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前言

1986年1月28日，美國“挑戰者”號航天飛機升空73秒后，突然爆炸，機上7名宇航員全部殉難。這是人類(lèi)航天史上的一個(gè)大悲劇。事后美國有關(guān)部門(mén)對航天飛機爆炸的原因進(jìn)行了調查，調查結果表明：由于航天飛機發(fā)射的前一天，美國突降大雪，天氣寒冷，致使燃料艙的一個(gè)橡膠密封零件，經(jīng)受不住寒冷環(huán)境條件的考驗，從而造成航天飛機的爆炸，其損失是相當慘重的。沉痛的教訓使人們更加注重產(chǎn)品對環(huán)境條件的適應性，這就是環(huán)境技術(shù)。

環(huán)境技術(shù)是一項實(shí)用的基礎技術(shù)研究，是穩定產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)措施之一。其主要任務(wù)是研究環(huán)境對產(chǎn)品的影響，解決產(chǎn)品的貯存、運輸或使用中的可靠性問(wèn)題。主要包括研究產(chǎn)品的各種環(huán)境條件、針對產(chǎn)品所處的特殊環(huán)境研究相應的防護技術(shù)以及研究和制訂環(huán)境試驗方法以鑒別產(chǎn)品對環(huán)境的適應能力等。

評價(jià)產(chǎn)品的價(jià)值不應該僅僅局限于對產(chǎn)品自身功能與性能進(jìn)行評價(jià)。換句話(huà)說(shuō)，質(zhì)量是產(chǎn)品價(jià)值的基礎，產(chǎn)品價(jià)值取決于其自身質(zhì)量。產(chǎn)品投放到市場(chǎng)后發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，性能的損壞程度并不直接影響產(chǎn)品成本，但是對于廠(chǎng)家來(lái)講損失莫過(guò)于品牌信譽(yù)的損失。為了避免這些損失，在產(chǎn)品投放市場(chǎng)之前，就必須要對產(chǎn)品作質(zhì)量鑒定。環(huán)境試驗不僅能夠通過(guò)模擬試驗和產(chǎn)品壽命老化試驗對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量鑒定，還是質(zhì)量保證體系中必不可少的先決條件；同時(shí)可用來(lái)評價(jià)防護措施的效果和鑒定產(chǎn)品對環(huán)境的適應能力，也可以摸清環(huán)境因素的影響程度及其使用處理。

本文將簡(jiǎn)單介紹一下環(huán)境試驗的基礎概念知識，以及就和溫度相關(guān)的環(huán)境試驗設備作以簡(jiǎn)要介紹。

1.環(huán)境試驗介紹

環(huán)境試驗作為可靠性試驗的一種類(lèi)型已經(jīng)發(fā)展成為一種預測產(chǎn)品使用環(huán)境是如何影響產(chǎn)品的性能和功能的方法。也就是說(shuō)，在產(chǎn)品投入市場(chǎng)之前，環(huán)境試驗被用來(lái)評估環(huán)境影響產(chǎn)品的程度；當產(chǎn)品的功能受到了影響，環(huán)境試驗被用來(lái)查明原因，并采取措施保護產(chǎn)品免受環(huán)境影響以保持產(chǎn)品的可靠性。這些試驗已經(jīng)遠遠地超過(guò)了其最初的目的，現在被廣泛應用于包括材料和產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中的各種不同檢查、運輸之前的檢驗和運輸后的質(zhì)量控制，也被用來(lái)分析產(chǎn)品的實(shí)際使用過(guò)程中出現的缺陷以及新產(chǎn)品的改進(jìn)。環(huán)境試驗對于檢測方法和保持產(chǎn)品可靠性是非常有效的。

