產品工作環境影響分析及標準測試要求

張宇，李朝陽

（廣電計量檢測（北京）有限公司，北京 10076）

引言

產品的可靠性，是指產品在規定的條件下、規定的時間內完成預期設計的功能，并且性能符合規范。而所謂的“規定的條件”中的一個重要方面就是其工作的環境。產品的工作環境與其服役區域是密切相關，如產品在東北區域服役，除了常規的較高溫度，一定的濕熱，更要關注極低溫度的影響。因為不同的環境會對產品帶來不同的影響，導致不同的失效模式。胡潔梓等[1]針對多起避雷針在低溫環境下發生斷裂倒塌的事故，通過過宏觀檢查、金相分析以及強度模擬計算等手段，表明造成避雷針斷裂倒塌是由于避雷針內部積水在低溫狀況下發生冰凍，致使焊接法蘭上的焊縫在冰體積膨脹下開裂；胡濤等[2]對硅橡膠低溫環境下的性能進行了研究，發現了硅橡膠在-55 ℃的低溫環境下，隨著時間的延長，硅橡膠的低溫壓縮永久變形會發生突變；翟國富[3]對繼電器進行了常溫和高溫試驗考核，試驗發現繼電器的動合靜觸點在高溫條件下有燒穿的現象；莊少紅[4]分析了幾種環境應力試驗導致的失效，分析出高溫環境會使金屬材料表面加速氧化；馬志宏等[5]分析了濕熱環境除了會導致有機材料發生腫脹、變形的劣化外，還會導致金屬材料的腐蝕、焊錫腐蝕導致焊點失效等；常新龍[6]對氟橡膠密封圈進行高溫加速老化試驗和濕熱試驗下的壽命研究，發現氟橡膠密封圈在濕熱環境條件下其壽命會更短。產品除了會受常規溫度、濕熱等影響外，還會受一些機械應力的影響。賀光宗[7]對典型試件進行了單軸向振動和多軸向同時振動，發現多軸向同時振動更容易使結構產生疲勞損傷，具有更短的失效時間；劉洋[8]等對電路板卡上的封裝焊點進行了振動和沖擊研究，發現板卡上的封裝焊點在振動沖擊試驗過程中會出現疲勞失效。環境對產品的影響，不僅僅是單一因素，有時會有幾個因素的疊加。靳寶安[9]對雙極數字集成電路出現大批失效的原因進行了分析，發現是高低溫交變的環境電路中雙層金屬布線之間的SiO2絕緣介質在高低溫環境下的應力導致鋁互連線斷裂開路。

不同環境會對產品有不同的影響，有時產品會受一些疊加的環境應力的作用。因此，需要詳細分析不同環境對產品的影響，并根據相應的標準、規范設計測試方法，確定產品不同環境應力的考核方法，為產品環境試驗設計提供參考。

1 產品環境影響分析

不同的工作環境會導致產品出現不同的失效模式。因此，需要對產品的工作環境導致的失效模式進行總結分析。

1.1 低溫環境影響分析

低溫環境影響是指產品在低溫環境中貯存和工作，其自身的功能性能是否滿足產品規范的要求。低溫幾乎對所有的材料都會產生不同程度的影響，產品的物理性能、電性能等在低溫條件下都會發生不同程度的變化，尤其是低溫環境下會導致產品失效而無法工作[10]。產品只要在低溫環境下使用，就要考慮低溫會對產品造成的影響。低溫條件下的影響和導致的故障模式如表1。

表1 低溫影響及故障模式

1.2 高環境影響分析

高溫環境下最明顯的是導致功率器件自身溫度更高從而導致燒毀外，還會導致各種材料的結構、物理性能、電性能發生變化，嚴重會使產品發生不可逆的變化直至失效。根據阿倫尼斯方程可知，溫度越高，則產品的壽命會變得越短。高溫條件會對產品、裝備產生有害的影響，而高溫主要是電氣部件產生不利的影響，主要影響參表2 所示。

