裝備材料環(huán)境試驗技術(shù)體系內(nèi)涵及發(fā)展方向★

張洪彬，唐慶云，時鐘，王春輝

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 511370）

0 引言

材料是裝備及其性能的重要載體，其環(huán)境適應(yīng)性水平的優(yōu)劣將直接影響裝備的服役表現(xiàn)[1-3]。當在惡劣復(fù)雜的環(huán)境下服役時，材料的環(huán)境適應(yīng)性水平甚至對整個裝備的環(huán)境適應(yīng)性和服役壽命起決定性作用。

為了驗證材料在使用環(huán)境下能否達到設(shè)計要求，有針對性地開展環(huán)境試驗考核是必不可少的。環(huán)境試驗開展過程中會涉及研制、使用和試驗等多個部門，還會涉及樣件設(shè)計、試驗開展、性能檢測、結(jié)果分析和試驗標準等多個技術(shù)層面，將這些融會貫通就構(gòu)成了環(huán)境試驗技術(shù)體系。本文以裝備基礎(chǔ)材料為對象，探討環(huán)境試驗技術(shù)內(nèi)涵和發(fā)展方向，加深對材料環(huán)境適應(yīng)性的理解。

1 環(huán)境試驗與裝備環(huán)境工程

環(huán)境試驗是將裝備暴露于特定的環(huán)境中，確定環(huán)境影響效應(yīng)的過程[4]。從定義上看如何將裝備置于特定的環(huán)境中和如何確定特定的環(huán)境條件是開展環(huán)境試驗工作的重點，而確定環(huán)境影響效應(yīng)則是借助各種手段完成環(huán)境因素分析、影響模式判斷、性能退化規(guī)律總結(jié)和故障原因查找等工作。

環(huán)境試驗中“特定的環(huán)境”包括自然環(huán)境試驗站環(huán)境、試驗箱內(nèi)環(huán)境或應(yīng)用平臺環(huán)境等，針對以上特定環(huán)境采用的試驗方法對應(yīng)為自然環(huán)境試驗、實驗室環(huán)境試驗和使用環(huán)境試驗。若在自然環(huán)境試驗時考慮平臺環(huán)境影響，則所采用的試驗方法可為動態(tài)自然環(huán)境試驗或自然加速環(huán)境試驗。

材料環(huán)境適應(yīng)性是指材料在全壽命周期的環(huán)境作用下能夠滿足裝備質(zhì)量的能力，是裝備的基礎(chǔ)性質(zhì)量特性之一[5-6]，環(huán)境試驗是評價材料環(huán)境適應(yīng)性能力的主要手段。環(huán)境試驗作為裝備環(huán)境適應(yīng)性工程工作的組成部分并不是獨立存在的，而是與環(huán)境工程管理、環(huán)境分析和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計等其他部分密切聯(lián)系的，如圖1所示。

圖1 環(huán)境試驗與裝備環(huán)境工程工作項目之間的關(guān)系

2 環(huán)境試驗技術(shù)體系

裝備材料環(huán)境試驗首先是一種工程技術(shù)，用于獲取材料經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力時所出現(xiàn)的響應(yīng)特性或產(chǎn)品耐環(huán)境極值方面的相關(guān)信息，可為進行各種決策和采取相應(yīng)措施提供依據(jù)。針對裝備材料開展環(huán)境試驗時，會涉及多個技術(shù)基礎(chǔ)研究內(nèi)容，如材料指標體系建立、主要環(huán)境影響效應(yīng)分析、失效過程及機理研究等。同時，在開展環(huán)境試驗時需要多種技術(shù)標準進行保證，所以環(huán)境試驗的相關(guān)標準也是環(huán)境試驗技術(shù)體系的重要內(nèi)容。

2.1 工程技術(shù)體系

在針對裝備材料實施環(huán)境試驗過程中需要一系列的工程技術(shù)支撐，裝備材料環(huán)境試驗工程技術(shù)體系如圖2所示。

圖2 材料環(huán)境試驗工程技術(shù)體系

在環(huán)境條件分析中，環(huán)境因素采集技術(shù)包括大氣環(huán)境因素測量、海水環(huán)境因素測量、平臺環(huán)境數(shù)據(jù)收集、環(huán)境數(shù)據(jù)測量設(shè)備研制與應(yīng)用技術(shù)等；環(huán)境數(shù)據(jù)分析技術(shù)包括異常數(shù)據(jù)鑒別、環(huán)境極值分析、自然環(huán)境譜編制和環(huán)境嚴酷度確定等技術(shù)；環(huán)境數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)包括實驗室環(huán)境試驗譜轉(zhuǎn)換技術(shù)、環(huán)境效應(yīng)評估技術(shù)等。

