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本文作者

淺談環境試驗及溫度環境試驗設備

撰稿者: 

 

作者單位:上海愛斯佩克環境設備有限公司

作者職務:生產技術部 科長 電氣工程師

發表刊物:《上海儀器儀表》2005年 上海儀器儀表行業協會主辦

 

前言

1986年1月28日,美國“挑戰者”號航天飛機升空73秒后,突然爆炸,機上7名宇航員全部殉難。這是人類航天史上的一個大悲劇。事后美國有關部門對航天飛機爆炸的原因進行了調查,調查結果表明:由于航天飛機發射的前一天,美國突降大雪,天氣寒冷,致使燃料艙的一個橡膠密封零件,經受不住寒冷環境條件的考驗,從而造成航天飛機的爆炸,其損失是相當慘重的。沉痛的教訓使人們更加注重產品對環境條件的適應性,這就是環境技術。

環境技術是一項實用的基礎技術研究,是穩定產品質量和提高產品質量的重要技術措施之一。其主要任務是研究環境對產品的影響,解決產品的貯存、運輸或使用中的可靠性問題。主要包括研究產品的各種環境條件、針對產品所處的特殊環境研究相應的防護技術以及研究和制訂環境試驗方法以鑒別產品對環境的適應能力等。

評價產品的價值不應該僅僅局限于對產品自身功能與性能進行評價?;瘓浠八?,質量是產品價值的基礎,產品價值取決于其自身質量。產品投放到市場后發生質量問題時,性能的損壞程度并不直接影響產品成本,但是對于廠家來講最大損失莫過于品牌信譽的損失。為了避免這些損失,在產品投放市場之前,就必須要對產品作質量鑒定?;肪呈匝椴喚瞿芄煌üD饈匝楹筒肥倜匣匝槎圓方兄柿考?,還是質量保證體系中必不可少的先決條件;同時可用來評價防護措施的效果和鑒定產品對環境的適應能力,也可以摸清環境因素的影響程度及其使用處理。

本文將簡單介紹一下環境試驗的基礎概念知識,以及就和溫度相關的環境試驗設備作以簡要介紹。

 

1. 環境試驗介紹

環境試驗作為可靠性試驗的一種類型已經發展成為一種預測產品使用環境是如何影響產品的性能和功能的方法。也就是說,在產品投入市場之前,環境試驗被用來評估環境影響產品的程度;當產品的功能受到了影響,環境試驗被用來查明原因,并采取措施?;げ訪饈芑肪秤跋煲員3植返目煽啃?。這些試驗已經遠遠地超過了其最初的目的,現在被廣泛應用于包括材料和產品的研發、生產過程中的各種不同檢查、運輸之前的檢驗和運輸后的質量控制,也被用來分析產品的實際使用過程中出現的缺陷以及新產品的改進?;肪呈匝槎雜詡觳夥椒ê捅3植房煽啃允欠淺S行У?。

我們這里講的環境試驗是狹義的,實際是指人工模擬的環境試驗(以下稱為環境試驗)。廣義上環境試驗基本分為“自然暴露試驗”、“人工模擬試驗”和“現場運行試驗”三類。自然暴露試驗,是將樣品長期暴露在自然環境條件下進行測試。現場運行試驗,是將樣品裝置在各種典型的使用現場并使它處于正常運行狀態進行測試。這兩種試驗都能直接反映產品實際使用中的性能和可靠性,也是驗證人工模擬試驗準確性的基礎。但是試驗周期都較長,花費人力物力大,并且前者試驗條件不能控制,影響試驗的再現性,且有時跟不上產品的發展;后者數據反饋慢。因此為了在較短時間內能鑒定產品對環境的適應能力,在科研和生產工作中多采用人工模擬環境試驗,即在實驗室的試驗設備(箱或室)內模擬一個或多個環境因素的作用,并予以適當的強化。人工模擬試驗的試驗條件的確定,要求既能模擬環境中主要因素影響的真實性,又能在時間上起一定的加速作用,但是加速的程度不應改變產品實際損壞機理的規律。為此,人工模擬試驗的試驗條件和方法必須與產品環境條件的等級、數值有機地聯系起來。

如圖1所示,環境試驗簡單劃分可分為“氣候環境試驗”、“機械環境試驗”和“綜合環境試驗”。與氣候有關的環境試驗包括溫度、濕度與壓力等環境應力試驗,而機械環境試驗則包括沖擊和振動等環境應力試驗,綜合環境試驗則是綜合氣候和機械等環境因素的應力試驗。

