徐超 姚遠(yuǎn) 劉源 吳窮 湯子翊

摘 要：本文介紹了電子電器產(chǎn)品非金屬材料（除陶瓷外）球壓試驗的具體試驗過程及注意事項，并從A類不確定度和B類不確定度兩方面，對球壓壓痕直徑的測量不確定度進(jìn)行評定。

關(guān)鍵詞：非金屬材料，球壓試驗，不確定度

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2023.08.020

目前，電子電器產(chǎn)品中常見的非金屬材料，大部分屬于聚合材料。部分材料在高溫的環(huán)境下，分子間作用力會減弱，部分共價鍵發(fā)生破裂，材料出現(xiàn)軟化、熔融流動等現(xiàn)象。如果將其用在觸電防護(hù)和載流部件固定等方面，存在觸電、短路的風(fēng)險。生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計產(chǎn)品之初，就需要考慮可能出現(xiàn)的非正常熱危險，提升產(chǎn)品非金屬材料的耐熱性能。國內(nèi)外實驗室常用球壓試驗來評估非金屬材料耐熱性能，將球壓試驗結(jié)果作為符合性的判定依據(jù)，因此，開展電子電器產(chǎn)品非金屬材料球壓試驗及測量不確定度評定工作顯得尤為重要。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及決議文件

我國現(xiàn)行球壓試驗方法標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5169.21-2017《電工電子產(chǎn)品著火危險試驗 第21部分：非正常熱 球壓試驗方法》，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60695-10-2-2014。該項標(biāo)準(zhǔn)對樣品制備、試驗程序、結(jié)果評估等內(nèi)容做出了規(guī)定。

除了上述方法標(biāo)準(zhǔn)外，在電子電器類相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如：家用電器類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》，信息技術(shù)設(shè)備類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 4943.1-2011《信息技術(shù)設(shè)備 安全 第1部分：通用要求》，音視頻電子設(shè)備類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 8898-2011《音頻、視頻及類似電子設(shè)備 安全要求》，電動工具類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T3883.1-2014《手持式、可移式電動工具和園林工具的安全 第1部分：通用要求》，照明電器類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 7000.1-2015《燈具 第1部分：一般要求與試驗》和電器附件類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2099.1-2022《家用和類似用途插頭插座 第1部分：通用要求》等標(biāo)準(zhǔn)中，也明確規(guī)定采用球壓試驗對非金屬材料的耐熱性能進(jìn)行考核。

在進(jìn)行球壓試驗時，實驗室之間因儀器設(shè)備的精度不同和壓痕測量選點方式不統(tǒng)一等因素的影響，存在相同材質(zhì)的樣塊在不同實驗室之間，球壓測量結(jié)果差異較大的問題。為了規(guī)范試驗人員的操作流程，統(tǒng)一各實驗室儀器設(shè)備的技術(shù)要求，確保球壓試驗結(jié)果的重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性。國際電工委員會電工產(chǎn)品合格測試與認(rèn)證組織（IECEE）的分支技術(shù)機(jī)構(gòu)檢測實驗室委員會（CTL）組織對球壓試驗的技術(shù)要求進(jìn)行討論，最終形成CTL DSH0391C 球壓測試及CTL DSH2075球壓測試等決議文件。因此，在進(jìn)行球壓試驗時，除了需要依據(jù)相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)按照相關(guān)決議文件規(guī)定開展檢測工作。

2 試驗步驟及注意事項

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 5169.21-2017《電工電子產(chǎn)品著火危險試驗 第21部分：非正常熱 球壓試驗方法》描述了一種在烘箱中使用壓力球評估聚合材料負(fù)重時的軟化和材料流動性試驗方法，用于測量、描述和分級材料在可控實驗室條件下對高溫的反應(yīng)，根據(jù)試驗結(jié)果對聚合物材料的耐熱性能進(jìn)行評定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗樣塊需要進(jìn)行預(yù)處理至少24h，球壓試驗裝置與烘箱也需要同時升溫預(yù)處理至少3h，隨后在30 s內(nèi)將試驗樣塊放置在球壓裝置上，試驗60min后，取下樣塊，并在10s內(nèi)將樣塊浸入15～25℃的水中，4～8min后，從水中取出樣塊，擦干樣塊表面的水跡，在3min內(nèi)測量壓痕直徑。

2.1 試樣樣塊的制備

試驗樣塊從電子電器整機(jī)上切取，樣塊的邊長或直徑至少10mm，厚度至少2.5mm。如果單個樣塊厚度不滿足要求，可將多個樣塊進(jìn)行疊加，但是需要注意疊加時樣塊之間不能出現(xiàn)明顯的位移。制備的樣塊上下表面應(yīng)盡可能平行，避免試驗過程中壓力球與試樣表面之間發(fā)生滑動或由于上下表面傾斜，壓力球垂直向下的作用力被分解，壓痕向分力方向傾斜，造成壓痕呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，影響試驗結(jié)果。

