产品工作环境影响分析及标准测试要求

张宇，李朝阳

（广电计量检测（北京）有限公司，北京 10076）

引言

产品的可靠性，是指产品在规定的条件下、规定的时间内完成预期设计的功能，并且性能符合规范。而所谓的“规定的条件”中的一个重要方面就是其工作的环境。产品的工作环境与其服役区域是密切相关，如产品在东北区域服役，除了常规的较高温度，一定的湿热，更要关注极低温度的影响。因为不同的环境会对产品带来不同的影响，导致不同的失效模式。胡洁梓等[1]针对多起避雷针在低温环境下发生断裂倒塌的事故，通过过宏观检查、金相分析以及强度模拟计算等手段，表明造成避雷针断裂倒塌是由于避雷针内部积水在低温状况下发生冰冻，致使焊接法兰上的焊缝在冰体积膨胀下开裂；胡涛等[2]对硅橡胶低温环境下的性能进行了研究，发现了硅橡胶在-55 ℃的低温环境下，随着时间的延长，硅橡胶的低温压缩永久变形会发生突变；翟国富[3]对继电器进行了常温和高温试验考核，试验发现继电器的动合静触点在高温条件下有烧穿的现象；庄少红[4]分析了几种环境应力试验导致的失效，分析出高温环境会使金属材料表面加速氧化；马志宏等[5]分析了湿热环境除了会导致有机材料发生肿胀、变形的劣化外，还会导致金属材料的腐蚀、焊锡腐蚀导致焊点失效等；常新龙[6]对氟橡胶密封圈进行高温加速老化试验和湿热试验下的寿命研究，发现氟橡胶密封圈在湿热环境条件下其寿命会更短。产品除了会受常规温度、湿热等影响外，还会受一些机械应力的影响。贺光宗[7]对典型试件进行了单轴向振动和多轴向同时振动，发现多轴向同时振动更容易使结构产生疲劳损伤，具有更短的失效时间；刘洋[8]等对电路板卡上的封装焊点进行了振动和冲击研究，发现板卡上的封装焊点在振动冲击试验过程中会出现疲劳失效。环境对产品的影响，不仅仅是单一因素，有时会有几个因素的叠加。靳宝安[9]对双极数字集成电路出现大批失效的原因进行了分析，发现是高低温交变的环境电路中双层金属布线之间的SiO2绝缘介质在高低温环境下的应力导致铝互连线断裂开路。

不同环境会对产品有不同的影响，有时产品会受一些叠加的环境应力的作用。因此，需要详细分析不同环境对产品的影响，并根据相应的标准、规范设计测试方法，确定产品不同环境应力的考核方法，为产品环境试验设计提供参考。

1 产品环境影响分析

不同的工作环境会导致产品出现不同的失效模式。因此，需要对产品的工作环境导致的失效模式进行总结分析。

1.1 低温环境影响分析

低温环境影响是指产品在低温环境中贮存和工作，其自身的功能性能是否满足产品规范的要求。低温几乎对所有的材料都会产生不同程度的影响，产品的物理性能、电性能等在低温条件下都会发生不同程度的变化，尤其是低温环境下会导致产品失效而无法工作[10]。产品只要在低温环境下使用，就要考虑低温会对产品造成的影响。低温条件下的影响和导致的故障模式如表1。

表1 低温影响及故障模式

1.2 高环境影响分析

高温环境下最明显的是导致功率器件自身温度更高从而导致烧毁外，还会导致各种材料的结构、物理性能、电性能发生变化，严重会使产品发生不可逆的变化直至失效。根据阿伦尼斯方程可知，温度越高，则产品的寿命会变得越短。高温条件会对产品、装备产生有害的影响，而高温主要是电气部件产生不利的影响，主要影响参表2 所示。