我們這里講的環(huán)境試驗是狹義的，實(shí)際是指人工模擬的環(huán)境試驗（以下稱(chēng)為環(huán)境試驗）。廣義上環(huán)境試驗基本分為“自然暴露試驗”、“人工模擬試驗”和“現場(chǎng)運行試驗”三類(lèi)。自然暴露試驗，是將樣品長(cháng)期暴露在自然環(huán)境條件下進(jìn)行測試?，F場(chǎng)運行試驗，是將樣品裝置在各種典型的使用現場(chǎng)并使它處于正常運行狀態(tài)進(jìn)行測試。這兩種試驗都能直接反映產(chǎn)品實(shí)際使用中的性能和可靠性，也是驗證人工模擬試驗準確性的基礎。但是試驗周期都較長(cháng)，花費人力物力大，并且前者試驗條件不能控制，影響試驗的再現性，且有時(shí)跟不上產(chǎn)品的發(fā)展；后者數據反饋慢。因此為了在較短時(shí)間內能鑒定產(chǎn)品對環(huán)境的適應能力，在科研和生產(chǎn)工作中多采用人工模擬環(huán)境試驗，即在實(shí)驗室的試驗設備（箱或室）內模擬一個(gè)或多個(gè)環(huán)境因素的作用，并予以適當的強化。人工模擬試驗的試驗條件的確定，要求既能模擬環(huán)境中主要因素影響的真實(shí)性，又能在時(shí)間上起一定的加速作用，但是加速的程度不應改變產(chǎn)品實(shí)際損壞機理的規律。為此，人工模擬試驗的試驗條件和方法必須與產(chǎn)品環(huán)境條件的等級、數值有機地聯(lián)系起來(lái)。

如圖1所示，環(huán)境試驗簡(jiǎn)單劃分可分為“氣候環(huán)境試驗”、“機械環(huán)境試驗”和“綜合環(huán)境試驗”。與氣候有關(guān)的環(huán)境試驗包括溫度、濕度與壓力等環(huán)境應力試驗，而機械環(huán)境試驗則包括沖擊和振動(dòng)等環(huán)境應力試驗，綜合環(huán)境試驗則是綜合氣候和機械等環(huán)境因素的應力試驗。

當然，使用環(huán)境試驗設備進(jìn)行的試驗并不可能完全精確地再現出產(chǎn)品的使用環(huán)境以及模擬出所有的環(huán)境因素，在這里必須理解環(huán)境試驗的局限性。由單一因素（溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、沖擊或某一物質(zhì)如鹽）構成的環(huán)境試驗稱(chēng)之為簡(jiǎn)單環(huán)境試驗。實(shí)際上產(chǎn)生完全單一的環(huán)境很困難，而且大部分試驗環(huán)境都是十分復雜的。因此在設計試驗條件時(shí)，試驗人員需要選擇對產(chǎn)品有最大影響最為重要的環(huán)境因素，所以說(shuō)環(huán)境試驗只能是一個(gè)與真實(shí)環(huán)境還存在很大區別的人為環(huán)境。

一般性，產(chǎn)品的缺陷是由以下幾個(gè)方面造成的：

a.    原材料的濃度和多樣性、摩擦、磨損、應力、熱、電流以及電場(chǎng)強度，這些因素會(huì )影響產(chǎn)品某些方面的性能；

b.    在產(chǎn)品設計和制造過(guò)程中由產(chǎn)品特性（原材料、制造工藝、結構部件以及大規模生產(chǎn)時(shí)）所引發(fā)的因素；

c.    外界環(huán)境產(chǎn)生的應力。

因此，試驗條件必須依據具體的產(chǎn)品條件而定，對于不同的產(chǎn)品是不一樣的。如果被試驗研究的產(chǎn)品發(fā)生了變化，相應的環(huán)境試驗也要改變。

2.溫度應力

環(huán)境應力條件可以引起產(chǎn)品失效，Hughes航空公司（美國）技術(shù)資料明確地表示了失效與環(huán)境應力之關(guān)（見(jiàn)圖2）?？梢?jiàn)在各種應力影響之中溫度和濕度環(huán)境應力所引發(fā)地失效占所有環(huán)境應力引發(fā)失效的60％左右，而溫度應力與失效之間存在著(zhù)密切的關(guān)系。