表2 高溫導致的電氣元件影響

1.3 濕熱境影響分析

濕熱環境常常伴隨著高溫一起，高溫高濕一般出現在南方區域，在長江以南的區域相對濕度超過90 %的天數約戰全年天數的20 %以上，相對濕度超過80 %的天數約占全年天數的50 %以上[11]。同時濕熱環境也會導致產品直接發生失效，對裝備服役產品的戰備完好性帶來一定的影響[12]。濕熱的環境對產品的影響是不可忽略的，可導致產品的機械性能、化學性能以及電性能發生變化，其主要引發的失效模式如下：

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

2）水分的吸收和滲透，使得金屬表面發生氧化以及電化學腐蝕；

3）由于凝露以及吸附作用，導致絕緣材料表面絕緣電阻值下降，進而發生漏電而燒毀產品；

1.4 霉菌及鹽霧影響分析

產品在有霉菌及鹽霧的環境中，一般會發生腐蝕現象。產品處在潮濕的環境中會滋生霉菌，而在沿海或海上使用的產品會受鹽霧的腐蝕影響。霉菌和鹽霧所導致的腐蝕屬于電化學特性腐蝕，要比濕熱環境的腐蝕效果更為嚴重，圖1 是不銹鋼在氯化鈉水溶液中出現腐蝕形貌。

圖1 不銹鋼NaCl 溶液點蝕形貌

一般來說，霉菌和鹽霧對產品的影響主要包括以下幾個方面：

1）材料表面的霉菌可以產生酸和電解質，這些酸和電解質會使產品發生腐蝕、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品的短路；

3）霉菌代謝形成的酸性或腐蝕金屬產品；

4）鹽霧中鹽沉積物形成導電的覆蓋層，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反應使得金屬或涂層發生腐蝕。

1.5 振動環境影響分析

裝在地面移動諸如汽車、火車上的產品，裝在艦載、輪船上的產品，裝在飛機上的產品，都會承受各種形式的振動。振動會在產品內部形成動態位移，這些動態位移和速度、加速度會引起或加速結構疲勞，導致結構或組件損壞或失效。劉磊等[13]對電機驅動主機故障進行了分析，發現振動會導致電機的曳引機、電梯懸掛等發生故障。振動對產品的影響主要包括以下幾個方面：

1）對結構產生不良的影響，主要是導致變形、彎曲裂紋等；

2）對工作性能的影響，主要是使運動部件動作不正常，開關類器件接觸不良，如繼電器誤動作、指示燈閃爍等；

3）對連接部位的影響，振動會導致螺釘松動、連接件或焊點脫開等。

2 產品工作環境確定

產品的工作環境主要是指自然環境、工業環境和特殊使用環境，而產品工作的自然環境一般根據產品預期使用的區域、產品的安裝位置、產品的使用行業以及產品設計規范中的特殊要求來確定。

2.1 產品預期使用區域

產品預期的使用區域，與產品預期的銷售策略密切相關。一個產品如果銷往國內的所有區域，既要考慮北方的嚴寒，又要考慮南方的極度濕熱，同時要達到沿海或海上鹽霧使用的區域，還要考慮沙塵比較大的區域，這些都是產品進行環境試驗的基礎。而某些資料中提供了我國區域中極端工作環境[11]，表3 列出我國最高環境溫度以及此高溫下產品內部誘發的環境溫度。產品的設計者在設計完成后，要遵循相應的行業標準、產品的設計規范等進行相應的環境特性評估。

表3 某電子艙誘發溫度與環境溫度

2.2 產品預期安裝位置

產品的安裝、使用位置與承受的環境特性也是密切相關的。產品安裝、使用的位置不同，即使其使用的環境比較嚴酷，但由于安裝使用的環境也會令其承受的比較溫和的環境。比如室內使用的產品，即使其使用的區域包括極度寒冷的北方區域、鹽霧影響較大的沿海區域、沙塵比較嚴重的沙漠周邊區域，其壽命周期內也不會承受這些極端嚴酷環境的影響。如電視播放設備這種室內使用的物品，其承受的溫度也是比較溫和，幾乎沒有沙塵以及鹽霧的影響。