當然,使用環境試驗設備進行的試驗并不可能完全精確地再現出產品的使用環境以及模擬出所有的環境因素,在這里必須理解環境試驗的局限性。由單一因素(溫度、濕度、壓力、振動、沖擊或某一物質如鹽)構成的環境試驗稱之為簡單環境試驗。實際上產生完全單一的環境很困難,而且大部分試驗環境都是十分復雜的。因此在設計試驗條件時,試驗人員需要選擇對產品有最大影響最為重要的環境因素,所以說環境試驗只能是一個與真實環境還存在很大區別的人為環境。

一般性,產品的缺陷是由以下幾個方面造成的:

a.    原材料的濃度和多樣性、摩擦、磨損、應力、熱、電流以及電場強度,這些因素會影響產品某些方面的性能;

b.    在產品設計和制造過程中由產品特性(原材料、制造工藝、結構部件以及大規模生產時)所引發的因素;

c.    外界環境產生的應力。

因此,試驗條件必須依據具體的產品條件而定,對于不同的產品是不一樣的。如果被試驗研究的產品發生了變化,相應的環境試驗也要改變。

2. 溫度應力

環境應力條件可以引起產品失效,Hughes航空公司(美國)技術資料明確地表示了失效與環境應力之關(見圖2)??杉詬髦鐘ατ跋熘形露群褪然肪秤αλ⒌厥д妓謝肪秤ασ⑹У?0%左右,而溫度應力與失效之間存在著密切的關系。

目前,在世界各地,無論從陸地到海洋或者從高空到宇宙空間,都廣泛地使用電子電工以及其他領域的產品。由于氣溫隨著高度的增加而降低或在冬季高緯度地區,或者有些產品所在位置接近制冷元件、設備或系統,或者有些產品本身就包括制冷元件、設備或系統,從而產生低溫環境。低溫幾乎對所有的材料都會產生不同程度的有害影響,構成產品的各種材料的物理性能、電性能等將發生變化,導致暫時性或永久性的性能下降,甚至引起失效。

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2 環境應力與失效之關系

同樣,低緯度熱帶地區的自然高溫、太陽輻射的增溫、通風不良引起的溫升以及散熱樣品在使用中自身發熱引起的溫升等產生的高溫,高溫會使電子組合可靠性下降,機械結構的密封件、橡膠件和塑料件等受高溫和太陽照射作用會迅速老化和劣化,其他各種材料的結構、物理性能、電性能也會發生很大的變化,導致暫時或永久性的損傷和性能變化。

另外,在產品貯存、運輸、使用和安裝過程以及中,除自然氣候的變化以外,也會遇到因人類的社會實踐而誘發的環境溫度的變化。例如設備從溫度較高的室內移到溫度相對較低的室外;或者從溫度相對較低的室外移到溫度較高的室內;或者在室外使用的設備在強烈的太陽輻射之后突然降雨或浸到冷水;或者溫度的極度升高導致焊錫回流現象出現,或者啟動馬達時周圍器件的溫度急速升高,關閉馬達時周圍器件會出現溫度驟然下降;或者設備可能在溫度較低地環境中連接到電源上,導致設備內部產生陡峭的溫度梯度,在溫度較低地環境中切斷電源可能會導致設備內部產生相反方向陡峭的溫度梯度;或者當航空器起飛或者降落時,航空器機載外部器材可能會出現溫度地急劇變化等等。由于急劇的溫度變化將使產品受到一定熱沖擊力,在這種熱沖擊力的作用下,將導致電子電工元件的涂覆層脫落、密封材料龜裂甚至破碎、填充材料泄漏等,從而引起電子元器件電性能下降;對于由不同材料構成的產品,由于溫度變化時產品受熱不均勻,導致產品變形、開裂、破碎等。由于溫度變化產生較大的溫差,低溫時產品表面會產生凝露或結霜,高溫時蒸發或融化,如此高低溫反復作用的結果導致和加速了產品的腐蝕。

下表給出了溫度應力引發失效的主要類型。

1 溫度應力引發失效的主要類型

失效

環境應力條件

敏感元件和材料

大分類

中分類(原因)

