涂装工艺综合/组合环境加速试验研究及应用

袁 敏，刘丽红，王 忠

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

前言

电子装备在寿命期内往往经受多种环境因素的综合和（或）组合作用，多环境因素的综合/组合已经被证实具有不容忽视的协同影响效应（Synergistic Effect）[1]。实验室试验往往采用单环境因素的模拟方式，以体现装备在各种单环境因素下的影响效应。《装备环境工程通用要求》将多种环境因素的顺序作用称为组合试验，将多种环境因素的同时或综合作用称为综合试验[2]。国外有些文献对两种试验方法并不作较严肃的区分，统称为综合试验(Combined Test)。笔者认为对综合和组合试验进行区分有利于理解，在实际应用中也有区分的必要。

本文研究了电子装备涂装工艺的综合/组合加速试验方法，基于西沙自然环境试验结果，通过进行相互关系分析，对比了综合/组合加速试验方法与传统单因素加速试验方法的优缺点。

1 意义和作用

综合/组合试验能够更真实地反映电子装备寿命期内环境因素的作用方式。在多因素综合/组合试验条件下，装备能够显示出单因素试验条件下不会表现出的故障模式，从而使装备研制厂所采取更有针对性的纠正措施，大大提高装备在实际寿命期内的环境适应性。目前，应用较多的综合/组合试验方法主要是基于振动、温度、湿度、高度四种环境因素的试验，这些试验方法在GJB 150/GJB 150A、GB/T 2423中还有明确的规定。

众所周知，电子装备户外涂装工艺材料受环境影响的主要因素是太阳辐射、盐雾、湿热、温度、霉菌等。在自然环境条件下，往往这些环境因素同时存在并作用于装备，这些环境因素之间具有非常明确的协合影响作用，高温、高湿会加快盐雾的腐蚀速率和太阳辐射的老化效应，盐雾与太阳辐射之间的协合作用也不容忽视。如果按照现有标准中的试验方法开展单因素试验，因为不能体现这些综合作用的影响，试验获得的成效可能甚微，因而需要研究更合理的实验室多因素综合/组合试验方法，不仅能够开展实验室加速试验，而且能够把自然环境条件的作用方式“模拟”得更好，即综合/组合试验与自然环境试验应具有较好的相关性和加速性。

2 试验设计方法

目前，电子装备户外涂装工艺体系的实验室多因素综合/组合加速试验并没有可供依据的规范或标准，需要针对自然环境条件下各因素的综合作用方式研究相应的实验室综合/组合试验方法。试验方法设计的一般步骤为：

1）确定环境影响因素及其量值。确定自然环境条件的影响因素种类，明确主要的影响因素，并通过环境因子监测确定环境因素的量值。

2）确定环境因素的作用方式。考虑自然环境条件下主要环境影响因素的作用方式和作用特点，决定各环境因素的作用时间及比例。

3）设计实验室试验方案。确定试验设计的原则，试验在实验室技术条件下实施的可能性。由于并不是所有的环境影响因素综合在一起都可以强化影响效应，例如盐雾可以杀死霉菌，如果对这两种环境因素进行综合/组合，则失去了试验意义。另外，还需要考虑是否需要将所有的环境因素进行综合/组合，需要进行具体分析。

4）试验实施及结果分析。为了得到一种相互关系更好的试验方案，往往需要采取不同的试验量值平行地实施几组综合/组合试验，试验后将各组试验结果与自然环境试验结果进行对比分析，选择相关性和加速性较好的一组试验方案作为最优方案。

3 涂装工艺综合/组合加速试验

本文基于西沙热带海洋自然环境开展涂装工艺的综合/组合加速试验研究。

3.1 试验设计

较早之前，装备涂层的耐候性试验主要是通过在实验室开展太阳辐射试验和盐雾试验来进行的，后来逐渐注意到两者之间具有一定的协同作用，就将这两种试验组合起来开展，这种组合试验方法较单环境因素试验方法具有更好的加速试验效果。然而，直接按标准中的试验条件对两种试验方法进行组合，试验剖面的设计并没有较好的依据。

通过分析，西沙热带海洋环境条件下，影响涂层工艺性能劣化的主要环境条件包括高温、湿热、盐雾、太阳辐射和霉菌，各种环境条件的监测值见表1[3]。考虑到实验室的技术条件，能够进行综合或组合的环境条件有四种：高温、湿热、盐雾、太阳辐射。实验室综合/组合试验设计时，可将高温条件综合到太阳辐射试验和湿热试验中，再将太阳辐射（含高温）、湿热（含高温）和盐雾进行组合，以此作为一个循环开展试验。这种综合/组合试验方式体现了装备涂层在热带海洋环境条件下经受的太阳辐射、盐雾、温湿度变化、凝露、干湿交替、光照与暗周期交替的环境条件作用特点，预期较单因素试验具有更好的相关性和加速性结果。