目前，在世界各地，無(wú)論從陸地到海洋或者從高空到宇宙空間，都廣泛地使用電子電工以及其他領(lǐng)域的產(chǎn)品。由于氣溫隨著(zhù)高度的增加而降低或在冬季高緯度地區，或者有些產(chǎn)品所在位置接近制冷元件、設備或系統，或者有些產(chǎn)品本身就包括制冷元件、設備或系統，從而產(chǎn)生低溫環(huán)境。低溫幾乎對所有的材料都會(huì )產(chǎn)生不同程度的有害影響，構成產(chǎn)品的各種材料的物理性能、電性能等將發(fā)生變化，導致暫時(shí)性或永久性的性能下降，甚至引起失效。

圖2 環(huán)境應力與失效之關(guān)系

同樣，低緯度熱帶地區的自然高溫、太陽(yáng)輻射的增溫、通風(fēng)不良引起的溫升以及散熱樣品在使用中自身發(fā)熱引起的溫升等產(chǎn)生的高溫，高溫會(huì )使電子組合可靠性下降，機械結構的密封件、橡膠件和塑料件等受高溫和太陽(yáng)照射作用會(huì )迅速老化和劣化，其他各種材料的結構、物理性能、電性能也會(huì )發(fā)生很大的變化，導致暫時(shí)或永久性的損傷和性能變化。

另外，在產(chǎn)品貯存、運輸、使用和安裝過(guò)程以及中，除自然氣候的變化以外，也會(huì )遇到因人類(lèi)的社會(huì )實(shí)踐而誘發(fā)的環(huán)境溫度的變化。例如設備從溫度較高的室內移到溫度相對較低的室外；或者從溫度相對較低的室外移到溫度較高的室內；或者在室外使用的設備在強烈的太陽(yáng)輻射之后突然降雨或浸到冷水；或者溫度的極度升高導致焊錫回流現象出現，或者啟動(dòng)馬達時(shí)周?chē)骷臏囟燃彼偕?，關(guān)閉馬達時(shí)周?chē)骷?huì )出現溫度驟然下降；或者設備可能在溫度較低地環(huán)境中連接到電源上，導致設備內部產(chǎn)生陡峭的溫度梯度，在溫度較低地環(huán)境中切斷電源可能會(huì )導致設備內部產(chǎn)生相反方向陡峭的溫度梯度；或者當航空器起飛或者降落時(shí)，航空器機載外部器材可能會(huì )出現溫度地急劇變化等等。由于急劇的溫度變化將使產(chǎn)品受到一定熱沖擊力，在這種熱沖擊力的作用下，將導致電子電工元件的涂覆層脫落、密封材料龜裂甚至破碎、填充材料泄漏等，從而引起電子元器件電性能下降；對于由不同材料構成的產(chǎn)品，由于溫度變化時(shí)產(chǎn)品受熱不均勻，導致產(chǎn)品變形、開(kāi)裂、破碎等。由于溫度變化產(chǎn)生較大的溫差，低溫時(shí)產(chǎn)品表面會(huì )產(chǎn)生凝露或結霜，高溫時(shí)蒸發(fā)或融化，如此高低溫反復作用的結果導致和加速了產(chǎn)品的腐蝕。

下表給出了溫度應力引發(fā)失效的主要類(lèi)型。

表1 溫度應力引發(fā)失效的主要類(lèi)型

因而，當討論與溫度有關(guān)的產(chǎn)品壽命時(shí)，一般采用“θ℃規則”的表達方式。具體應用時(shí)可以表達為“10℃規則”等，例如當周?chē)h(huán)境溫度上升10℃時(shí)，產(chǎn)品壽命就會(huì )減少一半；當周?chē)h(huán)境溫度上升20℃時(shí)，產(chǎn)品壽命就會(huì )減少到四分之一。這種規則可以說(shuō)明溫度是如何影響產(chǎn)品壽命（失效）的。

