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可靠性测试

GJB 150.3A-2009高温试验:军用装备高温存储与高温工作试验项目介绍

技术概述

GJB 150.3A-2009《军用装备实验室环境试验方法 第 3 部分:高温试验》用于考核装备在高温环境下的贮存稳定性与工作适应性。高温对装备的破坏方式以"累积"和"加速"为主:材料在温度作用下发生软化、氧化、增塑剂迁移,电子元器件的失效率随温度按指数规律上升,密封件在持续压缩与高温共同作用下产生永久变形。这些效应多数不会立即表现为功能失效,而是表现为寿命缩短与参数漂移。

标准把高温试验分为贮存与工作两类,每类再分恒定与循环两种施加方式,合计四种基本组合。这样的划分不是为了增加试验项,而是因为四种组合对应四种真实的物理过程:恒定贮存对应装备长期停放在高温仓库或热源附近;循环贮存对应露天停放经历昼夜温差;恒定工作对应装备在高温环境下持续运行;循环工作对应昼夜温差环境下的间歇运行。

需要特别理解"诱发温度"这一概念。GJB 150A 体系中的高温量值,多数指的是装备内部或表面的实际温度,而不是试验箱的空气温度。原因在于装备安装在平台上时,外部热源(太阳辐射、发动机、邻近发热设备)会使局部温度显著高于环境气温。若把环境气温直接当作试验温度,试验会明显偏松。

检测样品

  • 可能在高温环境贮存或工作的装备:车载、方舱、发动机舱附近、沙漠地区部署设备;
  • 含高分子材料的部件:密封圈、线缆护套、塑料壳体、灌封胶、减振垫;
  • 含电解液的部件:蓄电池、电解电容、液晶显示器件;
  • 发热量较大的装备:电源模块、功放、电机、伺服驱动器;
  • 涂装与标识件:涂层、丝印、标签、光学镀膜,考核褪色、起泡、开裂、脱落。

样品的安装方式对结果影响很大。安装在金属支架上与安装在隔热垫上,热传导路径不同,达到温度稳定的时间可相差数倍;带外罩与不带外罩,内部温升也不同。委托时应提供实际安装方式,至少说明是否有邻近热源、是否强制风冷。

检测项目

  • 恒定高温贮存:按剪裁温度(如 70℃)持续存放规定时间,通常 48h 或按技术文件,试验后在常温下检测;
  • 循环高温贮存:按日循环剖面,峰值约 71℃、谷值约 33℃,24h 为一个循环,进行规定循环数;
  • 恒定高温工作:在规定高温下通电工作并完成全部性能检测;
  • 循环高温工作:在日循环温度剖面的高温段通电工作,考核启停与温变过程中的功能;
  • 外观与结构检查:变形、软化、开裂、起泡、变色、密封件永久压缩变形;
  • 性能检测:输出参数、精度、启动时间、绝缘电阻、功耗、保护动作阈值。

试验方法与条件

  • 预处理:试验前在标准大气条件下放置,记录外观与性能基线。含吸湿材料的样品应先干燥或按技术文件规定处理,否则高温下水分快速汽化会造成起泡,这一现象属预处理不当而非产品缺陷。
  • 升温速率:通常控制在 3℃/min 以内。升温过快会在厚壁件内部形成温度梯度,产生额外热应力,把高温试验变成温度冲击试验,改变失效模式。
  • 温度稳定判据:试件上各监测点温度变化率小于 2℃/h 视为稳定,稳定后再开始计算保持时间。工程中常见的偏差是把"箱内空气到温"当作稳定,导致实际保温时间不足,尤其对金属壳体、大热容部件影响显著。
  • 循环剖面:日循环的升温段、高温保持段、降温段、低温保持段各有规定时长,升降温速率按剖面执行。循环数与总暴露时间应覆盖预期贮存年限,常通过加速模型折算,折算时须说明激活能取值与假设。
  • 工作状态:通电工作的样品应带实际负载,监测点覆盖发热集中部位。空载试验无法反映真实温升,是常见的偏离之一。
  • 恢复:试验后在标准大气条件下恢复至温度稳定再检测。立即检测会把高温下的可逆漂移(如零点偏移)误判为永久失效。

诱发温度与箱温的关系

当技术文件给出的是诱发温度,而试验箱控制的是空气温度时,两者之间需要换算。换算方法有两种:一是在样品内部布置热电偶,通过试调箱温使内部测点达到规定值;二是用热分析模型估算。前者更可靠,成本是多一轮调试。若技术文件给出的是环境温度,则按环境温度控制,但应在报告中说明该温度与诱发温度的差异,避免下游用户误用。

