當(dāng)前，許多電源類產(chǎn)品開(kāi)始使應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境中，然而工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境復(fù)雜，每種因素都對(duì)電源產(chǎn)品的性能和可靠性有較大影響。本文通過(guò)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域典型應(yīng)用環(huán)境因素進(jìn)行篩選和梳理，詳細(xì)闡述了各種典型環(huán)境因素對(duì)電源產(chǎn)品的主要影響機(jī)理。
工業(yè)環(huán)境場(chǎng)合類別繁多，且誘發(fā)環(huán)境復(fù)雜，每種因素都對(duì)電源產(chǎn)品的性能和可靠性有較大影響，如何減少甚至規(guī)避掉這些環(huán)境因素的影響，對(duì)于客戶設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有著重要意義。本文列舉了工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄娫串a(chǎn)品的主要應(yīng)用環(huán)境因素，并討論相關(guān)環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品的主要影響機(jī)理，可以為該類產(chǎn)品的耐環(huán)境設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)提供必要的參考信息。
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重工業(yè)
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采掘（伐）工業(yè)
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如石油開(kāi)采、煤炭開(kāi)采、開(kāi)礦、木材采伐
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原材料工業(yè)
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金屬冶煉、石油煤炭加工等工業(yè)
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加工工業(yè)
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金屬結(jié)構(gòu)加工、水泥制品、農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥等工業(yè)
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輕工業(yè)
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農(nóng)產(chǎn)品為原料的工業(yè)
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食品制造、飲料制造等
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非農(nóng)產(chǎn)品為原料的工業(yè)
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日用化學(xué)制品、玻璃制品、金屬制品；手工工具制造、醫(yī)療器械制造、文化和辦公用機(jī)械制造等工業(yè)。
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化學(xué)工業(yè)
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生產(chǎn)過(guò)程中，化學(xué)方法占主要地位的過(guò)程工業(yè)
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塑料、合成纖維、石油、橡膠、藥劑、染料工業(yè)等
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能源工業(yè)
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煤炭
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開(kāi)采生產(chǎn)和加工
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石油和天然氣
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開(kāi)采生產(chǎn)和加工
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電力
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傳統(tǒng)能源和新能源
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鋼鐵工業(yè)
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農(nóng)產(chǎn)品為原料的工業(yè)
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開(kāi)采、冶煉、加工等
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機(jī)械工業(yè)
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機(jī)械制造
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如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸業(yè)設(shè)備制造等
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高新工業(yè)
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電子信息、生物工程、新材料、航空、海洋等技術(shù)
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電源產(chǎn)品通常應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域主要有電力（包括新能源）、石化、鋼鐵、采礦等方面，未來(lái)還可能會(huì)應(yīng)用到海上、車載等應(yīng)用場(chǎng)合，下面具體介紹這些工業(yè)領(lǐng)域可能遇到的典型應(yīng)用環(huán)境因素。
工業(yè)領(lǐng)域典型應(yīng)用環(huán)境因素
本文中提到的電源產(chǎn)品工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境應(yīng)用僅限于簡(jiǎn)易氣候防護(hù)場(chǎng)所，即無(wú)溫度控制也無(wú)濕度控制的場(chǎng)所（注1），這些場(chǎng)所不受太陽(yáng)、風(fēng)、雨等氣候因素的直接侵襲，但是會(huì)受其間接影響。除此之外，這些環(huán)境下還會(huì)直接受到工業(yè)污染的影響。因此，工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境中的電源產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)面臨的主要環(huán)境因素可分為以下幾類：
氣候環(huán)境因素：溫度、濕度、低氣壓、霜露
化學(xué)活性物質(zhì)：鹽霧、腐蝕性氣體
生物環(huán)境因素：霉菌、有害、海洋生物、動(dòng)植物