2.3 產品所屬行業

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

3 產品標準測試要求

針對產品服役中經歷的各種工作環境，一般要進行相應的設計進行適應和防護，但是產品的設計是否能夠保證，則要對其按照相應的標準、規范進行考核，確定產品的環境適應性是否符合相應的標準及規定。下面對幾種比較常見的環境適應性考核的標準測試要求進行介紹。

3.1 低溫試驗標準及測試要求

低溫試驗的標準，按照行業大類劃分，一般分為民品試驗標準和軍品試驗標準。民品試驗通用參考的是GB 2423 和IEC 60068 系列，同時又可細分到汽車行業的GB 28046 和ISO 16750 等。民品的低溫試驗和軍品的低溫試驗，相同點都是要求產品達到溫度穩定后方可進行測試，民品的低溫試驗與軍品不同的是，民品允許樣品從試驗開始前直至產品完成試驗全程通電，而軍品則要求產品溫度穩定后才可通電進行測試。

3.2 高溫試驗標準及測試要求

高溫試驗的標準，也一般分為民品的高溫試驗和軍品的高溫試驗。對于民品的高溫考核，民品的高溫考核還要考慮非散熱試驗樣品的高溫試驗和散熱試驗樣品的高溫試驗，散熱和非散熱試驗樣品的試驗過程中溫升不同、試驗箱內的空氣流速不同，同時產品的通電時機也不一樣。

軍品高溫試驗中并未對產品進行散熱試驗樣品和非散熱試驗樣品的劃分。軍品高溫試驗分為貯存和工作兩種試驗條件。高溫貯存一般儲存時間為48 h 和循環貯存的168 h；高溫工作主要是產品在相應的高溫環境中達到溫度穩定后保持規定的時間，在穩定后的這段時間內完成相應的功能性能測試既可。

3.3 濕熱試驗標準及測試要求

民品和軍品的濕熱環境標準中試驗條件也是不同的，民品依據的GB/T 2423 中規定了兩種濕熱環境條件，分別是恒定濕熱和交變濕熱環境。兩種類型試驗的試驗時長是可選擇的，恒定濕熱最短推薦時長為12 h，最長為56 天；交變濕熱推薦的最短時長為242 h，最長為56 天。而軍品參考的GJB 150 中規定的濕熱環境，是固定的10天的交變濕熱環境條件。

3.3 振動試驗標準及測試要求

振動試驗的標準，軍用和民用也不同。軍用產品的振動環境試驗，規定了產品的種類、安裝位置。從地面固定使用、地面移動使用、水面艦船、直升機、噴氣式分機等不同的使用環境。某些產品安裝使用的車輛是相似，但是具體的振動圖譜和量級也是不同的，要嚴格加以區分。圖2 和圖3 雖然都是拖車安裝環境，但是圖2是組合式，圖3 就是拖車，兩者的振動圖譜也是不一樣的。

圖2 組合雙輪拖車振動振動譜

圖3 雙輪拖車振動振動譜

民品的振動試驗標準，未規定產品的使用環境，僅規定了產品振動試驗三個再現特性，即高再現、中再現、低再現，根據產品的基準點、容差范圍等確定產品振動試驗的再現特性。

4 總結

本文介紹了產品不同服役環境下對產品的影響，通過分析確定了產品不同在工作環境下，將會產生不同的影響，形成不同的失效模式；同時產品的工作環境確定，要依據產品預期服役的區域、產品安裝位置以及行業進行確定，通過對使用環境確定的介紹，幫助讀者確定研發產品的使用環境提供了參考。最后介紹了產品相應環境的評估的參考標準以及相應的評估方法，幫助正確評估產品的環境適應性提供了依據。通過對產品工作環境影響分析和標準測試要求的介紹，未后續研發人員進行產品的耐環境及環境適應性設計提供參考，也為考核產品環境適應性提供依據和指導。