高温与其他应力的耦合

高温常与低气压、振动、湿度耦合。高温加低气压会显著削弱对流散热,使内部温度进一步升高;高温加振动会加速蠕变与疲劳裂纹扩展;高温加高湿则形成湿热老化,与单纯高温的失效机理不同。若产品实际处于耦合环境,单做高温试验只能给出偏乐观的结论。

检测仪器

  • 高温试验箱:温度范围覆盖室温至 200℃ 以上,均匀度优于 ±2℃、波动度优于 ±0.5℃;
  • 温度采集系统:多通道记录仪配 K 型或 T 型热电偶,采样间隔不大于 1min;
  • 红外热像仪:用于定位发热集中部位,辅助布置测点;
  • 电气性能测试系统:可编程电源、电子负载、功率分析仪、绝缘电阻表;
  • 尺寸与形貌测量:三坐标、影像测量仪、涂层测厚仪、色差仪、光泽度计;
  • 材料性能测试:邵氏硬度计(密封件)、拉伸试验机(塑料件)。

应用领域

高温试验在军用装备中覆盖面很广。车载与方舱设备主要考核阳光暴晒下的舱内温升,重点在电子器件降额与液晶可读性;发动机舱附近设备考核辐射热与传导热的叠加,重点在线缆绝缘与连接器壳体软化;沙漠地区部署装备考核昼夜温差引起的循环损伤,重点在焊点与涂层;弹药与火工品则考核长期贮存下的药剂稳定性,判据以性能衰减为主。

民用领域中,汽车电子、光伏逆变器、储能电池、工业控制器的耐高温要求同样普遍,通常引用 GB/T 28046.4、GB/T 2423.2 或 IEC 60068-2-2,温度点与持续时间与军标存在差异。跨体系引用时应核对试验目的是否一致,不宜仅比对温度数值。

常见问题

问题一:高温贮存 48h 与循环 10 次,哪个更严酷?

不能直接比较,因为考核的失效机理不同。恒定高温主要考核氧化、软化、增塑剂迁移等时间累积效应,循环高温主要考核热膨胀失配引起的疲劳与密封件的反复压缩。若产品的实际问题来自昼夜温差,做恒定高温即使时间加倍也未必能复现。

问题二:为什么要求先温度稳定再计时?

因为保温时间是从试件达到规定温度开始计算的,而不是从箱内空气到温开始。大热容部件从箱温到温到内部稳定可能需要 1h 以上,若从箱温到温就计时,实际高温暴露时间会短于规定,结论偏乐观。

问题三:试验后涂层轻微变色是否需要判不合格?

看是否伴随性能变化。仅颜色变化而附着力、厚度、硬度均合格的,通常记为外观变化而非失效;出现起泡、开裂、脱落、粉化的,说明涂层体系已破坏,应判不合格。判定时应附色差值与附着力测试结果,不能只凭目视。

问题四:密封件在高温后变硬,是否意味着失效?

需测压缩永久变形率。硬度上升本身不必然导致泄漏,但压缩永久变形超过规定值(常见 25%~40%,按材料与标准而定)时,密封面接触应力不足,泄漏风险显著上升。仅测硬度不足以判定,应做压缩永久变形或直接做气密性复测。

问题五:整机与部件的高温条件能否互相替代?

不能。整机的内部温升由自身发热与外部环境共同决定,部件的环境温度则取决于安装位置。整机高温合格不代表部件在其安装位置也合格,反之亦然。正确做法是先由整机热分析得到各部位诱发温度,再分解为部件条件。

问题六:加速高温贮存试验的折算是否可靠?

可靠性取决于失效机理是否一致。用阿伦尼乌斯模型折算时,激活能取值对结果影响很大,取 0.7eV 与 1.0eV 可使折算时间相差数倍。工程上宜用两组以上温度点做验证,确认失效模式相同后再外推,单一温度点的加速结论说服力有限。

问题七:高温试验后发现功能异常,冷却后恢复正常,算不算失效?

属于可恢复性失效,仍应记录并评价。若异常发生在规定的工作温度范围内,说明设计裕度不足,应判不合格;若异常仅出现在超出规定范围的温度,则属于边界行为,可作为改进参考。报告中必须写明异常发生时的温度与恢复条件。

结果分析

高温试验的结果分析宜按"可逆—不可逆"分开处理。可逆变化(参数漂移、临时软化)反映的是工作裕度,不可逆变化(永久变形、开裂、变色、性能衰减)反映的是寿命消耗。两者混在一份结论里,会导致整改方向错误。

对电子装备,建议把温升实测值与元器件降额要求对照,判断是否存在局部过热。很多高温失效的根因不在环境温度,而在局部散热设计——某颗功率器件结温过高,整机环境温度再低也无济于事。热像图与内部测点是定位这类问题的有效手段,比整机高温合格结论更有价值。