電子設備綜合環境應力試驗方法研究

仲維彬 代睿 黃立恒 劉四平

摘要：本文提出了一種溫度-濕度-光照-鹽霧綜合環境應力的試驗方法，選取典型電子設備結構材料開展了傳統環境試驗和綜合環境應力試驗的對比試驗，試驗結果表明綜合環境應力試驗方法更能暴露產品在嚴酷高溫、高濕、高鹽霧、高紫外光照下的缺陷，可為電子設備結構、材料和工藝的選取和考核提供一定的技術建議和參考。

關鍵詞：溫度-濕度-光照-鹽霧;電子設備;綜合環境應力;工藝考核

中圖分類號：TB114.3

引言

隨著海洋裝備的大力發展，越來越多的電子設備部署在南海島嶼、島礁上。根據調研，裝備在上島安裝使用不足半年，一部分部件和外協件表面會出現比較嚴重的銹蝕、起泡、龜裂等現象。這些裝備在出廠前都依據相關標準要求進行了嚴格的環境試驗驗證與考核，由此可見目前國內現有的環境試驗標準對于島礁裝備的考核存在一定的不足。針對這些問題，本文結合相關資料、標準及試驗數據，提出了一種溫度-濕度-光照-鹽霧綜合應力的試驗方法，可作為裝備結構、材料和工藝考核的補充試驗。

1 試驗應力的選擇

我國島礁主要分布在東海和南海地區，其特點是遠離大陸、分布零散、面積狹小、四面環水、地勢地平等。島礁多山，坡度陡峻，地形復雜;岸線彎曲，岸陡灘狹;道路少，且曲折狹窄。

島礁氣候環境復雜多變，常年具有高溫、高濕、高鹽霧以及強太陽輻射等特點，對武器裝備結構材料、電子器件以及雷達通信等設備的可靠性造成巨大影響，從而導致武器裝備性能降級或失效。美國曾對其沿海武器裝備調查分析發現：環境因素導致故障武器裝備發生故障或失效的占52%，其中由溫濕度、鹽霧以及太陽輻射是導致武器裝備性能降低及失效的裝備占72%。由此可見，溫濕度、鹽霧以及太陽輻射綜合應力考核對于武器裝備的重要。因此，為了彌補現有裝備結構、材料和工藝考核的不足，本文介紹了一種溫度-濕度-光照-鹽霧綜合環境應力試驗方法，包括的試驗應力有溫度、濕度、鹽霧和太陽輻照。

2 試驗應力的確定

2.1 鹽霧階段溫度應力

根據國際電工委員會IEC60355：1971《AN APPRAISAL OF THE PROBLEMS OF ACCELERATED TESTING FOR ATMOSPHERIC CORROSION》標準指出：“溫度每升高10℃，腐蝕速度提高2～3倍，電解質的導電率增加10～20%”。這是因為溫度升高，分子運動加劇，化學反應速度加快的結果。對于中性鹽霧試驗，GJB 150.11-89、GJB150.11A-2009和GJB 4.11-83中要求的溫度應力是一樣，都為35℃。如果選取溫度過高的話，會導致腐蝕機理和實際有較大的不同。因而本方法在選取鹽霧階段的試驗溫度為35℃±2℃。

2.2 鹽溶液的濃度與沉降量

鹽溶液的濃度對產品腐蝕速度的影響和產品的選材以及涂覆層的選用有關，鹽溶液的濃度在5%以下時，黃銅、鋼等材料的腐蝕速度隨濃度的增大而增大;鹽溶液的濃度大于5%時，這些金屬的腐蝕速度會隨著濃度的增大而減小。這主要與鹽溶液里的氧含量與鹽的濃度有關，氧含量下降，氧的去極化能力也下降即腐蝕作用減弱。基于以上因素，本標準試驗方法采用的鹽溶液的濃度為5%。同時考慮空氣中鹽霧的含量高，暴露在鹽霧環境的時間幾乎貫穿于產品的使用全階段，經調研論證，本方法中鹽霧的沉降量范圍為（6～9）mL/80cm2·h。

2.3 太陽輻射強度與相對濕度

根據相關技術要求對島礁露天設備的太陽輻射試驗的要求：在溫度52℃/51℃，太陽輻射強度為1110w/m2下，產品應不損壞。這是對在南海露天設備規定的最低太陽輻射要求，結合GJB150.7A-2009太陽輻射試驗中太陽輻射峰值為1120w/m2的要求，本方法采取更為嚴酷的1120w/m2光照強度，太陽輻射階段的試驗溫度為52℃。同時結合我國海域的常年高溫高濕的氣候特點，年相對濕度為82%～84%，所以在本方法中取相對濕度為85%±5%。