表2 高温导致的电气元件影响

1.3 湿热境影响分析

湿热环境常常伴随着高温一起，高温高湿一般出现在南方区域，在长江以南的区域相对湿度超过90 %的天数约战全年天数的20 %以上，相对湿度超过80 %的天数约占全年天数的50 %以上[11]。同时湿热环境也会导致产品直接发生失效，对装备服役产品的战备完好性带来一定的影响[12]。湿热的环境对产品的影响是不可忽略的，可导致产品的机械性能、化学性能以及电性能发生变化，其主要引发的失效模式如下：

1）由于交变湿热使得密封材料“呼吸效应”引发密封材料体积膨胀，导致密封失效；

2）水分的吸收和渗透，使得金属表面发生氧化以及电化学腐蚀；

3）由于凝露以及吸附作用，导致绝缘材料表面绝缘电阻值下降，进而发生漏电而烧毁产品；

1.4 霉菌及盐雾影响分析

产品在有霉菌及盐雾的环境中，一般会发生腐蚀现象。产品处在潮湿的环境中会滋生霉菌，而在沿海或海上使用的产品会受盐雾的腐蚀影响。霉菌和盐雾所导致的腐蚀属于电化学特性腐蚀，要比湿热环境的腐蚀效果更为严重，图1 是不锈钢在氯化钠水溶液中出现腐蚀形貌。

图1 不锈钢NaCl 溶液点蚀形貌

一般来说，霉菌和盐雾对产品的影响主要包括以下几个方面：

1）材料表面的霉菌可以产生酸和电解质，这些酸和电解质会使产品发生腐蚀、材料电解、老化等；

2）霉菌菌丝跨越绝缘体表面形成的生物电桥而引起电子产品的短路；

3）霉菌代谢形成的酸性或腐蚀金属产品；

4）盐雾中盐沉积物形成导电的覆盖层，使得绝缘电阻下降或绝缘性能失效；

5）盐在水中电离形成的电化学反应使得金属或涂层发生腐蚀。

1.5 振动环境影响分析

装在地面移动诸如汽车、火车上的产品，装在舰载、轮船上的产品，装在飞机上的产品，都会承受各种形式的振动。振动会在产品内部形成动态位移，这些动态位移和速度、加速度会引起或加速结构疲劳，导致结构或组件损坏或失效。刘磊等[13]对电机驱动主机故障进行了分析，发现振动会导致电机的曳引机、电梯悬挂等发生故障。振动对产品的影响主要包括以下几个方面：

1）对结构产生不良的影响，主要是导致变形、弯曲裂纹等；

2）对工作性能的影响，主要是使运动部件动作不正常，开关类器件接触不良，如继电器误动作、指示灯闪烁等；

3）对连接部位的影响，振动会导致螺钉松动、连接件或焊点脱开等。

2 产品工作环境确定

产品的工作环境主要是指自然环境、工业环境和特殊使用环境，而产品工作的自然环境一般根据产品预期使用的区域、产品的安装位置、产品的使用行业以及产品设计规范中的特殊要求来确定。

2.1 产品预期使用区域

产品预期的使用区域，与产品预期的销售策略密切相关。一个产品如果销往国内的所有区域，既要考虑北方的严寒，又要考虑南方的极度湿热，同时要达到沿海或海上盐雾使用的区域，还要考虑沙尘比较大的区域，这些都是产品进行环境试验的基础。而某些资料中提供了我国区域中极端工作环境[11]，表3 列出我国最高环境温度以及此高温下产品内部诱发的环境温度。产品的设计者在设计完成后，要遵循相应的行业标准、产品的设计规范等进行相应的环境特性评估。

表3 某电子舱诱发温度与环境温度

2.2 产品预期安装位置

产品的安装、使用位置与承受的环境特性也是密切相关的。产品安装、使用的位置不同，即使其使用的环境比较严酷，但由于安装使用的环境也会令其承受的比较温和的环境。比如室内使用的产品，即使其使用的区域包括极度寒冷的北方区域、盐雾影响较大的沿海区域、沙尘比较严重的沙漠周边区域，其寿命周期内也不会承受这些极端严酷环境的影响。如电视播放设备这种室内使用的物品，其承受的温度也是比较温和，几乎没有沙尘以及盐雾的影响。