注1：有連續(xù)溫度控制的應(yīng)用場(chǎng)所，一般是封閉場(chǎng)所，這些場(chǎng)所應(yīng)用環(huán)境良好，基本不受外界氣候和污染物的影響，因此本文暫不考慮。
典型應(yīng)用環(huán)境因素及其影響分析
高溫條件會(huì)使電子元器件的失效率增大、壽命降低；低溫條件會(huì)使材料的物理特性發(fā)生變化，例如電池的電解液凍結(jié)、容量下降。由于工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用地域比較廣，晝夜溫差較大，溫度范圍較寬，而溫度變化會(huì)使電子器件的參數(shù)發(fā)生漂移導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作，熱脹冷縮出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)不靈活或者卡死現(xiàn)象。所以電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到器件參數(shù)的溫漂特性，器件選型時(shí)也要充分考慮到溫度范圍。
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環(huán)境因素
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環(huán)境條件
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影響機(jī)理
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高溫
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北非、中東、印度等地區(qū) 49 ℃，地表溫度＞70 ℃
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熱老化（包括氧化、結(jié)構(gòu)變換和化學(xué)反應(yīng)）、物理膨脹、軟化、絕緣降低等
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低溫
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高緯度或高海拔地區(qū)：－46 ℃
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物理收縮、脆化、開(kāi)裂、粘度增加、產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力
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溫度變化
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溫度變化：0.5 ℃/min
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物理膨脹收縮、機(jī)械應(yīng)力、凝結(jié)和軟化、涂層脫落開(kāi)裂、間歇性失效
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在我國(guó)南方的夏季和全球的熱帶雨林地區(qū)，高的相對(duì)濕度同時(shí)伴隨高溫的濕熱情況是經(jīng)常出現(xiàn)的。在這種環(huán)境中，水汽可能會(huì)通過(guò)滲透作用進(jìn)入密封絕緣器件的內(nèi)部，最終導(dǎo)致其失效。
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環(huán)境因素
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失效模式
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影響機(jī)理
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濕度
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絕性能降低、潮解
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水汽吸附、吸收、擴(kuò)散導(dǎo)致PCB表面和體積絕緣電阻下降
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腐蝕
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不同電位金屬連接，發(fā)生電化學(xué)腐蝕
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離子遷移
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ECM和CAF
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晝夜溫差大的地區(qū)、溫度變化快或雨霧多的山區(qū)容易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。對(duì)有空腔體的密封或半密封元器件，水汽進(jìn)入內(nèi)部在溫度變化時(shí)更容易產(chǎn)生凝露。對(duì)于一些間歇性工作的產(chǎn)品，如果晚上關(guān)機(jī)處于冷態(tài)，早晨開(kāi)機(jī)時(shí)可能由于環(huán)境溫濕度較高也會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象。凝露的本質(zhì)是物體的表面溫度低于當(dāng)前空氣的露點(diǎn)溫度。凝露對(duì)產(chǎn)品的主要影響有電氣短路、絕緣強(qiáng)度下降、電化學(xué)腐蝕（由于凝露有富氧特征，所以凝露將比高濕環(huán)境更容易加速腐蝕）。
氣壓與海拔高度有密切的關(guān)系。通常在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的情況，但是在高海拔的地區(qū)由于空氣密度降低，產(chǎn)品散熱性能將顯著下降。因此在熱設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)要留有足夠的裕量，發(fā)熱器件要有更大的降額。隨著氣壓的降低，產(chǎn)品的電暈電壓會(huì)減小，外絕緣強(qiáng)度降低。一般情況下，電子產(chǎn)品在海拔0～5 000 m范圍內(nèi)，氣壓降低12 ％（相當(dāng)于海拔升高1 000 m），其電暈電壓和外絕緣強(qiáng)度降低8～13 ％。
表5 氣壓與海拔高度的關(guān)系及影響機(jī)理
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氣壓（KPa）
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對(duì)應(yīng)高度（m）
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影響機(jī)理
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1
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31 200
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空氣密度降低
散熱性能降低
密封性能降低
絕緣性能降低
機(jī)械部件潤(rùn)滑失效磨損增加
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2
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26 600
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4
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22 100
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8
