静电原理、危害和防护.ppt

静电原理、危害和防护,欧阳吉庭北京理工大学静电研究室jtouyang,北理工静电研究室,职员：教师4人，博士7人，硕士15人方向：静电安全和应用技术放电等离子体源和物理等离子体与物质相互作用等离子体应用技术,提纲,一、静电概念和基本现象二、静电起电三、静电效应与危害四、静电危害事例五、静电防护六、新的静电问题,一、静电概念和基本现象,1、什么是静电2、静电的特点3、常见的静电现象,1、什么是静电,相对于观察者而言，电荷处于静止或缓变的相对稳定状态，即为静电。由于这种电荷和电场存在而产生的一切现象称为静电现象。静电并不是完全静止不动的电，而是在空间缓慢移动的电荷，但静电的磁场效应比起电场的作用可以忽略不计。,2、静电的特点-相比工业电,1）起电方式静电大部分是因接触分离、磨擦等过程引起的工业用电：电磁感应原理（热电、水电、核电等）2）能量比较小静电能量最大不超过45J/m3，只有动电的约1/1053）电压高、电流小静电电位：高达几千伏几万伏，电流10-9A量级工业动电:220V/380V，几十安培数量级4）欧姆定律不适用静电,3、常见的静电现象,（1）人体静电（2）工业静电（3）大气静电,（1）人体静电a.干燥的冬天：握手时、开门时、穿衣或脱衣时“打人”b.头发直立,粘物，等c.衣服很容易吸尘，抖不掉,各种活动产生的人体静电压值,除了上述起电以外，其他方式如：1）感应式起电：人靠近带电体，受电场作用，产生感应电荷。例如荧光屏前的人面部会感应负电荷，此时人体静电荷可能为零。这种感应电压有时很高，例如：在雷云下行走，感应电压可达5万伏2）吸附起电：人处于漂浮带电灰尘或雾滴的环境中，这些微小带电体在人体表感应出异号电荷并受库仑力飘向人体，最终把电荷传给人。舞台上用干冰喷雾，如果地面绝缘性好，常能看到演员因带高压静电而头发竖起。,（2）工业静电a.纺织工业：例如，棉花电位50V，人造丝100V，尼龙+1050V。b.橡胶工业：合成橡胶表面电荷密度达710-6C/m2，电位250kVc.印刷和造纸：纸辊筒分离时，静电电位高达1020kV；经过加光机后为50kV；印刷时1kV；照像凹板印刷时，纸张带电密度10-8-10C/m2。d.石油工业：汽油经过棉制品时电位206kV；槽车装油油面电位10kV。e.运输：轮胎的电阻率1081011cm，一般车速下克充电1550kV，最高100kV；传输皮带带电3040kV，最高80kV。f.塑料工业：塑料表面电阻率10161020cm，表面摩擦电位1kV；赛珞璐40kV。g.粉碎工艺：粉体的电阻率1016cm由于相互碰撞、摩擦等起电13kV。h.电子工业：操作者对地电位1.535kV，造成静电敏感元件、组件、设备的损毁、击穿；静电放电产生的杂波干扰信号，引起误操作或故障。i.火工品：生产、装药、储运,（3）大气静电a.地球本身带有一个静电场：地球带电Q-9.02105C，建立垂直与地面的电场。E.g.:在60350km的电离层对地电位200213kV。3km高处25V/m;晴天海平面的电场达120V/mb.雷电：（大气闪电）是最具代表性的自然静电现象；c.自然界的电解、气流、风沙、冰雪、烟尘等导致的静电。d.宇宙空间的静电（带电尘埃）,二、静电起电,（1）产生方式分类（2）静电体分类,接触摩擦分离起电：两种不同物体相互接触摩擦分离，各自产生数量相同、极性相反的电荷。最普遍的起电方式。感应起电：中性物体移近与带电体时，在靠近带电体一端出现带电物体所带电荷极性相反的电荷，远离的一端出现与带电物体电荷极性相同的电荷。比较普遍的起电方式。