防静电基础知识(培训教材)

第一章：静电学基础1.1概述：高科技的发展历程中，电子技术和高分子化学技术是两个重要的方面。电子产品设计的小型化和高集成化，相应的加工技术日趋微、细、薄，使得对静电危害不可忽视。随着电子技术和产品向国民经济各部门的广泛渗透，静电的影响面越加普遍。正是由于高分子化学技术的发展，促成了高分子材料在工业、国防和人民生活各个方面的广泛应用。普通高分子材料的特点之一就是它具有很高的电阻率，使其特别易于产生静电。静电造成的故障与危害，通称静电障害。从传统的观点来看，它是火工、化工、石油、粉碎加工等行业引起火灾、爆炸等事故的主要诱发因素之一，也是亚麻、化纤等纺织行业加工过程中的质量及安全事故隐患之一，还是造成人体电击危害的重要原因之一。因此，静电防护是各行业最为关注的安全问题之一。随着高科技的发展，静电障害所造成的后果已突破了安全问题的界限。静电放电造成的频谱干扰危害，是在电子、通信、航空、航天以及一切应用现代电子设备、仪器的场合导致设备运转故障、信号丢失、误码的直接原因之一。例如，电子计算机和程控交换机是两种有代表性的现代电子设备，如安装、使用环境不当，它们的工作都会受到静电的困扰。此外，静电造成敏感电子元器件的潜在失效，是降低电子产品工作可靠性的重要因素。据日本80年代中期的一项统计资料，在失效的半导体器件中，有45%是因静电危害造成的。降低静电障害是最有效的手段是实施防护。因为，静电作为一种自然现象，不让它产生几乎是不可能的，但把它的存在控制在危险水平以下，使其造成的障害尽可能小，则是可能的。有效地进行静电防护与控制，依赖于对静电现象的认识和对其发生、存在、清除的控制，依赖于掌握和了解静电与环境条件的关联性和静电发生的规律。以上观点是从静电危害的防护角度而言的。对静电的应用研究本身就是一项重要的高科技门类，但鉴于不属于本书讨论的范围，在此不再赘述。2.1静电：根据分子和原子结构的理论，自然界中的一切物质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的。单质的分子由一个或几个相同的原子组成，化合物的分子由两个或两个以上不同的原子组成。高分子材料具有更复杂的原子结构点阵排列，并含有更多种类及数量的原子。原子是构成一切化学元素的最小粒子，它由带正电的原子核和带电的围绕原子核旋转的电子组成，电子的个数及排列层次因元素而异。在自然状态下，原子中的这种正、负电荷是相等的，物质处于电平衡的中性状态，即不带电。在静电学中称不带电的物体为电的中性体。在某种条件下，当物质原子中的这种电平衡状态被打破，丢失或获得电子，物质即由中性状态改变为带电状态。处于带电状态的物体在静电学术语中称为带电体。物质在获得电子而形成带电体时称为电子带电，所带电荷称为负电荷；因失去电子而形成带电体时，称为空穴带电，所带的电荷称为正电荷。物质呈现带电的现象，称为带电现象。物质的带电现象是一种自然现象。按照物质所带动电荷的存在与变化状态可分为动电（流电）现象和静电现象。静电现象指相对于观察者而言，所带的电荷处于静止或缓慢变化的相对稳定状态，动电现象则与此相反。显然，在静电情况下，由于电荷静止不动或其运动非常缓慢，故它所引起的磁场效应较之电场效应来说可以忽略不计划内。静电可因多种原因而发生，例如物体间的磨擦、电场感应、介质极化、带电微粒附着等许多物理过程都有可能导致静电。3.1静电现象：静电现象广泛存在于自然界、工业生产和人们的日常生活中。1）自然界中的大气静电现象人类生活的地球本身，就是个极大的导体，它存储了大约9.02×105C的负电荷量.在距离地面60~350km的电离层区建立了方向垂直于地面的电场。空气中的电场离地面越远强度越低。在海平面，晴天时的场强达到120V/m；在3km高处场强为25V/m；在80km高处，已处在空气导电的电离层区域内，其场强为4×10-8V/×m，对地电位200~213kv。大气闪电是最具代表性的自然界静电现象之一。