反之，人們可以在較短的時(shí)間內，利用升高環(huán)境溫度或降低環(huán)境溫度或利用超高溫和超低溫的交替來(lái)加速產(chǎn)品的失效現象發(fā)生，確定產(chǎn)品的特性變化以及由于構成元器件的異種材料熱膨脹系數不同而造成的故障問(wèn)題。多應用于開(kāi)發(fā)篩選試驗、材料特性試驗、極限試驗、評估試驗、品質(zhì)確認試驗、加速壽命老化試驗等多種場(chǎng)合的需要。

3.溫度試驗設備

溫度試驗設備一般由工作室、調節設備、輔助設備、控制系統組成。其中調節系統包括加熱器、蒸發(fā)器和送風(fēng)裝置等，輔助設備主要室制冷機組，控制系統包括溫度控制器、程序設定器、安全報警裝置等。

加熱器多用電阻絲或電熱管的電加熱方式實(shí)現；除了對無(wú)散熱試樣高溫試驗的干燥箱可以采用自然加熱以外，一般都要都配有送風(fēng)裝置進(jìn)行強迫空氣循環(huán)，送風(fēng)方式多用上側送下側回或全面孔板頂送下側回的方式，對于整個(gè)試驗設備的均勻性能很重要。

制冷方式使用較多為機械制冷，冷凍機有半封閉或全封閉形式，冷卻回路也有水冷形式或空冷形式，冷媒現已多采用環(huán)保型冷媒，節流方式采用毛細管或者電子膨脹閥方式，可以提高精度和回路的壽命，并且能長(cháng)期連續工作。

控制系統現在一般采用PID方式，使加熱功率隨設備實(shí)際溫度與設定溫度偏差自動(dòng)進(jìn)行調節、控制，實(shí)現無(wú)級調節，溫度波動(dòng)度??；顯示部分也由以前數顯方式提升到液晶觸摸屏方式，例如ESPEC集團的P計裝就是采用6.54英寸TFT彩色液晶顯示畫(huà)面，清晰美觀(guān)，更便于操作。

另外，設備的保溫層采用玻璃棉或者聚氨酯發(fā)泡層，導熱系數小，耐溫性好。溫度檢測采用熱電偶、鉑電阻和熱敏電阻方式等，精度高。

進(jìn)行溫度試驗時(shí)需要考慮詳盡周全，所以考慮選擇相應合適的試驗設備也是至關(guān)重要的。

1.  必須要求測試范圍要滿(mǎn)足產(chǎn)品失效可能性試驗范圍，即無(wú)論是高溫箱還是低溫箱或者冷熱沖擊箱都應能夠滿(mǎn)足試驗要求所規定的極值溫度條件。

2.  必須以保證試驗樣品的體積不應大于試驗設備工作容積的1/5的原則來(lái)選擇試驗設備。

3.   為保證試驗區內溫度的均勻性，根據樣品的散熱性來(lái)選擇是否采用強迫空氣循環(huán)或無(wú)強迫空氣循環(huán)方式。例如上海ESPEC生產(chǎn)的LG型干燥箱采用熱風(fēng)自然對流方式，特別適宜粉狀物干燥，而LC型干燥箱就采用熱風(fēng)強制循環(huán)方式。設備溫度分布的差異對試驗結果影響會(huì )更大，當采用較大的樣品時(shí)，或者在同一時(shí)間測試的樣品數量較大時(shí)，試驗的結果將隨著(zhù)位置的不同而存在很大差別，因此應該選擇溫度均勻性盡可能好的設備。例如上海ESPEC生產(chǎn)的Z系列調溫箱，均勻性達到2.0℃。

4.  樣品溫度有采用上風(fēng)和采用下風(fēng)傳感器溫度測量?jì)煞N方式。設備的溫度控制傳感器位置及控制方法是可以選擇的，要根據試驗要求選擇合適的設備。