在環(huán)境試驗中，自然環(huán)境試驗技術(shù)包括大氣自然環(huán)境試驗、水自然環(huán)境試驗、土壤自然環(huán)境試驗和自然加速環(huán)境試驗等；實驗室環(huán)境試驗技術(shù)包括溫度環(huán)境試驗、濕熱環(huán)境試驗和太陽輻射試驗技術(shù)等；環(huán)境試驗剪裁技術(shù)包括環(huán)境試驗項目剪裁、環(huán)境試驗條件剪裁和環(huán)境試驗順序剪裁等；環(huán)境試驗設(shè)備研制主要包括綜合環(huán)境試驗設(shè)備研制、環(huán)境試驗設(shè)備試驗效應(yīng)分析等。

在環(huán)境試驗結(jié)果評估中，性能檢測技術(shù)包括無損檢測技術(shù)、在線監(jiān)測技術(shù)、性能檢測設(shè)備及輔助裝置研發(fā)等；環(huán)境試驗結(jié)果評價包括試驗結(jié)果分級、試驗結(jié)果綜合評價等。

目前國內(nèi)對多種材料的環(huán)境試驗的相關(guān)工程技術(shù)均有研究，特別在自然環(huán)境試驗技術(shù)、實驗室環(huán)境試驗技術(shù)和性能檢測技術(shù)等研究領(lǐng)域的成果豐富，但也存在以下不足。

a）對產(chǎn)品平臺環(huán)境數(shù)據(jù)采集不足

裝備材料經(jīng)歷的環(huán)境是自然環(huán)境影響下的平臺誘發(fā)環(huán)境，目前雖然長期監(jiān)測國內(nèi)典型氣候區(qū)域自然環(huán)境條件數(shù)據(jù)，但對各類裝備平臺對自然環(huán)境條件的轉(zhuǎn)換作用及平臺誘發(fā)環(huán)境的影響效應(yīng)研究欠缺。

b）自然環(huán)境試驗數(shù)據(jù)收集不足

目前部分材料的應(yīng)用壽命一般較長，但國內(nèi)針對材料開展的自然環(huán)境試驗時間一般較短，多數(shù)以優(yōu)選出在短時間內(nèi)滿足環(huán)境適應(yīng)性要求的材料為目的，對材料的失效過程后期的分析及使用壽命統(tǒng)計工作開展得較少。

c）使用環(huán)境試驗開展得較少

對裝備材料實際服役過程中的失效數(shù)據(jù)收集較少，無法深入地了解材料在真實使用環(huán)境下的失效過程及機理。

d）綜合環(huán)境試驗設(shè)備缺乏

材料失效是在多個環(huán)境因素或工況因素綜合影響下引起的，但現(xiàn)有的實驗室設(shè)備僅能同時施加部分環(huán)境因素，難以再現(xiàn)材料的失效過程，亟需開發(fā)多因素綜合環(huán)境試驗設(shè)備。

2.2 基礎(chǔ)研究體系

在開展裝備材料環(huán)境試驗和提升材料環(huán)境適應(yīng)性的工程實踐中，需要一系列的基礎(chǔ)研究支撐，材料環(huán)境試驗基礎(chǔ)研究體系如圖3所示。

圖3 裝備材料環(huán)境試驗基礎(chǔ)研究體系

在材料分析中，特性分析包括材料結(jié)構(gòu)、成分與性能關(guān)系分析、性能數(shù)據(jù)庫建立等；綜合性能評價包括性能指標模型建立、環(huán)境適應(yīng)性綜合表征等；質(zhì)量控制包括質(zhì)量檢驗技術(shù)、質(zhì)量相關(guān)因素分析等。

在環(huán)境試驗技術(shù)中，環(huán)境試驗條件確定包括實驗室環(huán)境試驗等效評估技術(shù)研究、實驗室環(huán)境試驗條件轉(zhuǎn)化技術(shù)研究等；相關(guān)性技術(shù)研究包括材料失效過程與應(yīng)用環(huán)境的相關(guān)性、自然與實驗室環(huán)境試驗的相關(guān)性、材料在不同自然環(huán)境條件下性能表現(xiàn)的相關(guān)性等。