此外，自然界中的电解、气流、风沙、冰雪、烟尘等都呈现静电现象。因此，可以毫不夸张地说人类生活在静电的海洋之中。2）工业中的静电现象工业生产中，由于物体间的机械分离、与带电的物体接触或孤立导体上的静电感应作用，存在着大量的静电现象。a在纺织工业中使用的自由端静电纺纱，具有工艺流程短、产量高、噪音低、用电省、飞花少、织物耐磨性强等优点，它利用静电场将单纤维直、排列和凝聚，用自由端加捻成纱。由于电晕放电、磨擦、接触、极化、电离等方式，使纱织纤维带有静电位。例如棉花电位为-50V，人造丝电位为-100V，维尼纶电位为900V，尼龙电位为1.05kv。b在橡胶工业中，合成橡胶从苯槽中出来时，表面电荷密度达7×10-6C/m2，静电位可达250kv。像胶压延机压出时，产品静电位高达-80kv。涂胶机的静电位为-30kv。c在印刷和造纸工业中，纸离开辊筒时静电位可达10~20kv，经过加光机达50kv。印刷时，纸张静电位可达1.0kv，在照像凹板印刷的场合，纸张带电密度为10-8~10-10C/m2。d在石油工业中，汽油在金属管道中流动时带负电荷，而管道带正电荷，汽油流经棉制品材料时电位为2.6kv。槽车装油时，油面电位高在10kv以上。在石油精炼过程中，油品经反复加压、加热、喷射、冷却和压送等工序，将使油料带有大量荷。油罐车在马路上行驶时轮胎磨擦起电，油料本身由于摇晃也起电，油品经过地阀门、泵、过滤器和其他截面改变之处剧烈起电，特别在过滤时起电电位很高。e在汽车运输工业中，轮胎的电阻率为108~1011Ω.cm，在一般车速下可充电15~50kv，甚至达100kv。传递皮带上带电30~40kv，最高达80kvf在塑料工业中，塑料制品表面电阻率为1016~1020Ω.cm，表面经磨擦其电位可达1kv以上。赛璐璐相互磨擦时带电电位高达40kv。g在粉碎工业中，大多数粉体，例如煤粉、面粉、塑料粉等，其体电阻率大于1010Ω.cm，在传输及加工中都会起电。这些粉体材料在碎裂时以及与器壁、墙壁、粉体粒子相互碰撞、磨擦时也会带电。例如，面粉流出槽管时可带静电位1~3kv。h在电子工业中，由于产品的小型化。对静电愈加敏感。器件加工中，磨擦起电、人体带电、感应起电都是静电产生的重要方式。例如，操作者的人体与大地绝缘时，静电位可高达1.5~35kv.如此高的静电位一旦放电,足以使静电敏感电子元器件、组件和设备毁坏、受损、硬击穿或软击穿，形成永久性或暂时性失效，或突然失效或潜在失效，还可能因静电放电产生宽带杂波干扰信号，导致电子设备误动作或其他故障。第二章：静电防护1.1概述：通过第1章的介绍，我们已经知道任何两个物体的接触和分离都会产生静电，即使是同一类物体，由于表面状态（如表面污染、腐蚀和粗糙度）不同，在发生接触分离时也会因表面逸出功的差异而产生静电。此外，通过静电感应或静电极化作用，可以使原来不带电的物体成为带电体。这种物体静电带电现象，可以表现于固体，也可以表现于液体、气体和粉体。因此，静电的发生是一种很普遍的自然现象。当静电的存在超过一定的限度（可以场强、电位或存储能量的形式体现），且在其客观环境适宜时，便会以其特有的不同模式对生产环境、产品和人身产生危害。静电的产生几乎是难以避免的，但可以通过各种行之有效的措施加以防护，以使其降低到可以接受的程度，并尽可能地减少危害。工程中实用的静电防护措施尽管五花八门，但其基本思路总是紧密围绕下列几点：1）尽量减少静电荷的产生2）对已产生的静电荷尽快予以消除，包括加速其泄漏、中和及降低它的程度3）最大限度地减少静电危害4）严格静电防护管理，以保证各项措施的有效执行1.1.1静电防护的主要内容各项防护措施综合起来如表1.1所示.从表1.1可以看到，静电防护是一种具有系统性、立体性、全方位、全过程的综合性工作，不但需要相当复杂的相关技术措施，而且需要强有力的和健全的管理措施；不但要求工程技术人员参与，更要求操作人员、使用及维护人员参与。因此，防静电意识的建立和操作技能的培训，同样具有特别重要的意义。