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溫、濕、振三綜合環(huán)境試驗(yàn)箱技術(shù)的應(yīng)用
摘要： 主要描述了溫度、濕度、振動(dòng)這3種主要的環(huán)境應(yīng)力單獨(dú)施加在產(chǎn)品上所引發(fā)失效的主要類型并分析了原因，同時(shí)還分析了這3種應(yīng)力綜合施加在產(chǎn)品上所產(chǎn)生的失效加速效果。
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摘要：主要描述了溫度、濕度、振動(dòng)這3種主要的環(huán)境應(yīng)力單獨(dú)施加在產(chǎn)品上所引發(fā)失效的主要類型并分析了原因，同時(shí)還分析了這3種應(yīng)力綜合施加在產(chǎn)品上所產(chǎn)生的失效加速效果，探討了溫、濕、振三綜合試驗(yàn)技術(shù)在工程試驗(yàn)上，尤其是在產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)上的應(yīng)用。
三綜合試驗(yàn)箱示意圖1、前言環(huán)境試驗(yàn)大致分為“機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)”、“氣候環(huán)境試驗(yàn)”、“綜合環(huán)境試驗(yàn)”三類，如圖1所示。
圖1 環(huán)境試驗(yàn)的分類環(huán)境應(yīng)力可引起產(chǎn)品失效，國外某知名電子裝備公司技術(shù)資料明確地表明了環(huán)境應(yīng)力與失效的關(guān)系及其相關(guān)比例，在各種應(yīng)力的影響中，溫度、濕度、振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力引發(fā)的失效占所有環(huán)境應(yīng)力的88%。所以本文主要分析溫度、濕度、振動(dòng)這3種主要的環(huán)境應(yīng)力單獨(dú)和綜合施加時(shí)，其對(duì)產(chǎn)品失效的影響，并探討溫、濕、振三綜合試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用情況。2、溫度、濕度、振動(dòng)應(yīng)力與失效的關(guān)系2.1溫度應(yīng)力與失效的關(guān)系資料表明：溫度應(yīng)力是引起產(chǎn)品失效的最主要的因素，如表1所示。
表1 溫度應(yīng)力是引發(fā)失效的主要類型
失效 環(huán)境應(yīng)力條件 敏感元件和材料 分類 細(xì)分類 原因 失效模式 高溫 高溫老化 老化 抗拉強(qiáng)度老化絕緣老化 溫度+時(shí)間 塑料、樹脂 化學(xué)變化 熱分解 溫度 塑料、樹脂 軟化、熔化、氣化、升華 扭曲 溫度 金屬、塑料、熱保險(xiǎn)絲 高溫氧化 出現(xiàn)氧化層 溫度+時(shí)間 連接點(diǎn)材料 熱擴(kuò)散 引線斷裂 溫度+時(shí)間 異金屬連接部件 熱積聚 剩余的熱燃效 燃燒 加熱+烘干+時(shí)間 帶有維尼綸和聚氨酯油漆的木質(zhì)材料 遷移 電遷移 斷開引線斷裂 溫度+電流 鎢、銅、鋁 蔓延 金屬、塑料 疲勞、損壞 溫度+應(yīng)力+時(shí)間 彈簧、結(jié)構(gòu)元件 低溫 低溫易脆 金屬 損壞 低溫 鋅、鈦、鎂及其合金 塑料 損壞 低溫 低彈性的非晶體 溫度循環(huán)或溫度沖擊 膨脹、收縮 不同的材料其膨脹系數(shù)也不同 剝離、開裂 溫度+次數(shù) 油漆涂覆層 機(jī)械系的變位 電氣性能變化 可調(diào)電阻、電位器 不同的材料其膨脹系數(shù)也不同 密封件開裂變形 密封型容器/器件 2.2濕度應(yīng)力與失效的關(guān)系潮濕也是引起產(chǎn)品失效的主要環(huán)境應(yīng)力之一。產(chǎn)品處在潮濕的環(huán)境中，材料吸附了水汽會(huì)引起膨脹、強(qiáng)度降低、性能變化，絕緣材料還會(huì)引起電氣性能下降等，如表2所示。
表2 濕度應(yīng)力引發(fā)失效的主要類型失效 環(huán)境應(yīng)力條件 敏感元件和材料 分類 原因 失效模式 水汽吸收或吸收 擴(kuò)散 膨脹 濕度 使用低結(jié)晶度樹脂材料封裝、覆蓋或者構(gòu)造元件 微細(xì)爆裂 絕緣性能變差 潮解 腐蝕 電解腐蝕 阻抗增加開路 濕度+直流電場(chǎng) 電阻、集成電路 裂縫腐蝕 焊點(diǎn)開裂 濕度 焊點(diǎn) 應(yīng)力腐蝕 顏色變化 濕度 合金 遷移 離子遷移 短路 濕度+直流電場(chǎng) 銅、鉛、錫、鋅 絕緣性能變差 濕度+直流電場(chǎng)+鹵素離子 與鹵素共存時(shí)發(fā)生遷移的金屬如：金、鉑 霉菌 絕緣性能變差分解腐蝕 濕度+溫度 塑料/橡膠材料 2.3振動(dòng)應(yīng)力與失效的關(guān)系振動(dòng)應(yīng)力(振動(dòng)、沖擊、碰撞、恒加速等)對(duì)產(chǎn)品的影響也是造成產(chǎn)品失效的主要因素之一，如表3所示。
表3 振動(dòng)應(yīng)力引發(fā)失效的主要類型
