电连接器用G100硅橡胶绝缘件可靠性建模方法

技术领域

本发明涉及电连接器技术领域，具体为电连接器用G100硅橡胶绝缘件可靠性建模方法。

背景技术

电连接器主要由接触件、绝缘件和壳体组成，其中绝缘件是电连接器的重要组件之一，主要用于固定接触件以及使接触件之间、接触对与壳体之间相互绝缘。在长期贮存条件下，电连接器的绝缘性能会由于环境因素的影响而发生退化，出现绝缘不良问题，当绝缘性能退化到一定阈值时发生绝缘失效，相邻接触对之间由于绝缘失效会产生泄漏电流从而形成反馈回路，导致出现信号干扰。原本由一个接触对传输的信号会由于相邻接触对的干扰，表现为两种信号按某种规律叠加，并且随着绝缘失效越来越严重，最终导致整个电连接器失效。因此，针对电连接器绝缘件的研究迫在眉睫。

然而目前国内外对于电连接器电性能的研究主要都集中在接触性能，对于绝缘性能的研究大都为从数据层面定性分析其变化规律，还没有从机理层面对电连接器绝缘件进行定量研究，导致无法准确评估贮存环境下的电连接器可靠度和寿命，严重制约了我国对于高可靠性电连接器的研究。

本发明以某型号电连接器为研究对象，对其在贮存环境下G100硅橡胶绝缘件的可靠性展开研究，从机理层面剖析G100硅橡胶绝缘件在贮存环境下的性能变化规律，建立其微观层面的性能加速退化模型，最终建立电连接器用G100硅橡胶绝缘件的寿命分布模型。利用该模型可以及时预测电连接器绝缘件的贮存寿命，防止电连接器绝缘件在贮存过程中发生失效，对电连接器绝缘失效提供理论指导与帮助。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了电连接器用G100硅橡胶绝缘件可靠性建模方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：电连接器用G100硅橡胶绝缘件可靠性建模方法，包括建立电连接器绝缘电阻表达式；结合载流子迁移率建立G100硅橡胶绝缘件电导率的表达式；分析温度和湿度对载流子浓度的影响；建立电连接器绝缘性能加速退化模型；电连接器用G100硅橡胶绝缘件寿命分布模型。

优选的，由于电连接器的绝缘电阻由绝缘材料的体电阻和表面电阻并联而成，则绝缘电阻的表达式为

上述式中，ρ

优选的，电导率公式

σ＝∑n

上述式中，σ为电导率，ρ为电阻率，n

根据电介质物理论可知，载流子沿电场方向的迁移率为

上述式中，v是载流子平均跃迁速度，E是电场强度，υ

结合公式(1-1)和公式(1-2)可得G100硅橡胶绝缘件电导率的表达式为

优选的，由于温度和湿度引起的热氧老化和水解反应都会引起电连接器用G100硅橡胶绝缘件中载流子浓度的变化，G100硅橡胶在热氧老化作用下产生的载流子浓度与时间的关系为

