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      近日，工業(yè)電子五所劉俊邦團(tuán)隊以《電子控制器整機(jī)產(chǎn)品熱帶海洋環(huán)境影響效應(yīng)分析》為題在《環(huán)境技術(shù)》2024年第2期上發(fā)表最新研究內(nèi)容，第一作者為劉俊邦，通訊作者為張少鋒。

      為了研究電子控制器的熱帶海洋大氣環(huán)境效應(yīng)，選取西沙試驗站對電子控制器整機(jī)產(chǎn)品開展棚下自然環(huán)境試驗，試驗過程中每天對電子控制器通電2個小時，通電過程中利用上位機(jī)實時監(jiān)測電子控制器的功能性能，并采集控制器運(yùn)行參數(shù)和控制器機(jī)箱內(nèi)大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，定期對其宏觀形貌進(jìn)行檢查并拍照記錄。經(jīng)過2年試驗后，電子控制器外殼涂層出現(xiàn)脫落和起泡，機(jī)箱蓋板屏蔽條出現(xiàn)多處斷裂失效，機(jī)箱內(nèi)電路板未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，電子控制器通電測試功能性能正常，現(xiàn)有防護(hù)措施可有效保護(hù)內(nèi)部印制電路板與電子元器件，表現(xiàn)出良好的海洋環(huán)境適應(yīng)性。

引言

隨著電子元器件微小化與電路集成化的發(fā)展，高集成度的電子設(shè)備在各型裝備上均有廣泛應(yīng)用，具有運(yùn)算速度快、運(yùn)算量大以及能夠同時控制多個參數(shù)變化等等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)國家發(fā)展與國防需求，電子設(shè)備在極端環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性提出更高要求。

現(xiàn)有研究多集中于對電子設(shè)備開展實驗室加速環(huán)境試驗，針對海洋環(huán)境適應(yīng)性的環(huán)境適應(yīng)性試驗包括鹽霧、濕熱、高溫、太陽輻射等環(huán)境因素考察。實驗室的加速環(huán)境試驗需要考慮避免加速應(yīng)力水平過高導(dǎo)致裝備失效機(jī)理與實際服役狀態(tài)不一的問題。在鹽霧試驗中，國際電工委員會IEC60355:1971指出溫度的提高對腐蝕速度有明顯增強(qiáng)，因而GJB150.11A-2009和GJB 4.11-83中要求的溫度應(yīng)力是一樣，都為35℃。在濕熱試驗中，實驗室環(huán)境針對電子設(shè)備與整機(jī)產(chǎn)品多采用GJB150.9A-2009和GB 2423.4-2008作為試驗標(biāo)準(zhǔn)，試驗條件可根據(jù)裝備服役環(huán)境和試驗需求進(jìn)行剪裁。相比之下，電子設(shè)備整機(jī)產(chǎn)品在自然環(huán)境試驗方面的研究開展偏少，實驗室試驗的單一環(huán)境因素?zé)o法真實還原服役環(huán)境下的綜合環(huán)境效應(yīng)，現(xiàn)有研究對綜合環(huán)境效應(yīng)認(rèn)知不充分；對整機(jī)產(chǎn)品的服役工況模擬研究較為缺乏，試驗對象以材料級和部組件級產(chǎn)品為主。因此，在本研究中以熱帶海洋氣候的西沙試驗站為基礎(chǔ)，以電子控制器整機(jī)產(chǎn)品為研究對象，開展熱帶海洋自然環(huán)境暴露試驗，模擬裝備實際服役工況，設(shè)計試驗方案，分析電子控制器內(nèi)外部環(huán)境差別，采用機(jī)內(nèi)測試技術(shù)對電子控制器進(jìn)行檢測，研究極端自然環(huán)境因素對電子控制器的影響。

試驗部分

1、試驗樣件

選取模擬電子控制器樣機(jī)作為試驗對象，內(nèi)部的印制電路板與電路板上焊接的電子元器件涂覆三防漆，外部有蓋板屏蔽條與帶涂層的外殼保護(hù)，避免外部腐蝕介質(zhì)侵入，樣品如圖 1所示。

