温度冲击试验标准的介绍和分析

　　1 前言
　　温度冲击试验可用于考核产品对周围环境温度急剧变化的适应性，是装备设计定型的鉴定试验和批生产阶段的例行试验中不可缺少的试验项目，在有些情况下也可用于环境应力筛选。可以说，它在验证和提高装备的环境适应性方面应用的频度仅次于振动与高低温试验。本文对这二个标准中的这一试验项目进行对比分析。
　　2 试验目的和应用对象
　　表1列出了二个系列标准中温度冲击试验的目的和应用对象
　　标准号
　　名称
　　目的
　　应用产品
　　MIL-STD-8010F第二部分方法503.4
　　环境工程考虑和实验室试验第Ⅱ部分实验室试验方法 温度冲击程序1.恒定极值温度冲击程序2.基于高温循环的冲击
　　确定装备能否经受其周围大气温度的急剧变化，而不产生物理损坏或性能下降。＂急剧变化＂定义为＂大于10℃/min＂
　　元部件，设备
　　GB 2423
　　电工电子产品环境试验规程 温度变化试验方法Na 规定转换时间的快速温度变化试验Nb 规定温度变化速率的温度变化试验Nc 两液槽温度快速变化试验
　　确定原件、设备和其它产品经受环境温度迅速变化的能力
　　元器件、设备和其它产品
　　2.1试验目的
　　二个系列标准中温度冲击试验叙述的试验目的基本一致，只是表达方式略有区别。应当指出，这种表达方式比较含糊和笼统。实际上温度冲击试验作为一种工具，应用在产品研制生产的不同阶段时其目的是不同的。工程研制阶段可用于发现产品的设计和工艺缺陷；产品定型或设计鉴定和批产阶段用于验证产品对温度冲击环境的适应性，为设计定型和批产验收决策提供依据；作为环境应力筛选应用时，目的是剔除产品的早期故障。
　　2.2应用介质
　　MIL-STD-810F的温度冲击试验中规定使用的介质限于空气，而GB 2423温度变化试验中的，Na、Nb使用的介质也为空气。Ne试验使用的介质是液体。使用什么样的介质主要取决于产品实际寿命期内遇到的介质类型。显然使用液体作为介质进行的温度冲击试验更为严酷。
　　3 对试验设备的要求
　　表2列出了二个系列标准中温度冲击试验对试验箱的要求，由于都是属于温度试验的范畴，因此其对温度冲击试验箱的要求与对温度试验箱的要求类似，其主要区别是增加了温度冲击试验中开箱放入试验样品后试验箱内空气温度恢复到规定试验温度的时间要求。下面对各种要求作一说明。
　　表2二个系列标准中温度冲击试验对试验设备要求
　　标准
　　风速（m/s）
　　绝对湿度（g/m³）
　　箱壁温度与试验温度差
　　恢复时间
　　GB2423.22
　　2
　　≤20
　　≤3%（高温）≤8%（低温）
　　≤试验时间的10%
　　MIL-STD-810F 方法503.4
　　1.7
　　-
　　未明确规定
　　≤5min
　　3.1 风速要求
　　从表2可看出，温度冲击试验箱内的风速均要求小于等于2m/s。这一要求是要确保受试产品在试验中不会因受到过高的气流作用，产生与实际使用中差异过大的热传导。试验箱内有一定风速有利于箱内温度快速均匀，而风速过大则会导致受试产品受风面热交换远大于背风面而在产品内部产生不符台实际热传导的现象。
　　3.2 对试验箱空气温度恢复时间的要求
　　从表2可以看出，GB2423是小于等于试验时间（指产品达到温度稳定的时间）的10%，而MIL-STD-810F则明确小于等于5min。提出这一要求的目的在于要求试验箱有较大的热沉以确保受试产品真正经受温度突然冲击的环境。
　　3.3 对箱壁温度与试验温度的差值要求
　　表2中还规定了箱壁温度与试验温度的差值要求，这是为了避免因二者之间温差太大而造成过大的辐射加热效应，从而使受试产品产生温度不均匀。
　　4 试验条件
　　表3列出了二个系列标准的温度冲击试验的试验条件
　　标准
　　试验温度
　　保持时间
　　循环次数或冲击次数
　　转换时间
　　GB 2423
　　优先选择标准提供的系列温度值（高温从200℃至30℃10级，低温从-65℃至5℃共7级
　　3h、2h、1h、30min、10min（取决于产品的热容量），若有关标准未做规定，选3h
　　5次循环
　　2~3min
　　MIL-STD-810F 方法 503.4
　　按预计部署的情况剪裁确定
　　真实暴露时间或温度稳定时间（同样取决于产品的热容量）
　　1次、3次、3次以上冲击