G100硅橡胶在水解作用下产生的载流子浓度随时间的关系为

上述式中，n

由于G100硅橡胶老化产生载流子初始浓度n

则G100硅橡胶在热氧老化和水解反应共同作用下产生的载流子浓度为

结合式(1-1)以及式(2-1)可得电连接器的绝缘电阻表达式为

式中，σ

结合公式(3-4)和公式(2-3)，并将其代入公式(3-5)，可得电连接器绝缘电阻随时间变化的表达式为

对公式(3-6)化简，根据绝缘电阻表达式(1-1)以及电导率表达式(2-3)，推导出绝缘电阻初值表达式

上述式中，r

电连接器用G100硅橡胶绝缘件绝缘电阻随湿度和时间变化的关系式为

上述式中，K为一定温度下的化学反应速率常数，用于表示一定条件下反应物的转化率，其值与反应物浓度无关，与温度有关。

优选的，根据麦克斯韦—玻尔兹曼定律，能够越过能量势垒发生反应的分子频数服从玻尔兹曼分布，正比于e

K＝Λe

上述式中，Λ为频数因子，ΔE为激活能(eV)，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；

将公式(4-1)代入公式(3-7)，可得电连接器绝缘电阻随温度、湿度和时间的关系为

为了统计处理方便，令

α＝(a+b·RH)e

上述式中，α表示绝缘电阻退化率，a、b和c为待估参数，其中

将参数a、b、c看成随机变量，且a～N(μ

电连接器用G100硅橡胶绝缘件的加速退化模型为

上述式中，r

根据加速试验中失效机理不变的原则，σ

μ

优选的，电连接器在贮存期间，相邻接触对之间的绝缘电阻会随时间的推移逐渐降低，当降低至失效阈值D时，即发生绝缘失效，因此，相邻接触件之间的绝缘寿命T

T

考虑到贮存条件下，绝缘电阻随时间单调递减的特性，同时结合公式(4-4)，相邻接触对之间的绝缘寿命可由下式得到

若假设绝缘电阻初值r

式中Φ{·}为标准正态分布函数，σ

电连接器用G100硅橡胶绝缘件寿命分布函数为

F

上述式中，g表示绝缘件相邻接触对数量，F

电连接器用G100硅橡胶绝缘件在t时刻可靠度R

(三)有益效果

本发明提供了电连接器用G100硅橡胶绝缘件可靠性建模方法。具备以下有益效果：

1、本方案通过结合电连接器用G100硅橡胶绝缘件可靠性建模的研究和对电连接器失效机理的研究，同时结合电介质的电导机理，结合绝缘电阻表达式，建立起表征G100硅橡胶绝缘件绝缘性能随应力和时间变化的加速退化模型，最后建立寿命分布模型，解决了准确评估电连接器用G100硅橡胶绝缘件的可靠性问题，并且具有准确度高和可靠性好的优点。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的电连接器绝缘件示意图；

图3为本发明的离子电导微观机制。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

本发明实施例提供电连接器用G100硅橡胶绝缘件可靠性建模方法，如图1所示，包括：

S101、建立电连接器绝缘电阻表达式；

S102、结合载流子迁移率建立G100硅橡胶绝缘件电导率的表达式；

S103、分析温度和湿度对载流子浓度的影响；

S104、建立电连接器绝缘性能加速退化模型；

S105、电连接器用G100硅橡胶绝缘件寿命分布模型。

在一种可能的实施方式中，S101：建立电连接器绝缘电阻表达式：

由于电连接器的绝缘电阻由绝缘材料的体电阻和表面电阻并联而成，则电连接器绝缘电阻表达式：

式中，r

电连接器绝缘件示意图如图2所示，体积电阻的大小与材料的电阻率、绝缘材料的长度和面积等几何尺寸有关，则体积电阻r

式中，ρ

表面电阻r

式中，ρ

因此，将式(1-2)与式(1-3)代入式(1-1)，即可得电连接器绝缘电阻表达式为：

在一种可能的实施方式中，S102：结合载流子迁移率建立G100硅橡胶绝缘件电导率的表达式：

建立电导率公式

电导率是描述电介质材料导电能力的物理量，是材料的固有特性，与材料尺寸、形状无关。且电导率和电阻率是互为倒数的关系。对于含有多种载流子的材料，其电导率可以通过以下公式计算：

σ＝∑n

式中σ为电导率，ρ为电阻率，n

结合G100硅橡胶载流子迁移率建立G100硅橡胶绝缘件电导率的表达式：

如图3所示，当未施加电场时，离子在A、B两处的能量和离子数是相等的，如图3中实线所示。A、B间的势垒为U

式中，υ

当施加上外电场E后，A处势垒将会变为U

式中，q为离子的电荷，δ为离子每跃迁一次所走过的距离。

因此，当施加电场后，正离子在单位时间顺电场跃迁次数和逆电场跃迁次数发生改变，且我们近似认为离子沿三个相互垂直的六个方向做热运动，每个方向跃迁的概率相同，则分别为：