2.3 产品所属行业

不同行业的产品其使用环境也是不同的。比较典型的就是军用与民用产品之间的试验项目都有比较典型的差异[14]。军用与民用工作环境中，最典型的不同就是环境类别，如炮振、爆炸冲击等是军用产品中特有的环境类别。同时军用与民用产品即使有相同的工作环境，但是两者的工作温度也是不同的。如工作温度，军用产品的工作温度更为严苛，军品产品的工作温度一般是（-55～125）℃之间，而民用产品则要温和的多。

3 产品标准测试要求

针对产品服役中经历的各种工作环境，一般要进行相应的设计进行适应和防护，但是产品的设计是否能够保证，则要对其按照相应的标准、规范进行考核，确定产品的环境适应性是否符合相应的标准及规定。下面对几种比较常见的环境适应性考核的标准测试要求进行介绍。

3.1 低温试验标准及测试要求

低温试验的标准，按照行业大类划分，一般分为民品试验标准和军品试验标准。民品试验通用参考的是GB 2423 和IEC 60068 系列，同时又可细分到汽车行业的GB 28046 和ISO 16750 等。民品的低温试验和军品的低温试验，相同点都是要求产品达到温度稳定后方可进行测试，民品的低温试验与军品不同的是，民品允许样品从试验开始前直至产品完成试验全程通电，而军品则要求产品温度稳定后才可通电进行测试。

3.2 高温试验标准及测试要求

高温试验的标准，也一般分为民品的高温试验和军品的高温试验。对于民品的高温考核，民品的高温考核还要考虑非散热试验样品的高温试验和散热试验样品的高温试验，散热和非散热试验样品的试验过程中温升不同、试验箱内的空气流速不同，同时产品的通电时机也不一样。

军品高温试验中并未对产品进行散热试验样品和非散热试验样品的划分。军品高温试验分为贮存和工作两种试验条件。高温贮存一般储存时间为48 h 和循环贮存的168 h；高温工作主要是产品在相应的高温环境中达到温度稳定后保持规定的时间，在稳定后的这段时间内完成相应的功能性能测试既可。

3.3 湿热试验标准及测试要求

民品和军品的湿热环境标准中试验条件也是不同的，民品依据的GB/T 2423 中规定了两种湿热环境条件，分别是恒定湿热和交变湿热环境。两种类型试验的试验时长是可选择的，恒定湿热最短推荐时长为12 h，最长为56 天；交变湿热推荐的最短时长为242 h，最长为56 天。而军品参考的GJB 150 中规定的湿热环境，是固定的10天的交变湿热环境条件。

3.3 振动试验标准及测试要求

振动试验的标准，军用和民用也不同。军用产品的振动环境试验，规定了产品的种类、安装位置。从地面固定使用、地面移动使用、水面舰船、直升机、喷气式分机等不同的使用环境。某些产品安装使用的车辆是相似，但是具体的振动图谱和量级也是不同的，要严格加以区分。图2 和图3 虽然都是拖车安装环境，但是图2是组合式，图3 就是拖车，两者的振动图谱也是不一样的。

图2 组合双轮拖车振动振动谱

图3 双轮拖车振动振动谱

民品的振动试验标准，未规定产品的使用环境，仅规定了产品振动试验三个再现特性，即高再现、中再现、低再现，根据产品的基准点、容差范围等确定产品振动试验的再现特性。

4 总结

本文介绍了产品不同服役环境下对产品的影响，通过分析确定了产品不同在工作环境下，将会产生不同的影响，形成不同的失效模式；同时产品的工作环境确定，要依据产品预期服役的区域、产品安装位置以及行业进行确定，通过对使用环境确定的介绍，帮助读者确定研发产品的使用环境提供了参考。最后介绍了产品相应环境的评估的参考标准以及相应的评估方法，帮助正确评估产品的环境适应性提供了依据。通过对产品工作环境影响分析和标准测试要求的介绍，未后续研发人员进行产品的耐环境及环境适应性设计提供参考，也为考核产品环境适应性提供依据和指导。