電子設備灌封材料西沙環境試驗與實驗室環境試驗相關性研究

劉成臣，張洪彬，趙連紅，金濤，王浩偉

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電子設備灌封材料西沙環境試驗與實驗室環境試驗相關性研究

劉成臣1，張洪彬2，趙連紅1，金濤1，王浩偉1

（1.中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 4 48035； 2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 440106）

研究267有機硅、DC160有機硅、112FR環氧樹脂、8836聚氨酯4種灌封材料西沙海洋大氣環境與實驗室環境試驗的相關性。在西沙海域環境開展267有機硅等4種灌封材料的棚下暴露試驗，暴曬試驗時間為3年。同時在實驗室開展濕熱試驗，分別通過測試表面電阻、體積電阻、介電常數、損耗角正切研究兩種試驗環境的相關性。將以體積電阻、表面電阻、介電強度、損耗角正切為基準相關性評價結果進行平均，得出灌封材料實驗室加速試驗和自然暴露試驗的秩相關系數為0.66，為強相關。4種灌封材料的加速系數分別是6.6，4.9，4.5，8.3。建立了灌封材料在西沙海洋環境試驗和實驗室濕熱環境試驗的相關性，可為后續西沙環境試驗的加速處理提供依據。

灌封材料；暴露試驗；加速試驗；相關性

飛機在海洋環境下服役時惡劣環境會對機載電子裝備產生很大的影響，濕度大會加速產品表面的化學和電化學反應，加速金屬的腐蝕和非金屬涂層的破壞，還會影響電子設備的可靠性[1-5]。有機硅、環氧樹脂和聚氨酯作為飛機機載電子設備常用的絕緣灌封材料對于阻止濕氣進入和絕緣具有很大的作用，但灌封材料本身也易受環境的作用而性能退化[6]。例如水易導致灌封材料中的可溶性溶劑水解、高溫和輻射易導致降解和交聯、灌封材料易產生霉菌等。飛機壽命一般在30年左右，在自然環境下評估灌封材料的環境適應性需要很長的周期，無法滿足工程研制需求，因此必須采用加速試驗的方法，以期在短時間內達到評估飛機服役若干年后灌封材料的性能，而建立加速試驗和自然環境試驗之間的相關性是評估的重要前提[7-10]。

文中在西沙海域環境開展了267有機硅等4種飛機機載電子設備常用灌封材料的棚下暴露試驗和實驗室濕熱試驗，通過表面電阻、體積電阻、介電常數、損耗角正切參數測試結果，研究了兩種試驗環境的相關性。

1 試驗件

灌封材料試驗件采用圓形膠片試樣，試驗件尺寸為10 mm×(2~3) mm（見圖1），其組分見表1。

圖1 灌封材料試驗件

表1 灌封材料試驗件清單

2 自然環境試驗

西沙永興島自然暴露試驗站，屬于典型的熱帶海洋性氣候，具有高溫、高濕、強輻射且日照時間長、高鹽霧的氣候特點，較適用于各類機載設備灌封材料對海洋環境適應性的考核，環境數據見表2。采用棚下暴露的方式，檢測周期為0，6，12，18，24，30，36個月，每次3件，檢測數據見表3。

表2 西沙年均環境數據

表3 暴露試驗樣品性能檢測數據

3 實驗室加速試驗

影響灌封材料的主要環境因素主要有太陽光、溫度、濕度等，基于灌封材料的使用環境，文中的自然環境試驗方式為棚下暴露試驗，試驗過程中無太陽光的影響，因此制定實驗室加速腐蝕試驗可將其剔除。文中灌封材料主要用于機載設備灌封，故試驗條件參考GJB 150.9—86《軍用設備環境試驗方法濕熱試驗》中的地面和機載電子設備濕熱試驗條件，其試驗條件：高溫為（60±2）℃，低溫為（30±2）℃，相對濕度為95%±2%，高溫保持時間為6 h，低溫保持時間為8 h，升溫時間為2 h，降溫時間為8 h，24 h為一個循環周期。檢測數據見表4。

表4 加速試驗樣品性能檢測數據

4 相關性評價

為了準確獲知兩種環境的相關性，從相關度和加速性兩個方面進行表征，其中相關度采用了秩相關系數法。秩相關系數越接近1，相關度越好，即兩種試驗方法對材料的影響規律是基本一致的，相關度的判斷見表5。加速性以體積電阻、表面電阻、介電常數、損耗角正切作的變化量為指標。

4.1 以體積電阻為基準

以體積電阻為基準，灌封材料樣品實驗室加速試驗和自然暴露試驗的相關度計算見表6。

由表6可看出，E1、E2、E3樣品的相關系數均大于0.6，均為強相關，E4樣品的秩相關系數為0.40，為中等強度相關。四類樣品秩相關系數的平均值為0.65，說明以體積電阻為評價基準實驗室加速試驗和自然暴露試驗相關強度為強相關。

4.2 以表面電阻為基準

以表面電阻為基準，灌封材料樣品實驗室加速試驗和自然暴露試驗的相關度計算見表7。

由表7可看出，四類樣品的相關系數均大于0.6，均為強相關。四類樣品秩相關系數的平均值為0.78，說明以表面電阻為評價基準實驗室加速試驗和自然暴露試驗相關強度為強相關。

表6 以體積電阻為基準的相關度評價

表7 以表面電阻為基準的相關度評價

4.3 以介電常數為基準

以介電常數為基準，灌封材料樣品實驗室加速試驗和自然暴露試驗的相關度計算見表8。

由表8可看出，E1樣品的相關系數為0.83，為極強相關。E2、E3、E4的秩相關系數在0.4至0.6之間，為中等程度相關。四類樣品秩相關系數的平均值為0.58，說明以介電常數為評價基準實驗室加速試驗和自然暴露試驗相關強度為中等程度相關。