2.2 試驗樣塊預(yù)處理

球壓試驗前，需要對試驗樣塊進(jìn)行環(huán)境預(yù)處理，將樣塊放置在環(huán)境溫度為15 ～35℃，濕度為45%～75%RH的環(huán)境下至少24h，對于機(jī)械性能容易受到濕度和溫度影響的材料，應(yīng)該根據(jù)相關(guān)要求提供更為嚴(yán)格的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行前置處理[1]。

2.3 試驗烘箱

試驗用烘箱應(yīng)使用單室烘箱，溫度的梯度、波動和偏差應(yīng)符合IEC 60214-4-1的要求，烘箱溫度偏差不應(yīng)超過±2℃。同時，在試驗樣塊放置完畢，重新關(guān)閉烘箱門后，烘箱應(yīng)在5min內(nèi)恢復(fù)至設(shè)定溫度的±2℃，且溫度過沖不超過5℃。

根據(jù)CTL DSH2075決議相關(guān)要求，IEC 60214-4 -1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了老化試驗用的強(qiáng)制通風(fēng)烘箱的要求，由于球壓試驗不認(rèn)為是老化試驗，因此不要求強(qiáng)制通風(fēng)，也不應(yīng)將其與強(qiáng)制對流相混淆。為了進(jìn)行球壓試驗，只要滿足所有其他要求，可以使用帶或不帶強(qiáng)制對流的腔室[2]。

2.4 球壓試驗裝置

球壓試驗裝置由負(fù)載裝置和試樣底座兩部分構(gòu)成。負(fù)載裝置由一個直徑為5±0.05mm的壓力球（符合ISO 3290-1的滾動軸承成品鋼球）連接到砝碼系統(tǒng)中構(gòu)成，其被設(shè)計成可施加一個垂直向下的作用力，包含壓力球的質(zhì)量相當(dāng)于20±0.2N的負(fù)載[1]。

GB/T 5169.21-2006和CTL DSH0391C中認(rèn)為50mm直徑的平滑安裝表面和10 0mm高度的實心鋼圓柱體是合適的試驗底座，但在GB/T 5169.21-2017中刪除了此項規(guī)定。在實際使用時，如果試驗底座質(zhì)量過輕，尺寸偏小，當(dāng)開啟烘箱門放置試驗樣塊時，試樣底座的溫度會迅速下降，當(dāng)關(guān)閉烘箱門后，試樣底座會吸收大量熱量以達(dá)到熱平衡，延長了烘箱整體熱平衡的時間，降低了試驗嚴(yán)酷程度，影響試驗結(jié)果。建議沿用GB/ T 5169.21-2006和CTL DSH0391C相關(guān)要求，使用直徑不小于50mm、高度不小于100mm的實心圓柱鋼底座[3]。

2.5 溫度采集裝置

實際使用時，烘箱內(nèi)部各點的溫度與中心點溫度會存在一定的偏差，為了進(jìn)一步監(jiān)控試驗底座的溫度，保證試驗結(jié)果的有效性，GB/ T 5169.21-2017規(guī)定在位于試樣底座中心表面下方約3mm的位置安裝一根獨立的熱電偶（如圖1所示），熱電偶首選K型或J型，并且在100℃以下要求誤差不大于±2℃，100℃及以上溫度，要求誤差不超過3%。

2.6 測量設(shè)備

GB/T 5169.21-2017中規(guī)定光學(xué)測量裝置的測量標(biāo)尺精度不低于0.1mm，測量時可增加照明裝置將光線照射在施加過壓力球的試樣表面，測量裝置的光學(xué)放大倍數(shù)不應(yīng)小于10倍，同時刪除了舊版標(biāo)準(zhǔn)上限值為20倍的規(guī)定。

2.7 結(jié)果讀取

球壓壓痕直徑是從壓痕一端清晰邊界到另一端清晰邊界之間的最大距離（如圖2所示）。根據(jù)CTL DSH2075決議要求，如果獲得非圓形壓痕，則最長和最短測量值之間的最大差值不應(yīng)超過0.2mm。如果觀察到的直徑差大于0.2mm，則應(yīng)重復(fù)試驗。如果繼續(xù)觀察到直徑差異較大，應(yīng)將壓痕的非圓形特征與結(jié)果一起報告[2]。

2.8 注意事項

在使用球壓試驗裝置前注意調(diào)節(jié)負(fù)載裝置砝碼與中心軸之間的距離，將負(fù)載裝置保持在水平狀態(tài)，避免出現(xiàn)傾斜；當(dāng)烘箱溫度達(dá)到熱平衡后放置樣塊時，應(yīng)在30s內(nèi)完成；人員在操作時應(yīng)注意輕拿輕放；開啟和關(guān)閉烘箱門時避免出現(xiàn)振動，盡量減少人為因素對試驗結(jié)果的影響。