失效 環(huán)境應(yīng)力條件 敏感元件和材料 分類 原因 失效模式 共振 產(chǎn)生位移 松動(dòng)、分離 振動(dòng)+沖擊 材料連接處 接觸不良 焊點(diǎn) 磨損 振動(dòng) 材料連接處 共振、耐久性振動(dòng) 強(qiáng)度 疲勞、變形、彎曲 振動(dòng)+沖擊 金屬結(jié)構(gòu)件 開裂斷裂 金屬結(jié)構(gòu)件、塑料結(jié)構(gòu)件、電纜與電線 3、溫度、濕度、振動(dòng)三種應(yīng)力綜合施加與產(chǎn)品失效的關(guān)系將單獨(dú)的環(huán)境應(yīng)力施加在產(chǎn)品上可激發(fā)出產(chǎn)品的故障，那么將3種不同的環(huán)境應(yīng)力施加在產(chǎn)品上則可輕易地得到3-5倍的加速效果。同時(shí)，通過將不同的環(huán)境應(yīng)力綜合還能激發(fā)出單獨(dú)應(yīng)力施加時(shí)所不能出現(xiàn)的故障。假設(shè)X、Y、Z是施加了應(yīng)力因子A、B、C時(shí)產(chǎn)生的故障模式，在2種應(yīng)力因子綜合情況下出現(xiàn)了X、Y、Z、XY、YZ、XZ模式。那么，在3種應(yīng)力因子綜合情況下，將會(huì)出現(xiàn)新的XYZ模式，同時(shí)X、Y、Z各個(gè)模式也被加速。而且，應(yīng)力因子A、B、C綜合施加的環(huán)境比應(yīng)力因子單獨(dú)施加的環(huán)境也接近產(chǎn)品使用環(huán)境。所以，通過綜合環(huán)境試驗(yàn)更能取得較好的效果。在進(jìn)行溫度、濕度、振動(dòng)3種應(yīng)力同時(shí)施加的綜合試驗(yàn)時(shí)，從故障發(fā)生的機(jī)理來說，進(jìn)行溫度循環(huán)的產(chǎn)品內(nèi)部由于材料熱膨脹系數(shù)的差異發(fā)生伸縮，在結(jié)合部位發(fā)生松動(dòng)，這時(shí)如果施加濕度，潮氣就會(huì)從縫隙間侵入，使結(jié)合部和連接處的摩擦系數(shù)降低。再施加振動(dòng)應(yīng)力，相對(duì)于特定的頻率，產(chǎn)品的共振現(xiàn)象還會(huì)發(fā)生。像這樣通過運(yùn)動(dòng)、吸濕、凍結(jié)、共振的反復(fù)過程，使新的失效模式(由大幅度加速的單獨(dú)因子失效模式和3種因子綜合的相疊加效果引起的)的出現(xiàn)成為可能。具體的機(jī)理如圖2所示：
圖2 應(yīng)力綜合施加引發(fā)失效的機(jī)理4、溫、濕、振三綜合試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用由于溫、濕、振三綜合試驗(yàn)是非常接近產(chǎn)品使用環(huán)境的試驗(yàn)，而且又能非常有效地激發(fā)出產(chǎn)品的故障。所以近年來這種試驗(yàn)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在工程中。在海軍水面艦船外部安裝的設(shè)備可靠性鑒定試驗(yàn)中，這3種應(yīng)力就被綜合地施加在被試產(chǎn)品上。試驗(yàn)剖面如圖3、4所示。
圖3 水面艦船外部安裝的設(shè)備試驗(yàn)剖面（冷循環(huán)）
圖4 水面艦船外部安裝的設(shè)備試驗(yàn)剖面（熱循環(huán)）該試驗(yàn)施加的應(yīng)力是：（a）振動(dòng)應(yīng)力：在隨機(jī)抽取25 %的工作循環(huán)時(shí)間施加振動(dòng)應(yīng)力，每24 h隨機(jī)抽取6h，并以3h為一個(gè)振動(dòng)循環(huán)。（b）溫度、濕度應(yīng)力(1)從22℃和25%的相對(duì)濕度開始，將溫度盡快降到-50℃，保持1.75h后升至-32℃；(2)在3.25h內(nèi)降溫到-34.5℃；(3)在13h內(nèi)升溫到-28℃；(4)在5h內(nèi)升溫到22℃；(5)使溫度保持在22℃，將相對(duì)濕度調(diào)到25%～75%；(6)在2h內(nèi)升溫到25℃，相對(duì)濕度升到95%；(7)在10h內(nèi)升溫到29℃，相對(duì)濕度保持在95%；(8)在5h內(nèi)降溫到25℃，相對(duì)濕度保持在9%；(9)在2h內(nèi)降溫到22℃，相對(duì)濕度降到2%～75%；(10)在2h內(nèi)升溫到25℃，相對(duì)濕度調(diào)到65%；(11)在12h內(nèi)升溫到48℃，相對(duì)濕度降到25%；(12)將溫度升到60℃，相對(duì)濕度升到95%，保持2h后降溫至48℃；(13)在6h內(nèi)降溫至22℃，相對(duì)濕度降到25%-75%。以上是被廣泛應(yīng)用在海軍水面艦船外部安裝的設(shè)備可靠性鑒定試驗(yàn)剖面和試驗(yàn)條件，溫度、濕度、振動(dòng)這3種環(huán)境應(yīng)力被綜合地運(yùn)用在這個(gè)試驗(yàn)中，效果很好。5、結(jié)束語通過分析，可以看出溫、濕、振三綜合試驗(yàn)是非常接近產(chǎn)品使用環(huán)境的試驗(yàn)，而且又是能有效地激發(fā)出產(chǎn)品的故障的試驗(yàn)方法。根據(jù)產(chǎn)品任務(wù)剖面制定出綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)方案并付諸實(shí)施，是提高產(chǎn)品可靠性的非常重要的手段。
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