9.2. Влияние влаги

В большинстве случаев условия работы радиоэлектронных средств исключают прямое попадание воды. На аппаратуру воздействует главным образом влага, т.е. пары воды, содержащиеся в атмосфере. Наличие паров воды в атмосфере характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность определяется массой водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха ().

Абсолютная влажность воздуха зависит от его температуры и давления. Максимально возможное содержание влаги для данной температуры, при которой наступает конденсация паров, называется критическим, а температура, соответствующая этому критическому значению, называется точкой росы. Отношение количества паров воды в воздухе к его критическому значению называется относительной влажностью.

При одной и той же относительной влажности абсолютная влажность является функцией температуры: чем выше температура, тем больше абсолютная влажность. Зависимость абсолютной влажности от температуры для различных значений относительной влажности приведена на рис. 9.2.5.

Среднее значение абсолютной влажности у поверхности Земли составляет 0,1 в полярных районах, до 27…30 в экваториальных районах, относительная же влажность может меняется от 20…30%до 96…99%.Нормальной относительной влажностью считается влажность, равная 60…70%.Влажность существенно зависит от высоты над поверхностью Земли (рис. 9.2.6). На высотеН= 15 км абсолютная влажность близка к нулю, а относительная составляет примерно 2%[5]. При конденсации водяных паров в атмосфере возникает туман, представляющий собой капельки воды размером мм.

Рис. 9.2.5. Зависимость абсолютной влажности от температуры и относительной влажности

Для конденсации водяного пара необходимы ядра, роль которых выполняют мельчайшие взвешенные частицы размером мм, находящиеся в атмосфере. Водяной пар может конденсироваться и на поверхности охлажденной РЭС и ее элементов. Когда точка росы ниже 0⁰С, возможен переход водяного пара в твердое состояние, минуя жидкое, при этом образуются кристаллики льда - иней.

Парообразные молекулы воды, содержащиеся в воздухе, в большей или меньшей степени поглощаются материалами. Процесс поглощения влаги (сорбция) в зависимости от структуры материала протекает по-разному: одни материалы поглощают парообразные молекулы воды своей поверхностью (адсорбция), другие - всем объемом (абсорбция).

Рис. 9.2.6. Изменение абсолютной и относительной влажности с высотой над поверхностью Земли

Свойство материала поглощать водяные пары называется гигроскопичностью. Гигроскопичность определяется как отношение увеличения массы образца материала после его выдержки в течение 24 или 48 часов в условиях относительной влажности, равной 98% при температуре 20⁰С, к первоначальной массе сухого образца. Гигроскопичность выражается в процентах. При адсорбции на поверхности материала образуется пленка влаги. Эта пленка начинает формироваться уже с 30% относительной влажности.

При большой относительной влажности на поверхности материалов, имеющих полярную структуру молекул (стекло, керамика), образуется сплошная пленка воды; на поверхности материалов с малополярными и неполярными молекулами (полиэтилен, фторопласт, парафин) адсорбированные пары воды образуют шарообразные скопления (поверхность не смачивается водой). Материалы, поверхность которых не смачивается водой, называются гидрофобными, а материалы, поверхность которых смачивается, - гидрофильными.

Способность материала адсорбировать влагу сильно зависит от микрорельефа поверхности - грубая поверхность адсорбирует больше, чем гладкая шлифованная.

Рис. 9.2.7. Зависимость различных материалов при постоянной относительной влажности: а – 100%, б – после перемещения в среду с относительной влажностью 0%

Пленка воды, образующаяся на поверхности диэлектрика, ухудшает его электрические параметры, наиболее сильно изменяются поверхностное электрическое сопротивление и пробивное напряжение. Также значительно (на несколько порядков) поверхностное электрическое сопротивление уменьшается у гидрофильных (смачиваемых) материалов и значительно меньше у гидрофобных (рис. 9.2.7 и 9.2.8). Поверхностное сопротивление изоляции существенно зависит от влажности среды и времени ее воздействия.

При помещении материала в среду с нулевой относительной влажностью поверхностное сопротивление быстро восстанавливается. Влага, адсорбированная поверхностью металлов, вызывает их усиленную коррозию, особенно металлов, имеющих структурную неоднородность, например, сплавов. На поверхности таких металлов возникает множество микроскопических гальванических пар.

При наличии пленки воды возникает электрохимическая коррозия. Чистые металлы менее подвержены коррозии, однако и здесь пленка воды, содержащая растворенные соли и кислоты, вызывает коррозию. Образовавшиеся окислы металлов при взаимодействии с водой образуют гидраты окислов, которые способствуют адсорбции влаги и ускорению коррозии.