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17 600
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15
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13 600
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25
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10 400
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40
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7 200
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55
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4 850
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70
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3 000
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84
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＜1 000
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沙塵標(biāo)準(zhǔn)定義塵為直徑小于 150 um，沙是直徑150～850 um的固體顆粒物，沙塵濃度最大6 g/m3。自然界中存在的沙塵主要成分一般有兩種，紅瓷土和石英粉（含97～99 %的SiO2）?；覊m樣品的化學(xué)組成受各種不同來(lái)源的灰塵顆粒的影響。主要包括交通排放(特征元素為Zn、Sb、Pb、Cu)、工業(yè)污染(鐵族元素組合Fe、Mn、Cr、Ti是典型的鋼鐵企業(yè)污染元素)、建筑材料及廢棄物。沙塵的顆粒性質(zhì)不同，對(duì)產(chǎn)品的影響也有所差別（詳見(jiàn)表6）。沙塵按照其成分對(duì)產(chǎn)品可靠性影響又可以分為非吸濕性導(dǎo)電塵、吸濕性導(dǎo)電塵和導(dǎo)電粉塵。
非吸濕性導(dǎo)電塵：非吸濕性導(dǎo)電塵對(duì)電源產(chǎn)品的影響就主要體現(xiàn)在表面磨蝕、堵塞散熱兩方面，這兩類影響大多不會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品失效，特別是在電源產(chǎn)品大多有過(guò)熱保護(hù)裝置的技術(shù)下，因此當(dāng)產(chǎn)品表現(xiàn)異常時(shí)，只要適當(dāng)清理一下產(chǎn)品灰塵，大多可恢復(fù)運(yùn)行。
吸濕性導(dǎo)電塵：顆粒直徑≤2.5 μm的粉塵被稱為“細(xì)塵”，顆粒直徑＞2.5 μm的粉塵被稱為“粗塵”。細(xì)塵的主要成分：在戶外環(huán)境中，水溶性鹽占細(xì)塵重量百分比多達(dá)50 %；在室內(nèi)環(huán)境中，雖然細(xì)塵總量比戶外環(huán)境低，但水溶性鹽占細(xì)塵重量百分比遠(yuǎn)大于50 %。隨著時(shí)間的累積，這類吸濕性導(dǎo)電塵會(huì)沉積在設(shè)備PCBA表面，其中的水溶性鹽會(huì)大大降低產(chǎn)品絕緣特性，腐蝕產(chǎn)品器件，特別是產(chǎn)品進(jìn)風(fēng)口處的PCB走線、過(guò)孔、器件焊盤、表貼電阻等，輕則產(chǎn)品直接保護(hù)關(guān)機(jī)，重則功率管異常開(kāi)通引起炸機(jī)或者直接拉弧，尤其是在相對(duì)濕度高于40 %的環(huán)境中。
由于工業(yè)環(huán)境涉及的領(lǐng)域繁多，能源、電力、鋼鐵、交通運(yùn)輸（隧道、鐵路、船舶）中既會(huì)不可避免地會(huì)遇到大量吸濕性導(dǎo)電塵的場(chǎng)合，又因?yàn)楣I(yè)行業(yè)的環(huán)境比較惡劣，相對(duì)濕度常常達(dá)到40 %RH以上，高則90 %RH以上，故這類吸濕性導(dǎo)電塵的腐蝕效應(yīng)和漏電流效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)，從而大大降低電源產(chǎn)品的可靠性。
出現(xiàn)腐蝕效應(yīng)的實(shí)質(zhì)為金屬遷移，這樣的腐蝕一旦發(fā)生，PCB走線、過(guò)孔、貼片電阻、插裝器件引腳、焊盤等都會(huì)難逃此劫，隨著產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，腐蝕程度越深，直至產(chǎn)品最終失效。其次，這類吸濕性導(dǎo)電塵的漏電流效應(yīng)也不容忽視，在此效應(yīng)的影響下，回路中的電阻阻值會(huì)隨著相對(duì)濕度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)濕度增到到一定程度，電阻接近短路，見(jiàn)圖1，不但影響電氣絕緣性能，也影響產(chǎn)品電路的邏輯功能，大部分電源產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作等失效現(xiàn)象。
導(dǎo)電粉塵：在工業(yè)環(huán)境運(yùn)用中，導(dǎo)電粉塵不可忽視，它存在于大量工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境中。導(dǎo)電粉塵主要包括金屬及某些金屬氧化物，主要來(lái)源于金屬加工行業(yè)和金屬的冶煉行業(yè)；導(dǎo)電纖維，包含金屬導(dǎo)電纖維、碳纖維和化學(xué)鍍層導(dǎo)電纖維，主要來(lái)源于電磁屏蔽、防靜電和接地場(chǎng)合；以及炭粉導(dǎo)電塵，是有機(jī)物（天然氣、重油、燃料油、煤炭等）在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或烴類受熱分解而得的產(chǎn)物碳黑（如干電池用到的炭黑、如汽車尾氣中含有自由碳）。其對(duì)電源產(chǎn)品的主要影響為絕緣電阻降低，引起打火、拉?。恍纬啥搪吠?，引起器件燒毀，炸機(jī)。
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顆粒性質(zhì)
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舉例
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磁性
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鐵粉、鐵氧粉
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加速聚集、導(dǎo)通短路、引起磁性器件參數(shù)變化造成設(shè)備故障
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如馬達(dá)、風(fēng)扇停轉(zhuǎn)、變壓器參數(shù)變化、短路拉弧炸機(jī)
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熱傳導(dǎo)
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灰塵
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引起制冷或散熱設(shè)備過(guò)熱，進(jìn)而引起產(chǎn)品故障
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如散熱器聚集灰塵影響散熱
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電傳導(dǎo)
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金屬粉塵、石墨粉、煤灰