圖 1 電子控制器

2、試驗方法

西沙永興島在我國南海深處，北緯16度，全年高溫高濕，風(fēng)大浪高，島小且屏障少，空氣中鹽霧含量常年處于較高水平，屬于典型熱帶海洋氣候。西沙年平均溫度28℃，溫度最大值為34℃，年平均相對濕度82%，鹽霧沉降率3.025mg/(100cm².d)。因而選取西沙永興島作為電子控制器的自然環(huán)境試驗場地，考慮到電子控制器的使用環(huán)境一般在機(jī)箱內(nèi)部，極少直接暴露在戶外太陽輻射和降雨環(huán)境，因而為模擬電子控制器在熱帶海洋環(huán)境的服役工況與還原實際服役環(huán)境特點(diǎn)，選取西沙永興島棚下試驗場作為外場暴露環(huán)境，如圖 2所示。

圖2 西沙永興島棚下試驗場

在開展自然環(huán)境暴露試驗過程中，每天對控制器通電兩小時進(jìn)行檢測，以模擬實際服役工況，利用機(jī)內(nèi)測試技術(shù)測試電路系統(tǒng)和工作電路功能性能是否正常。在檢測中，主要針對電子控制器內(nèi)部溫濕度的監(jiān)測以及上電運(yùn)行中各個工作參數(shù)，包括環(huán)模擬溫度信號、模擬壓力信號、電磁閥驅(qū)動參數(shù)、電液伺服閥位置驅(qū)動參數(shù)。

試驗結(jié)果

1.外觀形貌變化

宏觀外觀上看，試驗件外殼的表面未出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，底面四角出現(xiàn)涂層起泡、脫落現(xiàn)象，如圖 3所示。將電子控制器的機(jī)箱蓋板打開，機(jī)箱蓋板的屏蔽條出現(xiàn)數(shù)處斷裂，對內(nèi)部印制電路板與元器件進(jìn)行觀察，與試驗前進(jìn)行對比，內(nèi)部的元器件未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，試驗過程中外殼和機(jī)箱蓋板屏蔽條起到了良好的密封作用。

圖 3 電子控制器試驗后外部外觀形貌

圖 4 電子控制器試驗前后內(nèi)部外觀形貌

2.電子控制器內(nèi)部環(huán)境

通過在電子控制器內(nèi)部安裝溫濕度傳感器，收集電子控制器在通電工作下的內(nèi)部環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，與外部自然環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。由于在熱帶海洋環(huán)境下，無明顯四季變化，常年高溫高濕，高鹽霧。通過收集西沙永興島十年的溫濕度數(shù)據(jù)，得到西沙永興島的年平均溫度27.6℃，年平均相對濕度78.8%，其年平均溫濕度，月平均溫濕度變化趨勢如圖 5所示。

圖 5 西沙永興島年、月平均溫濕度變化曲線

因而取電子控制器7月與11月在西沙永興島的試驗環(huán)境數(shù)據(jù)，分別代表熱帶海洋環(huán)境中夏季與冬季的工作狀態(tài)，并與外部環(huán)境進(jìn)行對比，如圖 6和圖 7所示。從圖中可看出，電子控制器在初始狀態(tài)下，其內(nèi)部環(huán)境溫度與外部相近，內(nèi)部環(huán)境相對濕度低于外部10%左右；在通電工作后，由于電子元器件工作發(fā)熱，且外殼的封閉作用，導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)境溫度快速上升，相對濕度明顯下降，在通電工作30分鐘后，內(nèi)部環(huán)境溫濕度趨向平衡狀態(tài)；在夏季月份，溫度穩(wěn)定在約56℃，冬季月份，溫度穩(wěn)定在約53℃；內(nèi)部環(huán)境相對濕度穩(wěn)定在約48%。與棚下環(huán)境溫濕度相比，電子控制器工作狀態(tài)下內(nèi)部溫度高出近25℃，相對濕度低30%以上。