環(huán)境影響效應(yīng)是目前材料環(huán)境試驗方面基礎(chǔ)研究的重點，包括環(huán)境失效行為、失效機理、材料缺陷擴展研究和壽命評價等。

2.3 技術(shù)標準體系

材料環(huán)境試驗標準體系如圖4所示，其涉及環(huán)境條件分析相關(guān)標準、環(huán)境試驗相關(guān)標準、性能測試與結(jié)果評價相關(guān)標準。

圖4 裝備材料環(huán)境試驗標準體系

環(huán)境條件分析相關(guān)標準中環(huán)境因素監(jiān)測標準、環(huán)境極值分析標準及環(huán)境條件分級標準等方面目前較成熟，如GJB 8894、GJB 1172、GB/T 4797和GB/T 4798等，但對環(huán)境條件的應(yīng)用相關(guān)標準并不完善，如自然環(huán)境譜編制標準、自然環(huán)境條件對實驗室環(huán)境試驗譜編制的指導(dǎo)等；環(huán)境試驗相關(guān)標準中自然環(huán)境試驗標準、實驗室環(huán)境試驗標準目前較齊全，但針對自然環(huán)境加速試驗、自然-實驗室組合試驗、自然-工況綜合試驗和實驗室多因素綜合試驗標準欠缺，同時環(huán)境試驗條件轉(zhuǎn)化標準和環(huán)境試驗文件要求的建立不完善；外觀等級評價標準、機械性能檢測標準、電性能檢測標準等方面目前較齊全，但缺少性能綜合評價標準。

3 發(fā)展方向

裝備材料環(huán)境試驗技術(shù)的發(fā)展方向如下所述。

a）建立裝備平臺（誘發(fā)）環(huán)境數(shù)據(jù)模型

同種材料在不同的裝備平臺上應(yīng)用，所經(jīng)受的局部環(huán)境特點，以及所表現(xiàn)出的服役性能特點和環(huán)境適應(yīng)性水平是完全不同的[7-8]。加強不同平臺（誘發(fā)）環(huán)境因素數(shù)據(jù)收集和環(huán)境數(shù)據(jù)模型建立，對有針對性地設(shè)計環(huán)境試驗驗證考核方案和優(yōu)選裝備材料是必不可少的。

b）等效評估裝備材料環(huán)境適應(yīng)性水平

通過自然環(huán)境試驗或?qū)嶒炇噎h(huán)境試驗對裝備材料的服役性能進行評估，需保證試驗與實際服役環(huán)境條件、實際服役過程中的材料性能劣化機制的等效性；重點開展復(fù)雜環(huán)境應(yīng)力下材料失效機制和缺陷擴展分析、多因素綜合實驗室環(huán)境試驗方法研究、材料多尺度特征分析與融合等。

c）研制先進綜合環(huán)境試驗設(shè)備

目前國內(nèi)針對材料多因素模擬加速試驗方法的研究有很多并制定了相關(guān)標準，但與實際服役之間的相關(guān)性一直不理想且相關(guān)性較差，而研發(fā)先進的綜合環(huán)境試驗設(shè)備可進一步地提高對實際服役環(huán)境綜合效應(yīng)的模擬性。其中，重點是突破太陽輻射、鹽霧和可控溫濕度之間的綜合。

d）建立基于環(huán)境試驗的裝備材料服役性能數(shù)據(jù)庫

材料環(huán)境適應(yīng)性是重要的裝備基礎(chǔ)性質(zhì)量特性，基于環(huán)境試驗結(jié)果的材料服役性能數(shù)據(jù)庫的建立對材料選用意義重大。在數(shù)據(jù)庫建立過程中需重點關(guān)注裝備材料環(huán)境試驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性、綜合性和全面性。

4 結(jié)束語

環(huán)境試驗是驗證裝備材料環(huán)境適應(yīng)性的重要手段，在材料環(huán)境適應(yīng)性工程中占有重要地位，深入地理解其技術(shù)體系內(nèi)容有利于相關(guān)工作的開展。本文分析了環(huán)境試驗與裝備環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作的關(guān)系，從工程技術(shù)、基礎(chǔ)研究和標準體系3個方面梳理了環(huán)境試驗技術(shù)的內(nèi)涵，并指出了4個發(fā)展方向。