5. 防止試驗區產(chǎn)生熱輻射或者熱傳導所引起的樣品吸熱或放熱，要求設備的加熱或冷卻系統裝置對樣品無(wú)影響。

6. 便于記錄、顯示，進(jìn)行循環(huán)試驗時(shí)要求安裝自動(dòng)計數器、指示燈、記錄設備以及自動(dòng)關(guān)閉等儀表裝置。

7. 便于樣品放置可以要求用于放置或懸掛的樣品架，且樣品架不會(huì )因高低溫變化改變其機械性能。

8.  應具有將測試電源引入設備工作室內的引線(xiàn)孔。

9.  無(wú)論對于樣品的損壞性和試驗人員安全都要有保護防范措施。例如設有觀(guān)察窗及照明，設有電源斷相、缺水、超溫保護、操作人員保護等報警裝置。

10.  是否需要遠程遙控監測功能。

使用溫度試驗設備時(shí)的注意事項：

1. 進(jìn)行大塊樣品試驗時(shí)上升氣流和下降氣流會(huì )出現溫濕度偏差，因此應該仔細考慮放置樣品位置。盡量放置在試驗設備工作空間的中心位置上，樣品之間不得互相接觸和重疊，應留有一定的間隔以使空氣流通；而且還應該保證進(jìn)行試驗時(shí)樣品易于移動(dòng)，測試時(shí)容易替換樣品。

2. 檢查試驗區內有無(wú)油氣等易揮發(fā)性物質(zhì)，檢查有無(wú)氣味的物質(zhì)，這類(lèi)物質(zhì)試驗后果必須預先進(jìn)行確認。

3. 注意確認試驗區內試驗樣品的溫度狀況。

4.為保持溫度區內溫度一致，需要盡可能保證試驗環(huán)境溫度及設備動(dòng)力電源波動(dòng)最小，確保試驗樣品不產(chǎn)生熱輻射并不吸收熱量從而保證試驗區溫度平穩。

5.在溫度試驗設備結束測試以后，迅速取走試驗樣品會(huì )對樣品產(chǎn)生不必要的應力，并可能得到意想不到的結果。因此，必須在試驗樣品冷卻到環(huán)境溫度后才能取出樣品。

6.試驗樣品的安裝和支撐架的熱導率應低，以保證試驗樣品與安裝和支撐架間處于一種絕熱狀態(tài)。

不同產(chǎn)品的試驗內容是由試驗要求者、設計者以及試驗人員共同決定的。從提供試驗相符合的試驗設備的角度出發(fā)，建立一個(gè)試驗設備的技術(shù)規格框架，試驗設備供應商可以根據這個(gè)框架來(lái)提供設備的具體規格。每一種可模擬試驗環(huán)境的試驗設備一般都有測量系統，因此使用現成的設備和購買(mǎi)新設備都是非常容易的。簡(jiǎn)單的試驗設備也可以自己動(dòng)手制造，但是要考慮成本、試驗結果的可靠性、精確控制程度以及連續運轉的安全因素等。

結語(yǔ)

環(huán)境試驗是一個(gè)可使產(chǎn)品增值的過(guò)程，不容忽視。而溫度型環(huán)境試驗作為環(huán)境試驗中最為基礎的一種，運用領(lǐng)域及其廣泛，大大提高了我國軍用和民用產(chǎn)品的環(huán)境適應性和可靠性，并直接導致了產(chǎn)品的質(zhì)量提升。本文就溫度應力和相關(guān)的溫度型環(huán)境試驗設備作了簡(jiǎn)單的基礎的介紹，根據使用要求準確選擇使用，才能達到環(huán)境試驗的真正目的。

參考文獻：

1.《環(huán)境試驗》，王樹(shù)榮等，1987

2.《GB10589-89 低溫試驗箱技術(shù)條件》

3.《GB10592-89 高、低溫試驗箱技術(shù)條件》

4.《GB11158-89 高溫試驗箱技術(shù)條件》