產(chǎn)品工作環(huán)境影響分析及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求

張宇，李朝陽(yáng)

（廣電計(jì)量檢測(cè)（北京）有限公司，北京 10076）

引言

產(chǎn)品的可靠性，是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成預(yù)期設(shè)計(jì)的功能，并且性能符合規(guī)范。而所謂的“規(guī)定的條件”中的一個(gè)重要方面就是其工作的環(huán)境。產(chǎn)品的工作環(huán)境與其服役區(qū)域是密切相關(guān)，如產(chǎn)品在東北區(qū)域服役，除了常規(guī)的較高溫度，一定的濕熱，更要關(guān)注極低溫度的影響。因?yàn)椴煌沫h(huán)境會(huì)對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)不同的影響，導(dǎo)致不同的失效模式。胡潔梓等[1]針對(duì)多起避雷針在低溫環(huán)境下發(fā)生斷裂倒塌的事故，通過(guò)過(guò)宏觀檢查、金相分析以及強(qiáng)度模擬計(jì)算等手段，表明造成避雷針斷裂倒塌是由于避雷針內(nèi)部積水在低溫狀況下發(fā)生冰凍，致使焊接法蘭上的焊縫在冰體積膨脹下開(kāi)裂；胡濤等[2]對(duì)硅橡膠低溫環(huán)境下的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了硅橡膠在-55 ℃的低溫環(huán)境下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，硅橡膠的低溫壓縮永久變形會(huì)發(fā)生突變；翟國(guó)富[3]對(duì)繼電器進(jìn)行了常溫和高溫試驗(yàn)考核，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)繼電器的動(dòng)合靜觸點(diǎn)在高溫條件下有燒穿的現(xiàn)象；莊少紅[4]分析了幾種環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)導(dǎo)致的失效，分析出高溫環(huán)境會(huì)使金屬材料表面加速氧化；馬志宏等[5]分析了濕熱環(huán)境除了會(huì)導(dǎo)致有機(jī)材料發(fā)生腫脹、變形的劣化外，還會(huì)導(dǎo)致金屬材料的腐蝕、焊錫腐蝕導(dǎo)致焊點(diǎn)失效等；常新龍[6]對(duì)氟橡膠密封圈進(jìn)行高溫加速老化試驗(yàn)和濕熱試驗(yàn)下的壽命研究，發(fā)現(xiàn)氟橡膠密封圈在濕熱環(huán)境條件下其壽命會(huì)更短。產(chǎn)品除了會(huì)受常規(guī)溫度、濕熱等影響外，還會(huì)受一些機(jī)械應(yīng)力的影響。賀光宗[7]對(duì)典型試件進(jìn)行了單軸向振動(dòng)和多軸向同時(shí)振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)多軸向同時(shí)振動(dòng)更容易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷，具有更短的失效時(shí)間；劉洋[8]等對(duì)電路板卡上的封裝焊點(diǎn)進(jìn)行了振動(dòng)和沖擊研究，發(fā)現(xiàn)板卡上的封裝焊點(diǎn)在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)疲勞失效。環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的影響，不僅僅是單一因素，有時(shí)會(huì)有幾個(gè)因素的疊加。靳寶安[9]對(duì)雙極數(shù)字集成電路出現(xiàn)大批失效的原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)是高低溫交變的環(huán)境電路中雙層金屬布線之間的SiO2絕緣介質(zhì)在高低溫環(huán)境下的應(yīng)力導(dǎo)致鋁互連線斷裂開(kāi)路。

不同環(huán)境會(huì)對(duì)產(chǎn)品有不同的影響，有時(shí)產(chǎn)品會(huì)受一些疊加的環(huán)境應(yīng)力的作用。因此，需要詳細(xì)分析不同環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的影響，并根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范設(shè)計(jì)測(cè)試方法，確定產(chǎn)品不同環(huán)境應(yīng)力的考核方法，為產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 產(chǎn)品環(huán)境影響分析

不同的工作環(huán)境會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)不同的失效模式。因此，需要對(duì)產(chǎn)品的工作環(huán)境導(dǎo)致的失效模式進(jìn)行總結(jié)分析。

1.1 低溫環(huán)境影響分析

低溫環(huán)境影響是指產(chǎn)品在低溫環(huán)境中貯存和工作，其自身的功能性能是否滿足產(chǎn)品規(guī)范的要求。低溫幾乎對(duì)所有的材料都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，產(chǎn)品的物理性能、電性能等在低溫條件下都會(huì)發(fā)生不同程度的變化，尤其是低溫環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失效而無(wú)法工作[10]。產(chǎn)品只要在低溫環(huán)境下使用，就要考慮低溫會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成的影響。低溫條件下的影響和導(dǎo)致的故障模式如表1。

