涂裝工藝綜合/組合環境加速試驗研究及應用

袁 敏，劉麗紅，王 忠

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

前言

電子裝備在壽命期內往往經受多種環境因素的綜合和（或）組合作用，多環境因素的綜合/組合已經被證實具有不容忽視的協同影響效應（Synergistic Effect）[1]。實驗室試驗往往采用單環境因素的模擬方式，以體現裝備在各種單環境因素下的影響效應。《裝備環境工程通用要求》將多種環境因素的順序作用稱為組合試驗，將多種環境因素的同時或綜合作用稱為綜合試驗[2]。國外有些文獻對兩種試驗方法并不作較嚴肅的區分，統稱為綜合試驗(Combined Test)。筆者認為對綜合和組合試驗進行區分有利于理解，在實際應用中也有區分的必要。

本文研究了電子裝備涂裝工藝的綜合/組合加速試驗方法，基于西沙自然環境試驗結果，通過進行相互關系分析，對比了綜合/組合加速試驗方法與傳統單因素加速試驗方法的優缺點。

1 意義和作用

綜合/組合試驗能夠更真實地反映電子裝備壽命期內環境因素的作用方式。在多因素綜合/組合試驗條件下，裝備能夠顯示出單因素試驗條件下不會表現出的故障模式，從而使裝備研制廠所采取更有針對性的糾正措施，大大提高裝備在實際壽命期內的環境適應性。目前，應用較多的綜合/組合試驗方法主要是基于振動、溫度、濕度、高度四種環境因素的試驗，這些試驗方法在GJB 150/GJB 150A、GB/T 2423中還有明確的規定。

眾所周知，電子裝備戶外涂裝工藝材料受環境影響的主要因素是太陽輻射、鹽霧、濕熱、溫度、霉菌等。在自然環境條件下，往往這些環境因素同時存在并作用于裝備，這些環境因素之間具有非常明確的協合影響作用，高溫、高濕會加快鹽霧的腐蝕速率和太陽輻射的老化效應，鹽霧與太陽輻射之間的協合作用也不容忽視。如果按照現有標準中的試驗方法開展單因素試驗，因為不能體現這些綜合作用的影響，試驗獲得的成效可能甚微，因而需要研究更合理的實驗室多因素綜合/組合試驗方法，不僅能夠開展實驗室加速試驗，而且能夠把自然環境條件的作用方式“模擬”得更好，即綜合/組合試驗與自然環境試驗應具有較好的相關性和加速性。

2 試驗設計方法

目前，電子裝備戶外涂裝工藝體系的實驗室多因素綜合/組合加速試驗并沒有可供依據的規范或標準，需要針對自然環境條件下各因素的綜合作用方式研究相應的實驗室綜合/組合試驗方法。試驗方法設計的一般步驟為：

1）確定環境影響因素及其量值。確定自然環境條件的影響因素種類，明確主要的影響因素，并通過環境因子監測確定環境因素的量值。

2）確定環境因素的作用方式。考慮自然環境條件下主要環境影響因素的作用方式和作用特點，決定各環境因素的作用時間及比例。

3）設計實驗室試驗方案。確定試驗設計的原則，試驗在實驗室技術條件下實施的可能性。由于并不是所有的環境影響因素綜合在一起都可以強化影響效應，例如鹽霧可以殺死霉菌，如果對這兩種環境因素進行綜合/組合，則失去了試驗意義。另外，還需要考慮是否需要將所有的環境因素進行綜合/組合，需要進行具體分析。

4）試驗實施及結果分析。為了得到一種相互關系更好的試驗方案，往往需要采取不同的試驗量值平行地實施幾組綜合/組合試驗，試驗后將各組試驗結果與自然環境試驗結果進行對比分析，選擇相關性和加速性較好的一組試驗方案作為最優方案。

3 涂裝工藝綜合/組合加速試驗

本文基于西沙熱帶海洋自然環境開展涂裝工藝的綜合/組合加速試驗研究。

3.1 試驗設計

較早之前，裝備涂層的耐候性試驗主要是通過在實驗室開展太陽輻射試驗和鹽霧試驗來進行的，后來逐漸注意到兩者之間具有一定的協同作用，就將這兩種試驗組合起來開展，這種組合試驗方法較單環境因素試驗方法具有更好的加速試驗效果。然而，直接按標準中的試驗條件對兩種試驗方法進行組合，試驗剖面的設計并沒有較好的依據。

通過分析，西沙熱帶海洋環境條件下，影響涂層工藝性能劣化的主要環境條件包括高溫、濕熱、鹽霧、太陽輻射和霉菌，各種環境條件的監測值見表1[3]。考慮到實驗室的技術條件，能夠進行綜合或組合的環境條件有四種：高溫、濕熱、鹽霧、太陽輻射。實驗室綜合/組合試驗設計時，可將高溫條件綜合到太陽輻射試驗和濕熱試驗中，再將太陽輻射（含高溫）、濕熱（含高溫）和鹽霧進行組合，以此作為一個循環開展試驗。這種綜合/組合試驗方式體現了裝備涂層在熱帶海洋環境條件下經受的太陽輻射、鹽霧、溫濕度變化、凝露、干濕交替、光照與暗周期交替的環境條件作用特點，預期較單因素試驗具有更好的相關性和加速性結果。

