power button; b) fracture position of long side of power button; c) cracking position of short side of power button;d) side of power button; e) oily substance on the surface of power button

通过S-4300型扫描电镜(SEM)对断裂电源钮的长边顶部断裂位置及短边侧面的开裂位置进行观察，如图3所示。可见断口平滑，有放射状条纹，脆性断裂特征明显。

图3 断裂电源钮SEM形貌Fig.3 SEM morphology of broken power button:a) fracture position at the top of long side;b) cracking position of short side root

1.2 红外分析

根据GB/T 6040—2019《红外光谱分析方法通则》的技术要求，采用Tensor27型显微红外光谱分析仪对断裂电源钮材料的成分进行分析，并与聚碳酸酯(PC)+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)标准图谱进行对比，如图4所示。图中2 216 cm-1处为氰基特征峰，967 cm-1处为丁二烯中碳碳双键特征峰，699 cm-1处为单取代苯乙烯特征峰，断裂电源钮的红外图谱特征峰与标准的吻合较好，表明该电源钮的成分中含有ABS[3-4]；同时，ABS吸收峰相对较弱，表明ABS含量较少。综上，判断此断裂电源钮的有机主成分为PC，同时含有少量ABS。

图5 断裂电源钮断口上的油状物质、润滑剂及标准硅油的红外图谱Fig.5 Infrared spectrum of the oily substance on the fractureof broken power button,lubricant and standard silicone oil

通过傅里叶红外光谱仪(FTIR)对断口油状物质和润滑剂的主要成分进行分析，并与硅油的标准红外图谱进行对比，如图5所示。可见断口位置油状物质的FTIR谱与硅油的高度吻合，说明断口上的油状物质为硅油。

1.3 气相色谱-质谱联用分析

为了确定润滑剂挥发物的成分，根据GB/T 6040—2019的技术要求，采用Agilent 6890N+5975C型气相色谱质谱联用仪对润滑剂的挥发物进行气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析，结果表明润滑剂可挥发物中含有99.2%(质量分数，下同)的3,3-二氯-1,1,1,2,2-五氟丙烷，0.3%的三氯甲烷及0.5%的有机硅。

1.4 弯曲性能测试

为进一步分析润滑剂对电源钮的影响，取6只未使用过的电源钮，将其中3只电源钮浸入润滑剂中放置48 h，根据GB/T 9341—2008《塑料弯曲性能的测定》的技术要求，采用CMT4204型微机控制电子万能试验机对电源钮进行弯曲强度测试。未浸过润滑剂的电源钮弯曲时承受的最大力为158.0 N，浸过润滑剂后的电源钮弯曲时承受的最大力为95.8 N，可以发现浸过润滑剂后的电源钮弯曲时承受的最大力明显降低。表明润滑剂的渗入会导致电源钮的弯曲强度大幅度下降。

2 分析与讨论

红外分析结果表明断裂电源钮材料的成分为PC加少量ABS，而厂家提供的电源钮材料成分为PC，断裂电源钮材料实测的成分与厂家提供的不一致。由于PC具有较高的拉伸强度及弯曲强度，ABS的加入可提高其加工性能和抗冲击性能，但也会在一定程度上降低其弯曲强度及拉伸强度[5-6]。该电源钮引入ABS含量较低，所以弯曲强度和拉伸强度的降低幅度较小，但如果还存在其他影响力学性能的因素，电源钮将很容易发生断裂。

PC对卤代烃(如四氯化碳等)较敏感，在卤代烃的作用下会发生溶胀甚至是应力开裂[7-11]。断裂电源钮的长边顶部和短边侧面发生脆性断裂，同时在断裂电源钮表面出现含有润滑剂成分的油状物质。经了解，厂家在装配电源钮时会在内侧涂覆润滑剂，红外和GC-MS分析结果表明，涂覆的润滑剂中除含有硅油的成分外，还含有低沸点的三氯甲烷和3,3-二氯-1,1,2,2-五氟丙烷。作为卤代烃的三氯甲烷和3,3-二氯-1,1,1,2,2-五氟丙烷，尤其是三氯甲烷对PC和ABS具有较强的溶蚀性，导致PC和ABS强度下降。弯曲试验结果也表明电源钮浸入润滑剂后，弯曲强度降低。由于电源钮的长边顶部及短边侧面的根部是使用过程中的主要受力位置，当自身强度不足时将在这两个位置处发生低应力脆断。