表1 低溫影響及故障模式

1.2 高環(huán)境影響分析

高溫環(huán)境下最明顯的是導(dǎo)致功率器件自身溫度更高從而導(dǎo)致燒毀外，還會(huì)導(dǎo)致各種材料的結(jié)構(gòu)、物理性能、電性能發(fā)生變化，嚴(yán)重會(huì)使產(chǎn)品發(fā)生不可逆的變化直至失效。根據(jù)阿倫尼斯方程可知，溫度越高，則產(chǎn)品的壽命會(huì)變得越短。高溫條件會(huì)對(duì)產(chǎn)品、裝備產(chǎn)生有害的影響，而高溫主要是電氣部件產(chǎn)生不利的影響，主要影響參表2 所示。

表2 高溫導(dǎo)致的電氣元件影響

1.3 濕熱境影響分析

濕熱環(huán)境常常伴隨著高溫一起，高溫高濕一般出現(xiàn)在南方區(qū)域，在長(zhǎng)江以南的區(qū)域相對(duì)濕度超過(guò)90 %的天數(shù)約戰(zhàn)全年天數(shù)的20 %以上，相對(duì)濕度超過(guò)80 %的天數(shù)約占全年天數(shù)的50 %以上[11]。同時(shí)濕熱環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品直接發(fā)生失效，對(duì)裝備服役產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性帶來(lái)一定的影響[12]。濕熱的環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的影響是不可忽略的，可導(dǎo)致產(chǎn)品的機(jī)械性能、化學(xué)性能以及電性能發(fā)生變化，其主要引發(fā)的失效模式如下：

1）由于交變濕熱使得密封材料“呼吸效應(yīng)”引發(fā)密封材料體積膨脹，導(dǎo)致密封失效；

2）水分的吸收和滲透，使得金屬表面發(fā)生氧化以及電化學(xué)腐蝕；

3）由于凝露以及吸附作用，導(dǎo)致絕緣材料表面絕緣電阻值下降，進(jìn)而發(fā)生漏電而燒毀產(chǎn)品；

1.4 霉菌及鹽霧影響分析

產(chǎn)品在有霉菌及鹽霧的環(huán)境中，一般會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。產(chǎn)品處在潮濕的環(huán)境中會(huì)滋生霉菌，而在沿?；蚝Ｉ鲜褂玫漠a(chǎn)品會(huì)受鹽霧的腐蝕影響。霉菌和鹽霧所導(dǎo)致的腐蝕屬于電化學(xué)特性腐蝕，要比濕熱環(huán)境的腐蝕效果更為嚴(yán)重，圖1 是不銹鋼在氯化鈉水溶液中出現(xiàn)腐蝕形貌。

圖1 不銹鋼NaCl 溶液點(diǎn)蝕形貌

一般來(lái)說(shuō)，霉菌和鹽霧對(duì)產(chǎn)品的影響主要包括以下幾個(gè)方面：

1）材料表面的霉菌可以產(chǎn)生酸和電解質(zhì)，這些酸和電解質(zhì)會(huì)使產(chǎn)品發(fā)生腐蝕、材料電解、老化等；

2）霉菌菌絲跨越絕緣體表面形成的生物電橋而引起電子產(chǎn)品的短路；

3）霉菌代謝形成的酸性或腐蝕金屬產(chǎn)品；

4）鹽霧中鹽沉積物形成導(dǎo)電的覆蓋層，使得絕緣電阻下降或絕緣性能失效；

5）鹽在水中電離形成的電化學(xué)反應(yīng)使得金屬或涂層發(fā)生腐蝕。

1.5 振動(dòng)環(huán)境影響分析

裝在地面移動(dòng)諸如汽車(chē)、火車(chē)上的產(chǎn)品，裝在艦載、輪船上的產(chǎn)品，裝在飛機(jī)上的產(chǎn)品，都會(huì)承受各種形式的振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)在產(chǎn)品內(nèi)部形成動(dòng)態(tài)位移，這些動(dòng)態(tài)位移和速度、加速度會(huì)引起或加速結(jié)構(gòu)疲勞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或組件損壞或失效。劉磊等[13]對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主機(jī)故障進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的曳引機(jī)、電梯懸掛等發(fā)生故障。振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的影響主要包括以下幾個(gè)方面：