表1.1各项防护措施综合表防护途径主要内容具体措施1.防止静电的产生(1)控制静电的生成环境①湿度控制.在不致导致器材或产品腐蚀生锈或其他危害前提下,尽量加大湿度②温度控制.在可能条件下尽量降低温度,包括环境温度和物体接触温度③尘埃控制.此为防止附着(吸附)带电的重要措施④地板、桌椅面料和工作台垫应由防静电材料制成,并正确接地⑤静电敏感产品的运送传递和存储及包装应采取静电防护措施⑥喷射、流动、运送、缠绕和分离速度应予控制,在液体、粉体等材料的输送管道中使用缓和器(2)防止人体带电①佩戴防静电腕带②穿戴防静电服装、衣、帽③穿戴防静电鞋袜，脚链④佩戴防静电手套、指套⑤严格禁止与工作无关的人体活动（例如做操、打闹、梳头发、吃东西等）⑥进行离子风浴(3)材料选用要求①凡必须或有可能发生接触分离的材料应考虑使其在带电序列表上的位次尽量靠近②应使材料的表面光滑、平整、洁净无污③使用静电导体材料和静电耗散材料(4)工艺控制措施①制定并实施防静电操作程序②使用防静电周转、运输盘、盒、箱及其他容器、小车③使用防静电工具（烙铁、吸锡器等）④采用防静电包装⑤对有静电燃烧、爆炸可能性的液体材料设置必要的静置时间⑥尽量减少物体间的接触压力、时间、面积（例如布匹、纸张、线材、薄膜材料、胶带等的运送，传递辊筒、卷筒、线轴和产品之间）并限制运行速度不可过快2.减少和消除静电荷(1)接地①地板和工作桌、椅、台面、台垫正确接地②人体接地③工具（烙铁、吸锡器、台架、运输小车等）接地④设备、仪器接地⑤管路、运输传送设施、装罐设备、存储设施（设备）接地(2)增湿①使用各种适宜的加湿器、喷雾装置②采用湿拖布拖擦地面或通过洒水等方法以提高带电体附近或环境的湿度③在允许的情况下尽量选用吸湿性材料(3)中和针对场所和带电物体的形状、特点，选用适宜类型的静电消除器，以消除器具、器材、产品、场所、设备和人体上的静电荷(4)掺杂①在非导体材料、器具的表面通过喷、涂、镀、敷、印、贴等方式附加上一层物质以增加表面电导率，加速电荷的泄漏与释放②在塑料、橡胶、防腐涂料等非导电材料中掺加金属粉末、导电纤维、炭黑粉等物质，以增加其体电导③在布匹、地毯等织物中，混入导电性合成纤维或金属丝，以改善织物的抗静电性能④在易于产生静电的液体（如汽油、航空煤油等）中加入化学药品作为抗静电添加剂，以改善液体材料的电导率3.减少静电危害(1)提高产品自身抗静电能力①对CMOS等静电敏感集成电路采用输入、输出保护电路设计②对于静电敏感电子组件和电子设备，采用抗静电防护设计（设置输出、输入保护电路和网络，使用隔离电阻器，设置边界保护环，尽量选用非敏感元器件等）③对敏感元器件进行静电防护设计（设置串联限流电阻器、设置钳位放电间隙、降低瞬态能量密度、避免引线交迭和寄生MOS电容的形成等）(2)采用静电蔽幕和接地设计①对敏感部位和敏感元器件采用加防护盖、罩、片等静电屏蔽措施，以减少静电的力学、感应和放电危害②应尽量避免孤立导体的存在③在液体储油罐等设备中设立具有屏蔽作用的检测井，以保证采样和检测的安全(3)确保设备、设施和作业场所的静电安全①控制易燃、易爆的液体或粉体使爆炸化合物浓度在燃烧、爆炸的极限浓度之下②保持作业场所各种接地设施和系统（雷电保护、故障保护、信号参考、大地电极、防静电操作等）正确和有效接地③控制作业区内各点静电电位在标准允许的范围之内④安装局部放电器、放电刷等，以通过电晕放电不断释放静电能量使其积聚的能量在安全范围之内⑤严格静电安全作业操作规程4.严格防静电管理(1)建立健全责任制和规章制度①建立健全各类人员（领导者、技术和管理人员、操作人员）的静电安全防护管理职责，并备有检查制度②建立静电安全事故分析制度③编制具体详细的防静电操作规程④对设备、装置、器材、器具、工具等的防静电性能要求建立定期检测制度⑤建立产品静电损害机理分析制度(2)培训教育①针对领导者、管理和技术人员、操作人员等不同层次和不同岗位的人员，实施有关防静电意识、知识、技术和安全要求教育②针对不同岗位操作人员进行操作技能培训及考核(