失效模式

溫度

高溫老化

老化

抗拉強度老化

絕緣老化

溫度+時間

塑料、樹脂

化學變化

熱分解

溫度

塑料、樹脂

軟化、熔化、汽化、升華

扭曲

溫度

金屬、塑料、熱保險絲

高溫氧化

氧化層的結構

溫度+時間

連接點材料

熱擴散(金屬化合物結構)

引線斷裂

溫度+時間

異金屬連接部位

中級破壞

半導體

熱點

溫度、電壓、電子能

非均質材料

熱積聚燃燒

(剩余的熱燃燒)

燃燒

加熱+烘干+時間

塑料(例如帶有維尼綸和聚氨酯油漆的木質芯片)

穿刺

內在的

短路

絕緣性差

高溫(200~400℃

銀,金,鋼鐵,鎂,鎳,鉛,鈀,鉑,鉭,鈦,鎢,鋁

非內在的

短路

絕緣性差

高溫(400~1000℃

銅,銀,鐵,鎳,鈷,錳,金,鉑和鈀的鹵化物

遷移

電遷移

斷開,引線斷裂

溫度(0.5Tm)+電流(密度為106A/cm2

例如鎢,銅,鋁(特別是集成電路中的鋁引線)

蔓延

金屬

疲勞,損壞

溫度+應力+時間

彈簧,結構元件

塑料

疲勞,損壞

溫度+應力+時間

彈簧,結構元件

低溫易脆

金屬

損壞

低溫

體心立方晶體(例如銅,鉬,鎢)和密排立方晶體(例如鋅,鈦,鎂)及其合金

塑料

損壞

低溫+低濕度

高玻璃化溫度(例如纖維素乙烯氨),低彈性的非晶體(例如苯乙烯,丙烯酸甲酯)

焊劑流動

焊劑流粘到冷金屬表面

噪聲,連接不實

低溫

特別是連接到印刷電路板上的元件(例如開關,連接器件)

因而,當討論與溫度有關的產品壽命時,一般采用“θ℃規則”的表達方式。具體應用時可以表達為“10℃規則”等,例如當周圍環境溫度上升10℃時,產品壽命就會減少一半;當周圍環境溫度上升20℃時,產品壽命就會減少到四分之一。這種規則可以說明溫度是如何影響產品壽命(失效)的。

反之,人們可以在較短的時間內,利用升高環境溫度或降低環境溫度或利用超高溫和超低溫的交替來加速產品的失效現象發生,確定產品的特性變化以及由于構成元器件的異種材料熱膨脹系數不同而造成的故障問題。多應用于開發篩選試驗、材料特性試驗、極限試驗、評估試驗、品質確認試驗、加速壽命老化試驗等多種場合的需要。

3. 溫度試驗設備

溫度試驗設備一般由工作室、調節設備、輔助設備、控制系統組成。其中調節系統包括加熱器、蒸發器和送風裝置等,輔助設備主要室制冷機組,控制系統包括溫度控制器、程序設定器、安全報警裝置等。

加熱器多用電阻絲或電熱管的電加熱方式實現;除了對無散熱試樣高溫試驗的干燥箱可以采用自然加熱以外,一般都要都配有送風裝置進行強迫空氣循環,送風方式多用上側送下側回或全面孔板頂送下側回的方式,對于整個試驗設備的均勻性能很重要。

制冷方式使用較多為機械制冷,冷凍機有半封閉或全封閉形式,冷卻回路也有水冷形式或空冷形式,冷媒現已多采用環保型冷媒,節流方式采用毛細管或者電子膨脹閥方式,可以提高精度和回路的壽命,并且能長期連續工作。

控制系統現在一般采用PID方式,使加熱功率隨設備實際溫度與設定溫度偏差自動進行調節、控制,實現無級調節,溫度波動度??;顯示部分也由以前數顯方式提升到液晶觸摸屏方式,例如ESPEC集團的P計裝就是采用6.54英寸TFT彩色液晶顯示畫面,清晰美觀,更便于操作。