GB/T 5169.21-2017規(guī)定試驗底座應(yīng)有足夠大的質(zhì)量，以防止在烘箱內(nèi)放置和取出試樣時，出現(xiàn)試驗裝置溫度明顯降低的情況，但并未對底座的直徑、高度和質(zhì)量等參數(shù)做出規(guī)定。當(dāng)進(jìn)行200℃及以上高溫球壓試驗時，對于質(zhì)量較重、體積較大的底座，如果按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5169.21-2017規(guī)定的最低要求對試驗裝置和底座預(yù)熱3h，底座溫度將很難在預(yù)定時間內(nèi)達(dá)到熱平衡，直接影響試驗結(jié)果。因此，采用GB/T 5169.21-2006相關(guān)規(guī)定，將試驗支架與底座預(yù)熱至少24h的規(guī)定更為合理。

3 不確定度評定

球壓試驗作為評估非金屬材料耐熱性能的主要方法之一，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。在試驗過程中，由于各階段變量引入的測量不確定度，會對試驗結(jié)果造成影響。因此，對球壓試驗開展不確定度評定，對提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高檢測效率，具有十分重要的意義。

3.1 評定條件

測量依據(jù)：依據(jù)GB/T 5169.21-2017《電工電子產(chǎn)品著火危險試驗 第21部分：非正常熱 球壓試驗方法》進(jìn)行測量。

測量對象：從電源適配器的固定載流部件絕緣材料上切取的厚度為3mm，邊長為15mm的矩形樣塊。

測量儀器設(shè)備：SU N- QY型球壓試驗裝置，LHX-Ⅱ型高溫試驗箱，JTVMS-3020型影像測量儀，測量范圍0～200mm，最小分度值0.001 mm。

測量環(huán)境條件：溫度15～35℃，濕度45%RH～75%RH。

3.2 測量過程

根據(jù)電子電器產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求截取特定部位的非金屬材料進(jìn)行球壓試驗，并對試樣的球壓壓痕進(jìn)行測量。一般來說測量次數(shù)不同，測量精密度也會不同，增加測量次數(shù)，可以提高精度，但測量次數(shù)達(dá)到10次后，隨著測量次數(shù)的增加，測量時間延長，難以保證測量條件的恒定，會對測量結(jié)果造成影響，因此本次重復(fù)測量次數(shù)取10次，10次測量的算術(shù)平均值即為測量結(jié)果。

3.3 不確定度數(shù)學(xué)模型的建立

非金屬材料壓痕直徑可由影像測量儀直接讀取，因此可得數(shù)學(xué)模型：

D =L

式中，D 為測得壓痕直徑，mm；

L 為影像測量儀示值，mm。

3.4 不確定度的引入

球壓試驗壓痕直徑的不確定度主要來源有以下幾方面：試驗人員重復(fù)測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、影像測量儀的示值誤差引入的不確定度，樣塊的環(huán)境預(yù)處理、樣塊的平整度、樣塊的厚度、球壓裝置和試驗時間等因素。

3.4.1 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

球壓壓痕直徑的測量不確定度由以下兩個分量組成：

（1）重復(fù)測量引入的不確定度（A類不確定度）

在試驗過程中，用JTVMS-3020型影像測量儀進(jìn)行測量，在重復(fù)條件下對壓痕直徑連續(xù)測量10次，測得數(shù)值見表1。

3.4.3 擴(kuò)展不確定度的評定

根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，取置信度概率95%，包含因子k =2，則擴(kuò)展不確定度U為，

U =k×UC =0.01502mm

通過對球壓試驗壓痕直徑測量不確定度進(jìn)行評定，最終得出，壓痕直徑L 為1.3447mm，擴(kuò)展不確定度U 為0.01502mm（k =2）。從不確定度分量評定結(jié)果分析看出，測量重復(fù)性是壓痕直徑不確定度的主要來源，其次是影像測量儀自身引入的不確定變量。在日常檢驗中，應(yīng)加強(qiáng)對重復(fù)測量的控制，減少由人員測量誤差引起的不確定度。

4 結(jié) 論

球壓試驗作為考核非金屬材料的關(guān)鍵技術(shù)手段，其重要程度不言而喻。檢驗人員應(yīng)當(dāng)熟悉球壓試驗的各項流程及相關(guān)決議文件，各檢測實驗室需要加強(qiáng)人才隊伍建設(shè)，加大對人員培訓(xùn)力度，對實驗室用儀器設(shè)備及時溯源，保證試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 5169.21-2017，電工電子產(chǎn)品著火危險試驗 第21部分：非正常熱球壓試驗方法[S].

[2]CTL DECISION SHEET DSH 2075 Ball pressure test[Z].

[3]CTL DECISION SHEET DSH 0391C Ball pressure test[Z].