Рис. 9.2.8. Зависимость для полистирола: а – пребывание в среде с указанной относительной влажностью, б – после перемещения в среду с относительной влажностью 0%

При абсорбции молекулы воды, имеющие малую вязкость и весьма малый эффективный диаметр, по межмолекулярным каналам, порам и капиллярам, легко проникают в глубь материала. Адсорбция характерна для многих изоляционных материалов. Большой гигроскопичностью обладают волокнистые материалы (хлопчатобумажное и искусственное волокно, бумага, картон, древесина) и в меньшей мере полимерные изоляционные материалы.

Значительно поглощают влагу многие сложные пластмассы, в качестве основы которых используются волокнистые материалы (гетинакс, текстолит, прессшпан).

Рис. 9.2.9. Изменение объемного удельного сопротивления и тангенса угла потерьпластмассыK-211-3 (материал находится в воде).

Абсорбированная влага более опасна, чем адсорбированная. Вода обладает сравнительно высокой электрической проводимостью () по сравнению с изоляционными материалами и высокой диэлектрической проницаемостью (), поэтому даже небольшое ее присутствие сильно изменяет свойства диэлектриков, в том числе и воздуха: уменьшается удельное объемное сопротивление, электрическая прочность, увеличивается диалектическая проницаемость и тангенс угла потерь (рис. 9.2.9 и 9.2.10).

Объемное поглощение влаги диэлектриком приводит к изменению его размеров, т.е. набуханию. При этом из-за неравномерного изменения размеров в диэлектрике возникают внутренние напряжения, приводящие к короблению, появлению трещин и, как следствие, к разрушению.

Следует отметить, что воздействие влаги приводит не только к изменению физико-химических и электрических свойств материалов, но также ускоряет процесс старения материала.

Известно, что коэффициент теплопроводности воды примерно в 25 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха. Проникая в материал, вода вытесняет воздух, что ведет к росту коэффициента теплопроводности материала.

Рис. 9.2.10. Изменение объемного удельного сопротивления и тангенса угла потерьтекстолита (материал находится в воде)

Очевидно, что повышенная влажность оказывает влияние не только на материалы, но и на ЭРЭ. Проникая между обкладками конденсаторов, влага изменяет их емкость, снижает сопротивление изоляции и допустимую величину рабочего напряжения. У герметизированных конденсаторов влага снижает поверхностное сопротивление. Наличие влаги изменяет диэлектрическую проницаемость воздуха и следовательно емкость конденсатора с воздушным диэлектриком.

Из конденсаторов наиболее чувствительны к влаге негерметизированные бумажные, пленочные и керамические. В катушках индуктивности при воздействии влаги снижается добротность и возрастает паразитная емкость, особенно в катушках с каркасами из гигроскопических материалов, намотанных проводами с шелковой или хлопчатобумажной изоляцией. При действии влаги добротность таких катушек может снижаться до 40%.

Влага значительно влияет на сопротивление резисторов. Периодическое действие влаги на тонкопленочные резисторы приводит к набуханию лакового покрытия и частичным отрывам проводящего слоя от основания, к коррозии и нарушению контакта в месте соединения токопроводящего слоя с выводом.

Композиционные резисторы за счет набухания органической связки увеличивают свое сопротивление.

Исследования показали, что сопротивление композиционных резисторов выходит за пределы допуска, если масса поглощенной воды больше, чем 0,2%от массы самого резистора. Большинство конденсаторов имеет неприемлемые характеристики, если в диэлектрике поглощено более, чем 0,1%воды от первоначальной массы диэлектрика.

Весьма чувствительны к воздействию влаги кристаллы кварца. Они не выполняют свои функции, если количество паров воды внутри герметичного корпуса больше, чем 0,004% по объему [5].

В коммутирующих устройствах коррозия рабочих поверхностей контактов увеличивает величину их переходного сопротивления и часто приводит к отказам.

Особенно неблагоприятно сказывается на РЭС одновременное воздействие тепла и влажности. При этом резко ухудшаются свойства изоляционных материалов, ускоряется их старение, ускоряется коррозия металлов, увеличивается скорость отклонения от номинального значения параметров ЭРЭ и РЭС в целом.

Из рассмотренного выше вытекает, что в конструкции РЭС должны быть заложены возможности противостоять этим внешним воздействиям. Механизм защиты должен быть основан на понимании физических процессов, наблюдаемых при передаче тепловой мощности в окружающую среду и при проникновении влаги в РЭС. Эти вопросам посвящены рассматриваемые ниже материалы.