电磁感应起电：动力、照明用电一般由电磁感应得到，也会引起静电。射线电离空气起电：空气、绝缘体在放射性同位素、射线的照射下，会使中性分子电离而起电。物质三态变化起电：水是良导体，而水在4以下，液态变成固态，结冰时，冰是带电的，液态水变成水蒸汽-气态、水蒸汽是带电的。水蒸汽上升遇冷凝结成水珠、雪或冰雹等，也会带电。,起电方式的分类,分子分裂起电：物体的变形、破碎、断裂等都会使其中性分子分裂而带电，有时突然断裂、破碎的瞬间出现放电火星。极化起电：在电场中介电极化导致静电积聚。压电极化：一些电介质当施加一定压力后，会发生电极化，称为压电效应；若发生偶极矩倾斜，称为压电热效应。驻极体：一些介质在外电场不存在的情况下，永久地保存着电极化，会在周围形成电场。驻极体因制取方法不同，分为热驻极体、电驻极体、光驻极体、放射性驻极体和电磁驻极体等。场致发射起电：电场强度很高时，粒子中的电子可能被高电场作用从负端引出（电子场致发射），或者粒子中的正离子可能被从正端引出（正离子场致发射）。,固体带电：塑料、橡胶、胶片、纸张、薄膜、布匹、化纤等在脱模、烤压、收卷、传送、切割等作业生产过程。液体带电：各种绝缘油品、绝缘试剂、污油水等在装卸、运输作业过程中的带电现象。气体带电：压力气体的排放、泄喷气体、水蒸汽、蒸汽雾云、管道内流动气体的带电。粉体带电：塑料粉、医药粉、农药粉、火药粉、粮食粉、巧克力、奶粉等粉碎、筛粉、气流输送等作业的带电。人体带电：人体生理变化或运动身体各器官组织也要表现出电性，如人体细胞膜的静止电位约有10mV。生物带电：自然界许多生物是带电的。如蜜蜂，脚毛采的花粉，就是蜜蜂脚上带有6-7V的静电。电鳗能产生几百伏的电位，等,静电带电体分类,最典型静电起电模式,液体起电,气体、粉体起电,物质的摩擦起电序列,影响起电的主要因素,1）物体本身的性质：静电序列中离的越远静电；杂质的影响静电2）物体表面状态：粗糙度越大越容易起电；表面污染或氧化腐蚀静电3）物体大带电履历：初期接触分离时多，反复后少；已经带电的再接触分离时少4）接触面和压力：面积、压力静电5）分离速度：分离速度静电,三、静电效应与危害,-静电效应-各种对象的危害1、对人体的危害2、对电子产品的危害3、对通讯系统的危害4、对火工品的危害,许多行业生产中都存在静电问题：粉体输送：e.g.水泥、燃煤电厂电力工业：火力电除尘、ESD干扰电信、通讯：ESD电磁干扰造纸、印刷、胶片生产：粘纸（片）制膜工艺（吹膜、成膜）：无序成膜烟花炮竹生产、储存、运输过程：燃爆军工和国防：火工品、弹药、火箭、卫星，,I-1、静电效应与规律,1.静电力效应即库仑效应：带电体对带电/不带电粉尘有静电力作用，表现为吸附或排斥2.ESD热效应绝热的ESD通常是一个局部高温热源，引起燃烧、爆炸或热击穿，引发电火花装置的意外发火。3.ESD电磁脉冲效应ESD电磁脉冲从低频到GHz，对电子设备、通讯形成干扰，引起误操作4.ESD人体电击效应人体和其他物体之间的ESD形成瞬时大电流，造成人体打击，引起紧张、恐慌和二次事故。5.强电场和感应效应高电位的静电可以产生高达104kV/cm的电场，很容易引起MOS管等电子器件的击穿或损毁。同时，带电体容易使附近物体感应起电，产生上述1-4效应。,I-2静电危害：静电力,1）纺织：梳理、纺纱、整染过程中产生根丝飘动、纱线松散、断头、招灰、吸污2）造纸印刷、胶片生产：粘纸套印不准、数张不齐3）橡胶、塑料：吹膜无法进行；吸尘4）水泥：钢球表面吸尘除尘效率降低、粒度不均5）电子工业：尘埃积聚极间短路、元件被击穿失效,库仑吸附细微毛发纸屑尘埃纤维,1）造成人体打击（一般不会致命，但有二次灾害。