1）對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良的影響，主要是導(dǎo)致變形、彎曲裂紋等；

2）對(duì)工作性能的影響，主要是使運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作不正常，開(kāi)關(guān)類器件接觸不良，如繼電器誤動(dòng)作、指示燈閃爍等；

3）對(duì)連接部位的影響，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致螺釘松動(dòng)、連接件或焊點(diǎn)脫開(kāi)等。

2 產(chǎn)品工作環(huán)境確定

產(chǎn)品的工作環(huán)境主要是指自然環(huán)境、工業(yè)環(huán)境和特殊使用環(huán)境，而產(chǎn)品工作的自然環(huán)境一般根據(jù)產(chǎn)品預(yù)期使用的區(qū)域、產(chǎn)品的安裝位置、產(chǎn)品的使用行業(yè)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范中的特殊要求來(lái)確定。

2.1 產(chǎn)品預(yù)期使用區(qū)域

產(chǎn)品預(yù)期的使用區(qū)域，與產(chǎn)品預(yù)期的銷(xiāo)售策略密切相關(guān)。一個(gè)產(chǎn)品如果銷(xiāo)往國(guó)內(nèi)的所有區(qū)域，既要考慮北方的嚴(yán)寒，又要考慮南方的極度濕熱，同時(shí)要達(dá)到沿?；蚝Ｉ消}霧使用的區(qū)域，還要考慮沙塵比較大的區(qū)域，這些都是產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)的基礎(chǔ)。而某些資料中提供了我國(guó)區(qū)域中極端工作環(huán)境[11]，表3 列出我國(guó)最高環(huán)境溫度以及此高溫下產(chǎn)品內(nèi)部誘發(fā)的環(huán)境溫度。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)完成后，要遵循相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范等進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境特性評(píng)估。

表3 某電子艙誘發(fā)溫度與環(huán)境溫度

2.2 產(chǎn)品預(yù)期安裝位置

產(chǎn)品的安裝、使用位置與承受的環(huán)境特性也是密切相關(guān)的。產(chǎn)品安裝、使用的位置不同，即使其使用的環(huán)境比較嚴(yán)酷，但由于安裝使用的環(huán)境也會(huì)令其承受的比較溫和的環(huán)境。比如室內(nèi)使用的產(chǎn)品，即使其使用的區(qū)域包括極度寒冷的北方區(qū)域、鹽霧影響較大的沿海區(qū)域、沙塵比較嚴(yán)重的沙漠周邊區(qū)域，其壽命周期內(nèi)也不會(huì)承受這些極端嚴(yán)酷環(huán)境的影響。如電視播放設(shè)備這種室內(nèi)使用的物品，其承受的溫度也是比較溫和，幾乎沒(méi)有沙塵以及鹽霧的影響。

2.3 產(chǎn)品所屬行業(yè)

不同行業(yè)的產(chǎn)品其使用環(huán)境也是不同的。比較典型的就是軍用與民用產(chǎn)品之間的試驗(yàn)項(xiàng)目都有比較典型的差異[14]。軍用與民用工作環(huán)境中，最典型的不同就是環(huán)境類別，如炮振、爆炸沖擊等是軍用產(chǎn)品中特有的環(huán)境類別。同時(shí)軍用與民用產(chǎn)品即使有相同的工作環(huán)境，但是兩者的工作溫度也是不同的。如工作溫度，軍用產(chǎn)品的工作溫度更為嚴(yán)苛，軍品產(chǎn)品的工作溫度一般是（-55～125）℃之間，而民用產(chǎn)品則要溫和的多。

3 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求

針對(duì)產(chǎn)品服役中經(jīng)歷的各種工作環(huán)境，一般要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行適應(yīng)和防護(hù)，但是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否能夠保證，則要對(duì)其按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行考核，確定產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定。下面對(duì)幾種比較常見(jiàn)的環(huán)境適應(yīng)性考核的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求進(jìn)行介紹。

3.1 低溫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試要求

低溫試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，按照行業(yè)大類劃分，一般分為民品試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和軍品試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。民品試驗(yàn)通用參考的是GB 2423 和IEC 60068 系列，同時(shí)又可細(xì)分到汽車(chē)行業(yè)的GB 28046 和ISO 16750 等。民品的低溫試驗(yàn)和軍品的低溫試驗(yàn)，相同點(diǎn)都是要求產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定后方可進(jìn)行測(cè)試，民品的低溫試驗(yàn)與軍品不同的是，民品允許樣品從試驗(yàn)開(kāi)始前直至產(chǎn)品完成試驗(yàn)全程通電，而軍品則要求產(chǎn)品溫度穩(wěn)定后才可通電進(jìn)行測(cè)試。