2.4 試驗持續時間

根據GJB150.7A-2009太陽輻射試驗中分為循環試驗（熱效應）和穩態試驗（光化學效應），對于循環試驗（熱效應），著重于太陽輻射產生的熱效應，它將試件暴露于模擬世界實際最大量級的太陽輻射中。

穩態試驗（光化學效應）是著重于加速太陽輻射產生的光化學效應。經調查國內、外相關項目情況，除俄標稍有特殊外，穩態試驗（光化學效應）持續時間均為10個或56個循環。天然暴曬的氣候條件是由太陽輻射、溫度、濕度等綜合因素組成，本方法試驗剖面基本覆蓋了自然氣候中的重要應力。相較于單一應力，本方法的綜合應力考核嚴酷度大大增加，同時考慮到裝備的暴露時長與壽命期使用時長，本方法采取每循環24h，共計28個循環的試驗時間要求。

具體試驗剖面見圖1。

3 試驗驗證

3.1 驗證目的

驗證并比較本試驗方法與GJB150.7A-2009、GJB150.11A-2009中單獨進行的太陽輻射、鹽霧試驗對島礁電子裝備的考核嚴酷程度。

3.2 試驗件的選取

本次驗證試驗選用的試驗件均為典型材料，具體信息見表1。

3.3 驗證方案

試驗驗證方案采用本文中介紹的試驗方法與GJB150.7A-2009和GJB150.11A-2009組合試驗方法試驗結果進行比較，采用同材料、同工藝的試驗樣件，比較在兩種試驗方法問題暴露的時間早晚以及試驗結束后，兩種試驗結果考核的嚴酷程度對比。

3.3.1 試驗一：本試驗方法

1）按照圖1試驗剖面，調節試驗箱溫度為35℃，并在噴霧前將試件保持在這種條件下至少2h。

2）噴鹽霧14h或有關文件規定的時間。在整個噴霧期間，鹽霧沉降率和沉降溶液的pH值至少每隔8h測量一次，保證鹽溶液的沉降率為（3～9）mL/（80cm2·h）。

3）干燥階段結束時，將溫度升至52℃，相對濕度保持在85%，同時施加輻照度為1120W/m2的太陽光照，并保持10h。結束后對樣件外觀進行檢查并拍照。

4）保持結束后，應重復步驟2）～3），進行28個循環。結束后對樣件外觀進行檢查并拍照。

3.3.2 試驗二：GJB150.7A-2009和GJB150.11A-2009組合試驗

1）根據GJB150.7A-2009太陽輻射試驗程序II-穩態試驗要求，將試驗箱空氣溫度調節至49℃，再將輻射燈的輻射度調節到1120W/m2±47W/m2。保持這些條件達20h。再關閉輻射燈4h為一個循環。并進行10個循環。結束后對樣件外觀進行檢查并拍照。

2）結束后再按照GJB150.11A-2009鹽霧試驗要求進行鹽霧試驗，調節試驗箱溫度為35℃，并在噴霧前將試件保持在這種條件下至少2h。連續噴霧24h，噴霧期間每24h記錄一次鹽霧沉降率及收集液pH值，保證鹽霧沉降量在1～3ml/80cm2·h內，連續噴霧24小時后停止噴霧，在標準大氣壓條件溫度（15℃～25℃）和相對濕度不高于50%條件下干燥24h，為一個循環，干燥結束后，再進行一個循環。結束后對樣件外觀進行檢查并拍照。

3）重復1）～2），結束后對樣件外觀進行檢查并拍照。

4 試驗結果分析

試驗驗證表明：本文提出的綜合試驗方法可暴露出更多的實際問題，具體試驗結果見表2。

5 結論

本文提出了一種溫度-濕度-光照-鹽霧綜合環境應力試驗方法，重點介紹了綜合應力的選擇及應力參數的確定。通過試驗驗證現有試驗方法和本文綜合環境應力試驗方法，新的綜合環境應力的試驗方法更能暴露產品的缺陷，更有助于提升裝備后期使用的可靠性。希望本文介紹的綜合應力試驗方法可為裝備結構、材料和工藝的考核提供一定的技術建議和參考。

作者簡介：仲維彬（1977-），男，漢族，江蘇海安人，碩士，高級工程師，主要從事電子裝備質量監督，環境應力試驗技術。

參考文獻

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