表1 西沙典型環境條件的監測值

為了獲得一定的加速性，在不改變涂層失效機理的前提下適當提高試驗量值，并以此量值作為典型值對各環境因素進行綜合/組合，試驗后通過對各組試驗結果與自然環境試驗結果進行相互關系分析，對比獲得相互關系最好的試驗方法。

裝備涂層的性能參數較多，外觀參數主要包括光澤度、色差、粉化、開裂、起泡、生銹、長霉、剝落等，其中光澤度和色差值能夠使用儀器進行測量，測量值具有連續性，較為客觀，便于對試驗結果進行對比和分析。

3.2 試驗

3.2.1 試驗樣品

選用6種涂裝工藝樣品開展試驗，試驗項目包括實驗室太陽輻射試驗、實驗室太陽輻射-濕熱-鹽霧綜合/組合試驗、西沙戶外自然大氣暴露試驗。工藝樣品種類名稱見表2。

3.2.2 試驗方案

1）第一組：太陽輻射試驗。按照GB/T 1865-2009《色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射曝露 濾過的氙弧輻射》進行試驗，選取輻照度為0.51W/m2@340nm，BPT 65℃，連續光照試驗，不噴淋[4]。

2）第二組：太陽輻射（含高溫）－濕熱（含高溫）－鹽霧綜合/組合試驗。試驗采用太陽輻射試驗箱、濕熱試驗箱、鹽霧試驗箱進行，共進行45d試驗，每5d進行一次外觀檢查和性能檢測。

3）第三組：西沙戶外大氣暴露試驗。試驗按照GB/T 9276-1996《涂層自然氣候曝露試驗方法》的要求進行，試驗分別在初始、3個月、6個月、12個月進行檢測[5]。

試驗過程中檢測參數主要包括外觀、光澤度和色差等參數。

3.2.3 試驗結果

試驗過程中，試驗樣品光澤度檢測結果見表3至表5。

3.3 分析與討論

3.3.1 相關性分析

采用Spearman秩相關系系數法對試驗結果的相關性進行分析，秩相關系數r 越接近1，說明相關性越好[6]。

計算公式為：

其中 di為性能數據的秩差，n 為試驗樣品的組數。

計算得第一組太陽輻射單因素試驗與第三組西沙戶外大氣暴露試驗的相關系數1r =0.03。

表2 試驗樣品工藝

表3 太陽輻射試驗失光率/%

表4 太陽輻射-濕熱-鹽霧-高溫綜合/組合試驗失光率/%

表5 西沙自然大氣暴露試驗失光率/%

表6 加速因子AF 計算

計算得第二組太陽輻射-濕熱-鹽霧-高溫綜合/組合試驗與第三組西沙戶外大氣暴露試驗的相關系數2r =0.77。

從秩相關系數的計算結果來看，綜合/組合試驗結果與西沙戶外大氣暴露試驗結果的相關性較好，太陽輻射試驗的相關性較差。可見綜合/組合試驗能夠更好地反映自然大氣暴露試驗條件下環境因素的作用特點，這種試驗方式對熱帶海洋環境具有較好的模擬性。

3.3.2 加速性分析

采用John A Simms提出的AF概念來計算加速因子。由于實驗室太陽輻射單因素試驗的相關性較低，這里僅計算實驗室綜合/組合加速試驗方法試驗的加速因子。以失光率變化到相近或相同的水平時，西沙自然大氣暴露試驗時間h1與實驗室綜合/組合加速試驗方法試驗時間h2之比為加速因子，計算結果見表6。

通過計算，得出實驗室綜合/組合試驗的加速因子約為13.5，試驗方法具有較好的加速性。

4 結論

較單因素加速模擬試驗而言，合理設計的實驗室綜合/組合加速模擬試驗能夠更真實地反映自然環境條件的作用方式和影響效應，試驗結果在取得一定加速性的同時還具有較好的相關性。因此，研究實驗室綜合/組合加速模擬試驗技術對提高裝備的環境適應性具有非常實用的工程價值。

[1]Rogers J.D. Testing In Combined Dynamic Environments.Journal of the IES, 1993(3):17-21.

[2]GJB 4239-2001，裝備環境工程通用要求[S].

[3]袁敏，王忠. 涂裝工藝組合/綜合環境試驗技術綜述[J].環境技術，2011(6):

[4]GB/T 1865-2009，色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射曝露 濾過的氙弧輻射[S].

[5]GB/T 9276-1996，涂層自然氣候曝露試驗方法[S].

[6]汪學華.自然環境試驗技術[M],北京：航空工業出版社，2003.