3.2 高溫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試要求

高溫試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，也一般分為民品的高溫試驗(yàn)和軍品的高溫試驗(yàn)。對(duì)于民品的高溫考核，民品的高溫考核還要考慮非散熱試驗(yàn)樣品的高溫試驗(yàn)和散熱試驗(yàn)樣品的高溫試驗(yàn)，散熱和非散熱試驗(yàn)樣品的試驗(yàn)過(guò)程中溫升不同、試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣流速不同，同時(shí)產(chǎn)品的通電時(shí)機(jī)也不一樣。

軍品高溫試驗(yàn)中并未對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行散熱試驗(yàn)樣品和非散熱試驗(yàn)樣品的劃分。軍品高溫試驗(yàn)分為貯存和工作兩種試驗(yàn)條件。高溫貯存一般儲(chǔ)存時(shí)間為48 h 和循環(huán)貯存的168 h；高溫工作主要是產(chǎn)品在相應(yīng)的高溫環(huán)境中達(dá)到溫度穩(wěn)定后保持規(guī)定的時(shí)間，在穩(wěn)定后的這段時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的功能性能測(cè)試既可。

3.3 濕熱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試要求

民品和軍品的濕熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)條件也是不同的，民品依據(jù)的GB/T 2423 中規(guī)定了兩種濕熱環(huán)境條件，分別是恒定濕熱和交變濕熱環(huán)境。兩種類型試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)是可選擇的，恒定濕熱最短推薦時(shí)長(zhǎng)為12 h，最長(zhǎng)為56 天；交變濕熱推薦的最短時(shí)長(zhǎng)為242 h，最長(zhǎng)為56 天。而軍品參考的GJB 150 中規(guī)定的濕熱環(huán)境，是固定的10天的交變濕熱環(huán)境條件。

3.3 振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試要求

振動(dòng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，軍用和民用也不同。軍用產(chǎn)品的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)，規(guī)定了產(chǎn)品的種類、安裝位置。從地面固定使用、地面移動(dòng)使用、水面艦船、直升機(jī)、噴氣式分機(jī)等不同的使用環(huán)境。某些產(chǎn)品安裝使用的車(chē)輛是相似，但是具體的振動(dòng)圖譜和量級(jí)也是不同的，要嚴(yán)格加以區(qū)分。圖2 和圖3 雖然都是拖車(chē)安裝環(huán)境，但是圖2是組合式，圖3 就是拖車(chē)，兩者的振動(dòng)圖譜也是不一樣的。

圖2 組合雙輪拖車(chē)振動(dòng)振動(dòng)譜

圖3 雙輪拖車(chē)振動(dòng)振動(dòng)譜

民品的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，未規(guī)定產(chǎn)品的使用環(huán)境，僅規(guī)定了產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)三個(gè)再現(xiàn)特性，即高再現(xiàn)、中再現(xiàn)、低再現(xiàn)，根據(jù)產(chǎn)品的基準(zhǔn)點(diǎn)、容差范圍等確定產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)的再現(xiàn)特性。

4 總結(jié)

本文介紹了產(chǎn)品不同服役環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品的影響，通過(guò)分析確定了產(chǎn)品不同在工作環(huán)境下，將會(huì)產(chǎn)生不同的影響，形成不同的失效模式；同時(shí)產(chǎn)品的工作環(huán)境確定，要依據(jù)產(chǎn)品預(yù)期服役的區(qū)域、產(chǎn)品安裝位置以及行業(yè)進(jìn)行確定，通過(guò)對(duì)使用環(huán)境確定的介紹，幫助讀者確定研發(fā)產(chǎn)品的使用環(huán)境提供了參考。最后介紹了產(chǎn)品相應(yīng)環(huán)境的評(píng)估的參考標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)的評(píng)估方法，幫助正確評(píng)估產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性提供了依據(jù)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品工作環(huán)境影響分析和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求的介紹，未后續(xù)研發(fā)人員進(jìn)行產(chǎn)品的耐環(huán)境及環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供參考，也為考核產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性提供依據(jù)和指導(dǎo)。