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短路、漏電流、阻抗增大
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金屬粉塵；灰塵吸濕；觸電阻抗增大
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粘著性
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煤焦油
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增大絕熱性、高壓放電
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如地鐵隧道油污、煤焦油等
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化學(xué)性
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吸濕性導(dǎo)電塵
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吸濕后造成電化學(xué)腐蝕
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PCBA器件、走線腐蝕
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磨損性
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灰塵
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移動(dòng)部件機(jī)械磨損
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風(fēng)機(jī)磨損
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環(huán)境因素
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環(huán)境條件
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影響機(jī)理
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吹塵(＜150 um)
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揚(yáng)沙天氣，風(fēng)速：1.5～8.9 m/s
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表面磨蝕
開(kāi)口或過(guò)濾裝置阻塞
靜電荷積累放電
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吹沙(150～850 um)
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沙塵暴天氣，風(fēng)速：18～29 m/s
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降塵(≤105 um)
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地區(qū)
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每天沉積(g/m2)
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加速系數(shù)
(with 6 g/m2/day)
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散熱不良引起過(guò)熱或著火
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鄉(xiāng)村郊區(qū)
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0.01 ~0.36
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600 ~ 17
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市區(qū)
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0.36 ~1.00
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17 ~ 6
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工業(yè)區(qū)
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1.00 ~ 2.00
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6~3
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表8 吸濕性導(dǎo)電塵成分及影響機(jī)理
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環(huán)境因素
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主要成分
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環(huán)境條件
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影響機(jī)理
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細(xì)塵
（≤2.5 μm）
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Na鹽、Ka鹽、NH3鹽、Cl鹽（AgCl除外）、HNO3鹽、H2SO4鹽（MgSO4、Ca SO4微溶；BaSO4不溶）、碳酸氫根HCO3-鹽、硫HSO4-鹽
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相對(duì)濕度＞40 %
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形成漏電流，造成電路發(fā)生“參數(shù)漂移”，尤其對(duì)采樣電路中的高阻有影響
降低產(chǎn)品的相對(duì)漏電起痕指數(shù)（CTI），導(dǎo)致高壓部位拉弧放電
加速對(duì)材料、器件、PCB等的腐蝕
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粗塵
(＞2.5μm)
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圖1 電阻沉積吸濕性導(dǎo)電塵后阻值在濕度條件下的阻值變化
鹽霧是指大氣中由含鹽微小液滴所構(gòu)成的彌散系統(tǒng)。海洋運(yùn)輸、海島或近海使用環(huán)境下，在空氣中有鹽霧的存在，鹽霧中的主要成分為NaCl，而NaCl的溶液中是以Na+和Cl－的形態(tài)存在的。而在內(nèi)陸鹽場(chǎng)、鹽堿地等使用場(chǎng)合，其環(huán)境中含鹽大氣的組成近似等同于天然海水的構(gòu)成成分。鹽霧腐對(duì)電源產(chǎn)品長(zhǎng)期使用的可靠性會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝要考慮必要的防護(hù)措施。
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環(huán)境因素
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環(huán)境條件
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影響機(jī)理
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鹽霧顆粒