圖 6 電子控制器內(nèi)部與外部溫濕度對比

圖 7 電子控制器通電工作后內(nèi)部溫濕度變化曲線

3.機(jī)內(nèi)測試

通過機(jī)內(nèi)測試，對電子控制器的電路系統(tǒng)進(jìn)行在線的故障自檢測，應(yīng)用上位機(jī)軟件模擬控制器實際工作時的電路狀態(tài)。在熱帶海洋自然環(huán)境棚下暴露試驗后，電子控制器在上位機(jī)軟件內(nèi)各個參數(shù)運(yùn)行正常，各參數(shù)含義與測量值如表 1所示，能夠穩(wěn)定上電以及記錄數(shù)據(jù)，測量參數(shù)在電子控制器工作狀態(tài)下保持穩(wěn)定，如圖8所示。

表 1 電子控制器測量參數(shù)

圖 8 電子控制器自然環(huán)境暴露試驗前后工作參數(shù)

分析與討論

電子控制器在熱帶海洋環(huán)境暴露試驗2年后，電子控制器的外殼涂層受到高溫高濕與鹽霧的影響，出現(xiàn)脫落、起泡等老化現(xiàn)象。這是由于在西沙棚下試驗場，長時間在高溫高濕與高鹽霧含量的環(huán)境下貯存，水與腐蝕介質(zhì)向有機(jī)涂層中擴(kuò)散以及涂層發(fā)生熱老化，水、腐蝕介質(zhì)、氧氣的三方作用下，涂層發(fā)生粉化、開裂等現(xiàn)象；進(jìn)一步導(dǎo)致外殼金屬與涂層界面發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層起泡、脫落。機(jī)箱蓋板屏蔽條在濕熱環(huán)境以及蓋板的壓力載荷下，其彈性性能退化，使其出現(xiàn)斷裂。其斷裂原因可能是在濕熱環(huán)境下，水向橡膠內(nèi)部擴(kuò)散，使橡膠分子鏈間的空隙增大，暴露出分子鏈上的薄弱區(qū)域，易受環(huán)境因素影響而被破壞。

相比之下，電子控制器內(nèi)部印制電路板與元器件未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，功能性能運(yùn)行正常。電子控制器內(nèi)部環(huán)境條件優(yōu)于外部環(huán)境，在未上電工作時，控制器內(nèi)部的溫度與外部試驗場相近，相對濕度明顯低于外部試驗場，說明外部環(huán)境空氣中的水氣難以進(jìn)入到控制器內(nèi)部，空氣中的鹽霧也被控制器外殼與機(jī)箱蓋板屏蔽條所阻擋。并且在上電工作狀態(tài)下，元器件工作的發(fā)熱量導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)境迅速升溫，降低了內(nèi)部環(huán)境的相對濕度。試驗結(jié)果說明電子控制器的密封性良好，控制器的外殼與機(jī)箱蓋板屏蔽條形成內(nèi)部封閉空間，能夠有效阻擋熱帶海洋環(huán)境對電子控制器內(nèi)部電路板與元器件的腐蝕。因此電子控制器在熱帶海洋環(huán)境下具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

結(jié)論

本研究通過對電子控制器開展熱帶海洋氣候自然環(huán)境試驗，收集了電子控制器的環(huán)境效應(yīng)，主要包括控制器的內(nèi)外部宏觀形貌，內(nèi)外部環(huán)境數(shù)據(jù)以及工作狀態(tài)下的參數(shù)，形成結(jié)論如下：

1）電子控制器在熱帶海洋環(huán)境因素影響下，其外殼的涂層出現(xiàn)明顯老化，出現(xiàn)起泡與脫落等現(xiàn)象, 機(jī)箱蓋板屏蔽條出現(xiàn)脆化斷裂。

2）電子控制器在試驗2年后，其功能性能正常，外殼與機(jī)箱蓋板屏蔽條使得控制器內(nèi)部形成良好的封閉環(huán)境，避免環(huán)境因素的影響。