综上可得，载流子沿电场方向的平均跃迁速度v为：

当电场强度不大时，可以认为ΔU＜＜kT，则有：

联立式(2-9)和式(2-10)即可得载流子沿电场方向的平均跃迁速度为：

根据电介质物理论可知，载流子迁移率与载流子平均跃迁速度成正比，与电场强度成反比。因此，载流子沿电场方向的迁移率为：

结合式(2-1)和式(2-9)，G100硅橡胶绝缘件电导率的表达式为：

在一种可能的实施方式中，S103：分析温度、湿度对载流子浓度的影响温度对载流子浓度的影响

G100硅橡胶热氧老化可以用公式表示：

RSi(CH

根据质量作用定律可知，过氧化氢物的生成速率可以表示为：

式中，

对(3-2)积分得：

令t＝0时，可得

式中，

对式整理变形后，可得G100硅橡胶中大分子基团浓度随时间变化的表达式为：

由于载流子浓度与G100硅橡胶大分子基团浓度成比例，则G100硅橡胶在热氧老化作用下产生的载流子浓度与时间的关系为：

式中，n

湿度对载流子浓度的影响

G100硅橡胶的水解反应表达式为：

ROSi(CH

→ROSi(CH

根据质量作用定律，G100硅橡胶水解反应速率表达式为：

式中，

对式(3-8)积分整理得G100硅橡胶中大分子基团浓度随时间变化的表达式为：

由于水解反应产生的载流子浓度与G100硅橡胶中大分子基团浓度成比例关系，即

式中，n

结合温度、湿度共同作用对载流子浓度的影响建立绝缘电阻表达式总的载流子浓度是由温度和湿度共同作用产生的，可以表示为：

式中，n(t)为t时刻G100硅橡胶热氧老化和水解反应共同产生的总的载流子浓度，

由于G100硅橡胶老化产生载流子初始浓度n

将式(3-12)代入式(3-11)同时整理后可得G100硅橡胶在热氧老化和水解反应共同作用下产生的载流子浓度为：

结合式(1-4)以及(2-1)式可得电连接器的绝缘电阻表达式为：

式中，σ

结合式(3-13)和式(2-10)，并将其代入式(3-14)，整理可得电连接器绝缘电阻随时间变化的表达式为：

将式整理后可得：

在贮存环境下，由于温度变化不大，可以忽略温度对载流子迁移率的影响。基于此，对式(3-16)化简，根据绝缘电阻表达式(1-4)以及电导率表达式(2-10)，推导出绝缘电阻初值表达式：

式中，r

则电连接器用G100硅橡胶绝缘件绝缘电阻随湿度和时间变化的关系式为:

式中，K为一定温度下的化学反应速率常数，用于表示一定条件下反应物的转化率，其值与反应物浓度无关，与温度有关。r

在一种可能的实施方式中，S104：建立电连接器绝缘性能加速退化模型根据麦克斯韦—玻尔兹曼定律，能够越过能量势垒发生反应的分子频数服从玻尔兹曼分布，正比于e

K＝Λe

式中，Λ为频数因子，ΔE为激活能(eV)，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。

将式(2-32)代入式(2-31)，可得电连接器绝缘电阻随温度、湿度和时间的关系为：

令

α＝(a+b·RH)e

式中，α表示绝缘电阻退化率，反应了温度和湿度对于绝缘电阻的影响程度。a、b和c为待估参数，其中

将参数a、b、c看成随机变量，且a～N(μ

综上可得，电连接器用G100硅橡胶绝缘件的加速退化模型为:

式中，r

根据加速试验中失效机理不变的原则，σ

μ

因此，后续只要求出待估参数μ

在一种可能的实施方式中，S105：建立G100硅橡胶绝缘件寿命分布模型根据接触对的失效条件，得出相邻接触对的寿命分布模型。

所述失效条件包括：在贮存期间，相邻接触对之间的绝缘电阻会随时间的推移逐渐降低，当降低至失效阈值D时发生绝缘失效，相邻接触件之间的绝缘寿命T

T

考虑到贮存条件下，绝缘电阻随时间单调递减的特性，同时结合式(4-4)，相邻接触对之间的绝缘寿命可由下式得到：

若假设绝缘电阻初值r

Φ{·}为标准正态分布函数。

根据所述接触对失效分布函数，得出电连接器的绝缘寿命。

电连接器共有g个接触对，第w个相邻接触对之间绝缘寿命为T

F

根据电连接器的绝缘寿命，构建电连接器的绝缘可靠性表达式。

电连接器用G100硅橡胶绝缘件在t时刻可靠度R

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。