表1 西沙典型环境条件的监测值

为了获得一定的加速性，在不改变涂层失效机理的前提下适当提高试验量值，并以此量值作为典型值对各环境因素进行综合/组合，试验后通过对各组试验结果与自然环境试验结果进行相互关系分析，对比获得相互关系最好的试验方法。

装备涂层的性能参数较多，外观参数主要包括光泽度、色差、粉化、开裂、起泡、生锈、长霉、剥落等，其中光泽度和色差值能够使用仪器进行测量，测量值具有连续性，较为客观，便于对试验结果进行对比和分析。

3.2 试验

3.2.1 试验样品

选用6种涂装工艺样品开展试验，试验项目包括实验室太阳辐射试验、实验室太阳辐射-湿热-盐雾综合/组合试验、西沙户外自然大气暴露试验。工艺样品种类名称见表2。

3.2.2 试验方案

1）第一组：太阳辐射试验。按照GB/T 1865-2009《色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射曝露 滤过的氙弧辐射》进行试验，选取辐照度为0.51W/m2@340nm，BPT 65℃，连续光照试验，不喷淋[4]。

2）第二组：太阳辐射（含高温）－湿热（含高温）－盐雾综合/组合试验。试验采用太阳辐射试验箱、湿热试验箱、盐雾试验箱进行，共进行45d试验，每5d进行一次外观检查和性能检测。

3）第三组：西沙户外大气暴露试验。试验按照GB/T 9276-1996《涂层自然气候曝露试验方法》的要求进行，试验分别在初始、3个月、6个月、12个月进行检测[5]。

试验过程中检测参数主要包括外观、光泽度和色差等参数。

3.2.3 试验结果

试验过程中，试验样品光泽度检测结果见表3至表5。

3.3 分析与讨论

3.3.1 相关性分析

采用Spearman秩相关系系数法对试验结果的相关性进行分析，秩相关系数r 越接近1，说明相关性越好[6]。

计算公式为：

其中 di为性能数据的秩差，n 为试验样品的组数。

计算得第一组太阳辐射单因素试验与第三组西沙户外大气暴露试验的相关系数1r =0.03。

表2 试验样品工艺

表3 太阳辐射试验失光率/%

表4 太阳辐射-湿热-盐雾-高温综合/组合试验失光率/%

表5 西沙自然大气暴露试验失光率/%

表6 加速因子AF 计算

计算得第二组太阳辐射-湿热-盐雾-高温综合/组合试验与第三组西沙户外大气暴露试验的相关系数2r =0.77。

从秩相关系数的计算结果来看，综合/组合试验结果与西沙户外大气暴露试验结果的相关性较好，太阳辐射试验的相关性较差。可见综合/组合试验能够更好地反映自然大气暴露试验条件下环境因素的作用特点，这种试验方式对热带海洋环境具有较好的模拟性。

3.3.2 加速性分析

采用John A Simms提出的AF概念来计算加速因子。由于实验室太阳辐射单因素试验的相关性较低，这里仅计算实验室综合/组合加速试验方法试验的加速因子。以失光率变化到相近或相同的水平时，西沙自然大气暴露试验时间h1与实验室综合/组合加速试验方法试验时间h2之比为加速因子，计算结果见表6。

通过计算，得出实验室综合/组合试验的加速因子约为13.5，试验方法具有较好的加速性。

4 结论

较单因素加速模拟试验而言，合理设计的实验室综合/组合加速模拟试验能够更真实地反映自然环境条件的作用方式和影响效应，试验结果在取得一定加速性的同时还具有较好的相关性。因此，研究实验室综合/组合加速模拟试验技术对提高装备的环境适应性具有非常实用的工程价值。

[1]Rogers J.D. Testing In Combined Dynamic Environments.Journal of the IES, 1993(3):17-21.

[2]GJB 4239-2001，装备环境工程通用要求[S].

[3]袁敏，王忠. 涂装工艺组合/综合环境试验技术综述[J].环境技术，2011(6):

[4]GB/T 1865-2009，色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射曝露 滤过的氙弧辐射[S].

[5]GB/T 9276-1996，涂层自然气候曝露试验方法[S].

[6]汪学华.自然环境试验技术[M],北京：航空工业出版社，2003.