另外,設備的保溫層采用玻璃棉或者聚氨酯發泡層,導熱系數小,耐溫性好。溫度檢測采用熱電偶、鉑電阻和熱敏電阻方式等,精度高。

進行溫度試驗時需要考慮詳盡周全,所以考慮選擇相應合適的試驗設備也是至關重要的。

1.              必須要求測試范圍要滿足產品失效可能性試驗范圍,即無論是高溫箱還是低溫箱或者冷熱沖擊箱都應能夠滿足試驗要求所規定的極值溫度條件。

2.              必須以保證試驗樣品的體積不應大于試驗設備工作容積的1/5的原則來選擇試驗設備。

3.              為保證試驗區內溫度的均勻性,根據樣品的散熱性來選擇是否采用強迫空氣循環或無強迫空氣循環方式。例如上海ESPEC生產的LG型干燥箱采用熱風自然對流方式,特別適宜粉狀物干燥,而LC型干燥箱就采用熱風強制循環方式。設備溫度分布的差異對試驗結果影響會更大,當采用較大的樣品時,或者在同一時間測試的樣品數量較大時,試驗的結果將隨著位置的不同而存在很大差別,因此應該選擇溫度均勻性盡可能好的設備。例如上海ESPEC生產的Z系列調溫箱,均勻性達到2.0℃。

4.              樣品溫度有采用上風和采用下風傳感器溫度測量兩種方式。設備的溫度控制傳感器位置及控制方法是可以選擇的,要根據試驗要求選擇合適的設備。

5.              防止試驗區產生熱輻射或者熱傳導所引起的樣品吸熱或放熱,要求設備的加熱或冷卻系統裝置對樣品無影響。

6.              便于記錄、顯示,進行循環試驗時要求安裝自動計數器、指示燈、記錄設備以及自動關閉等儀表裝置。

7.              便于樣品放置可以要求用于放置或懸掛的樣品架,且樣品架不會因高低溫變化改變其機械性能。

8.              應具有將測試電源引入設備工作室內的引線孔。

9.              無論對于樣品的損壞性和試驗人員安全都要有?;し婪洞朧?。例如設有觀察窗及照明,設有電源斷相、缺水、超溫?;?、操作人員?;さ缺ň爸?。

10.          是否需要遠程??丶嗖夤δ?。

使用溫度試驗設備時的注意事項:

1.              進行大塊樣品試驗時上升氣流和下降氣流會出現溫濕度偏差,因此應該仔細考慮放置樣品位置。盡量放置在試驗設備工作空間的中心位置上,樣品之間不得互相接觸和重疊,應留有一定的間隔以使空氣流通;而且還應該保證進行試驗時樣品易于移動,測試時容易替換樣品。

2.              檢查試驗區內有無油氣等易揮發性物質,檢查有無氣味的物質,這類物質試驗后果必須預先進行確認。

3.              注意確認試驗區內試驗樣品的溫度狀況。

4.              為保持溫度區內溫度一致,需要盡可能保證試驗環境溫度及設備動力電源波動最小,確保試驗樣品不產生熱輻射并不吸收熱量從而保證試驗區溫度平穩。

5.              在溫度試驗設備結束測試以后,迅速取走試驗樣品會對樣品產生不必要的應力,并可能得到意想不到的結果。因此,必須在試驗樣品冷卻到環境溫度后才能取出樣品。

6.              試驗樣品的安裝和支撐架的熱導率應低,以保證試驗樣品與安裝和支撐架間處于一種絕熱狀態。

不同產品的試驗內容是由試驗要求者、設計者以及試驗人員共同決定的。從提供試驗相符合的試驗設備的角度出發,建立一個試驗設備的技術規格框架,試驗設備供應商可以根據這個框架來提供設備的具體規格。每一種可模擬試驗環境的試驗設備一般都有測量系統,因此使用現成的設備和購買新設備都是非常容易的。簡單的試驗設備也可以自己動手制造,但是要考慮成本、試驗結果的可靠性、精確控制程度以及連續運轉的安全因素等。

結語

環境試驗是一個可使產品增值的過程,不容忽視。而溫度型環境試驗作為環境試驗中最為基礎的一種,運用領域及其廣泛,大大提高了我國軍用和民用產品的環境適應性和可靠性,并直接導致了產品的質量提升。本文就溫度應力和相關的溫度型環境試驗設備作了簡單的基礎的介紹,根據使用要求準確選擇使用,才能達到環境試驗的真正目的。

 

參考文獻:

1.《ESPEC NEWS》,愛斯佩克環境儀器(上海)有限公司,2004

2.《環境試驗》,王樹榮等,1987

3.《GB10589-89 低溫試驗箱技術條件》

4.《GB10592-89 高、低溫試驗箱技術條件》

5.《GB11158-89 高溫試驗箱技術條件》

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上次修改時間: 2002-12-16 12:18