表8 以介電常數為基準的相關度評價

4.4 以損耗角正切為基準

以損耗角正切為基準，灌封材料樣品實驗室加速試驗和自然暴露試驗的相關度計算見表9。

由表9可看出，E1樣品的秩相關系數為0.88，為極強相關；E2、E3的秩相關系數均大于0.6，為強相關；E4的秩相關系數為0.18，相關度較低。四類樣品秩相關系數的平均值為0.57，說明以損耗角正切為評價基準實驗室加速試驗和自然暴露試驗相關強度為中等程度相關。

將以體積電阻、表面電阻、介電強度、損耗角正切為基準相關度評價結果進行平均，得出灌封材料實驗室加速試驗和自然暴露試驗的秩相關系數為0.66，為強相關。

4.5 加速性評價

本項目以體積電阻、表面電阻、介電強度和損耗角正切為基準進性加速性評價，評價結果見表10、表11。

由表10、表11可知，以體積電阻變化量為基準，四種樣品的加速系數在在1.3~12之間；以表面電阻變化量為基準，四種樣品的加速系數在3.5~12之間；以介電常數變化量為基準，四種樣品的加速系數在6.5~8之間；以損耗角正切為基準，E2、E3樣品無加速性，E1、E4樣品的加速系數分別為9和10.5。

將灌封材料以體積電阻、表面電阻和介電常數為基準評價得出的加速系數結果進行平均，得出E1—E4樣品的加速系數分別為6.6， 4.9，4.5，8.3，說明該類實驗室加速試驗方法對4類樣品的加速效果排序為E4>E1>E2>E3。

表9 以損耗角正切為基準的相關度評價

表10 以體積電阻、表面電阻評價加速性

表11 以介電常數、損耗角正切評價加速性

5 結論

1）通過秩相關系數法說明了電子設備灌封材料西沙環境試驗與實驗室環境試驗兩者之間的強相關性。

2）以體積電阻、表面電阻、介電常數和損耗角正切的變化程度為基準評價得出實驗室加速試驗方法對4類樣品的加速效果排序為E4>E1>E2>E3。可為后續西沙環境試驗的加速處理提供依據。

[1] 郭敏驍, 封志華, 徐偉, 等. 環境因素與飛機結構壽命[J]. 裝備環境工程, 2004, 1(5): 73-77.

[2] 孫海龍, 王曉慧. 艦載電子設備三防密封設計技術綜述[J]. 裝備環境工程, 2008, 5(5): 49-52.

[3] 孫世彧, 李高原. 高分子材料的氣候老化試驗技術[J]. 塑料工業, 2006(9): 36-39.

[4] 張仁群, 岳濤. 大型電子系統顯示控制臺環境適應性設計[J]. 環境技術, 2011, 35(4):?22-24

[5] 喬紅云, 寇開昌, 顏錄科, 等. 有機硅灌封材料的研究進展[J]. 材料科學與工程, 2006(2): 321-324

[6] 黃恩, 劉麗紅. 灌封材料與環境適應性[J]. 環境技術, 2003, 27(6): 32-34.

[7] 劉文珽, 李玉海, 陳群志, 等. 飛機結構腐蝕部位涂層加速試驗環境譜研究[J]. 北京航空航天大學學報, 2002, 28(1): 109-112.

[8] 劉文珽, 李玉海. 飛機結構日歷壽命體系評定技術[M]. 北京: 航空科學出版社, 2004.

[9] 劉文珽, 賀小帆. 飛機結構腐蝕/老化控制與日歷延壽技術[M]. 北京: 國防工業出版社,2010.

[10] 劉成臣, 王浩偉, 楊曉華. 不同材料在海洋大氣環境下的加速環境譜研究[J]. 裝備環境工程, 2013, 10(2): 18-24.

Correlation between Xisha Environmental Test and Laboratory Environmental Test of Electronic Equipment Potting Material

LIU Cheng-chen1, ZHANG Hong-bin2, ZHAO Lian-hong1, JIN Tao1, WANG Hao-wei1

(1.China Special Vehicle Research Institute, Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Corrosion Prevention and Control, Jingmen 448035, China; 2.China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Institute, Guangzhou 440106, China)

To study on the correlation between potting materials such as 267 silicone, DC160 silicone, 112FR epoxy resin and 8836 polyurethanein Xisha ocean atmospheric environment and laboratory environmental test.Exposure test under shed was carried for 267 silicone, etc four potting materials in Xisha sea environment for 3 years, while damp heat test was carried out in the laboratory. The relevance of the two test environments was studied through testing surface resistance, volume resistance, dielectric constant, loss tangenty.The rank correlation coefficient between the laboratory accelerated test and the natural exposure test was 0.66, which was the average correlation between the volume resistance, the surface resistance, the dielectric strength and the loss tangent. They were strongly correlated. The accelerating coefficients of the four potting materials were 6.6, 4.9, 4.5 and 8.3 respectively.The correlation between the potting materials and the hot and humid environment tests in the Xisha environment is established by the rank correlation coefficient method, which can provide basis for accelerated and simplified treatment of subsequent Xisha environmental test.

potting material; exposure test; accelerated test; correlation

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.013

TJ07；TG174.461

A

1672-9242(2018)01-0058-08

2017-08-17；

2017-08-28

劉成臣（1984—），男，湖北荊門人，碩士，高級工程師，主要研究方向為飛機結構抗腐蝕設計。