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一般在2 um以下
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沉降電路板上可能造成短路失效
金屬部件受到腐蝕
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鹽霧濃度
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海洋上空5.00 mg/m3
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日沉降量
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海島和沿海地區(qū)8～90 mg/(m2*day)
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工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境中常有腐蝕性氣體的出現(xiàn)，腐蝕性氣體的來(lái)源包括煉焦廠、水泥廠、火力發(fā)電廠和化工廠等耗能企業(yè)燃燒排放的污染物，各生產(chǎn)過(guò)程中的排氣(如煉焦廠向大氣排放H2S、酚、苯、烴類等有毒物質(zhì)；各類化工廠向大氣排放具有刺激性、腐蝕性、異味性或惡臭的有機(jī)和無(wú)機(jī)氣體。)以及生產(chǎn)過(guò)程中排放的金屬粉塵和各種礦物。而腐蝕性氣體主要成分可能會(huì)有 Cl2 、H2S、NO2、SO2等，它們對(duì)產(chǎn)品的影響主要是與濕度、溫度等因素綜合發(fā)生作用，可導(dǎo)致金屬腐蝕、塑料橡膠老化變形等。
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污染物種類
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來(lái)源
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影響
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相對(duì)濕度
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>50 %就會(huì)加速腐蝕;
>80 %造成損害(即使很小的氣體濃度)
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使污染物產(chǎn)生的腐蝕作用成指數(shù)方式增長(zhǎng)
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無(wú)機(jī)氯化物
（如Cl2)
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主要產(chǎn)生于海水、漂白清洗行業(yè)、冷卻塔蒸汽等
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引起銅、錫、銀和鐵及鐵合金 等腐蝕
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活性硫化物
（如H2S）
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主要產(chǎn)生于地表火山、垃圾焚燒、石化行業(yè)、造紙行業(yè)、含硫加工廠
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引起銅、鋁、銀和鐵及鐵合金腐蝕（不需要濕度）
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氧化硫
（SOx）
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主要產(chǎn)生于含硫物質(zhì)燃燒，化工行業(yè)
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低濃度能使金屬造成鈍化起到保護(hù)，高濃度的能造成石漿、金屬、橡膠、塑料腐蝕
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氮氧化合物（NxOx）
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主要來(lái)源于礦物燃料燃燒
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Cl，S元素腐蝕金屬時(shí)起催化作用，主要影響銅和銅的合金
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氨水及其衍生物（NH3）
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主要來(lái)源于化肥廠、化工廠、農(nóng)業(yè)肥料和植物中
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銅和銅合金極易被腐蝕
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強(qiáng)氧化劑 （O3)
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主要來(lái)源于大氣，空間輻射等
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Cl，S元素腐蝕金屬時(shí)起催化作用主要影響為銅和銅的合金、橡膠和塑料
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工業(yè)領(lǐng)域的電源產(chǎn)品長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，有機(jī)材料容易受到霉菌滋生的危害。影響機(jī)理是影響外觀，如果絕緣材料（如電線的絕緣層）成為其生長(zhǎng)基質(zhì)，甚至影響到產(chǎn)品的電氣安全性能。因此選擇材料時(shí)要考慮相關(guān)的影響。太長(zhǎng)需要考慮溫濕度的控制，選擇相關(guān)憎水性有機(jī)材料。
其次是動(dòng)物對(duì)于電源產(chǎn)品的影響，在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)外部的顏色應(yīng)避免對(duì)野生動(dòng)物有刺激性的色系，防止來(lái)自野生動(dòng)物對(duì)設(shè)備的破壞。設(shè)備的如散熱開(kāi)孔設(shè)計(jì)，需要考慮防止蛇、鼠、蟑螂等小動(dòng)物的進(jìn)入。
針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)合，可以進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)、單板布局、控制濕度和涂覆防護(hù)漆等方式來(lái)進(jìn)行防護(hù)。由于工業(yè)環(huán)境的高度復(fù)雜性，單一的環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的要求，必須從整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單板工藝設(shè)計(jì)以及電氣設(shè)計(jì)的全方位綜合考慮，綜合治理。限于篇幅，本文僅對(duì)工業(yè)環(huán)境中可能遇到的單一環(huán)境因素對(duì)電源產(chǎn)品的影響作了概況，還有很多組合環(huán)境因素也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。對(duì)于這種特殊的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)品，如何設(shè)計(jì)才能滿足產(chǎn)品可靠的運(yùn)行，還有待進(jìn)一步更全面的研究分析。
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