人体电阻：1057欧，电容100pF）2）引发火灾和爆炸事故（条件：放电火花、可燃气体或粉尘爆炸、高于最小点火能）3）产品损害：尤其对静电敏感电子产品4）电磁干扰：EMP或电磁杂波影响电子设备功能,I-2静电危害：静电放电(ESD),人体静电反应电压,I-2静电危害：静电爆燃,吸尘：造成几十至上百根芯线之间的绝缘强度降低造成短路使芯片损伤。ESD：使集成电路芯片绝缘层击穿、芯线熔断、漏电流增大加速老化、电性能参数改变等。ESD对芯片损坏具有潜在和缓慢失效性，危害性更大感应带电：在元器件或芯片氧化膜两端及结构金属突出部位，尖端效应可感应出较强电场，可能导致介质之间或结构点之间静电击穿（或软击穿），失效或品质降低,I-2静电危害：电子产品损毁,静电损伤的特点：隐蔽性：人体不能直接感知静电，除非发生静电放电；即使发生静电放电也不一定能有电击的感觉。（感知电压为2-3KV）。潜伏性：电子元器件受到静电损伤后性能没有明显的下降，但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患，而且增加了器件对静电的敏感性。已产生的问题并无任何方法可治愈。随机性：从一个元件生产后一直到它损坏以前所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性。由于静电的产生和放电都是瞬间发生的，及难预测和防护。复杂性：静电放电损伤分板工作，因电子产品的精细，微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求较复杂的技术往往需要使用扫描电镜等精密仪器，即使如此有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其它失效。严重性：ESD问题表面上看来只影响了制成品的用家，但实际上亦影响了各层次的制造商，如：保用费、维修及公司的声誉等等。,电子产品静电损害的失效机理,热二次击穿：雪崩衰变金属导电层熔化介质击穿气体电弧放电表面击穿体击穿,典型失效机制,突发性完全失效：立即丧失功能，占10潜在性缓慢失效：可靠性低，寿命短，占90,失效几率,特点：从低频到几个GHz，宽频干扰源主要放电形式：1）ESD脉冲放电2）电晕放电3）火花放电,I-2静电危害：ESD电磁干扰,I-2静电危害：静电感应,静电感应是物体带电的形式之一感应带电体具有库仑吸附和静电放电双重效应具有两种模式的危害,在电子行业尤为突出：静电源可能感应较高的静电电压（引发半成品或产品的静电损伤）,在器件引线上或加工工具上或包装容器上,四、静电危害事例,1、电子产品静电损失,2、静电燃爆事故,1)固体静电起电：-2007年，74*厂某火药装载车间，脱模时起爆，无人伤-2009年，烟花炮竹运输过程的事故；几乎每年都有2)人体静电起电：-1986年冬，某军工厂，弹药修理人员脱去大衣，走近药箱-2007年，某基地导弹从车上卸载时电爆，一实习生死亡3)液体静电起电：-2006年，葫芦岛油库静电引爆，数人死亡-油品输运中的静电事故4)粉体静电起电：-1988年，哈尔滨亚麻厂，14人死亡5)气体静电起电：-煤矿瓦斯爆炸-液化气,A最小发火能/点火能:混合气0.01-1mJ、粉尘10-60mJ，etcB静电感度：火药=1mJ、电爆100mA/20kV（实际50%发火能1mJ),3、其他静电事故,火箭静电问题,ESD卫星故障,2、防护的内容1）防止或控制静电的产生2）减少和消除静电电荷3）减少静电危害4）严格防静电管理,1、防护的目的保证人身和生产场所安全，防止火灾和爆炸提