　　尽量不大于1min，若大于5min则考虑本试验的必要性
　　4.1 试验温度
　　从表3看出，GB2423中对温度冲击试验上、下限不作明确规定，标准中给出了一系列的高、低温等级，具体上下限温度由使用者根据受试产品寿命期实际可能遇到的极端高低温，从相近的等级中选取。可见该标准中已经融入了一些剪裁思想，要求标准的使用者分析受试产品寿命期可能遇到的极端环境，作为其确定上，下限温度的根据，但是标准中推荐了试验温度等级，因此温度冲击的上下限值只能在这些等级中选取和组合，使试验温度得到适当的规范化和园整化。
　　MIL-STD-810F标准中不再规定试验温度，要求使用者按预计部署情况剪裁确定，标准中不给出具体的温度值或需要按其圆整化的标准温度等级。为了便于剪裁，810F中提供了针对以下几种情况确定上下限温度的方法。
　　a、装在飞机设备舱内的机载设备随飞机处于沙漠或热带地区环境，受日晒加热后飞机迅速起飞，几分钟后又处于所在飞行高度对应的极端低温中从而使该设备经受从热到冷的温度冲击。并适当考虑设备在机上位置，飞机飞行速度和环控系统工作对其周围温度的影响，最终确定模拟高空低温的低湿温度。地面高温极端温度则应根据当地的最高温度和金属壳体引起的致热辐射效应造成内部升温程度确定。
　　b、将设备用运输机空运并空投到沙漠地区。此时使设备经受从冷到热的冲击。由于飞机货舱内一般不空调、其内部运输的设备在高空遇到的温度与高空环境温度基本一致，设备空投到地面遇到的最高温度可以先从MIL-STD-810F高温试验方法表501.4-1和501.4-2中查取。若处于基本热区，空气的最高温度为43℃；若处于热区，空气最高温度为49℃，还要适当考虑地表放热产生的气温升高情况，最终确定温度冲击试验用的高温温度。
　　c、设备在寒冷地区从户外进入具备加热措施的仓库，维修场所或基地建筑物内，或者装入有加热措施的货舱。此时设备也是经受从冷到热的冲击。低温极端温度可根据MIL-STD-810F方法502《低温》中2.3.1节推荐的方法确定。
　　d、温度冲击试验还可用于工程研制阶段发现设计缺陷和环境应力筛选剔除早期故障，此时的高、低温极值则可根据其目的确定。一般采用极端温度或更加严酷的温度。
　　4.2 保持时间
　　个标准中对保持时间规定也有些微差别，原则上都是受试产品在试验温度下达到温度稳定所需的时间， GB 2423中给出10min到3h的5个时间等级，由使用方根据测得的产品温度稳定时间，采用与其最相近的时间作为保持时间；而MIL-STD-810F方法503.4中则不规定具体时间或可选时间等级，直接采用产品达到温度稳定的时间或产品在环境中真实暴露时间。在温度冲击试验中，最为关健的是建立起不同材料热胀冷缩不一致造成的应力。实际热冲击最可能发生在受试产品的外部，有关资料指出不必达到整个产品温度稳定，而只要受试产品外表面温度与试验温度一致就行。这一意见虽有一定道理，实施起来也有一定困难，因为不可能在产品表面安装许多传感器，此外，产品各部分传热能力不一致，受试产品内部邻近部件热容量也不一致，因此确定起来有难度。
　　4.3 循环次数或冲击次数
　　GB 2423分别规定了温度冲击循环次数为3次和5次，而MIL-STD-810F则要求应根据实际情况确定冲击次数，暴露在温度冲击环境中的可能性很小的设备只进行一次，无法确定未来实际经受多少次温度冲击时则至少3次或3次以上，若掌握实际使用中会经受到的冲击次数，应将其作为温度冲击试验中冲击的次数。
　　4.4 转换时间
　　二个标准对温度冲击试验的转换时间规定不一致。MIL-STD-810F方法503.4规定时间最短，仅为1min，GB 2423规定为2-3min。实际试验操作中，5min的转换时间显然是长了，不管是小受试产品人工搬运，还是大受试产品用专用装置搬运，实际时间都不会超过1min。MIL-STD-810F中规定1min虽然没有太大的科学依据，但确实比较合理。
　　5 温度冲击试验的起始冲击温度
　　虽然一般的试验标准中对温度冲击试验的起始温度不予提及或不做硬性规定，但这却是试验进行时必须考虑的问题，因为涉及到试验是结束在低温还是高温状态，这决定了是否需要对产品进行烘干，而导致延长试验时间。如果试验结束在低湿状态，受试产品从试验箱（室）内取出后，应在正常的试验大气条件下进行恢复，直至样品到达温度稳定，这一操作难免使试验样品表面产生凝露引入湿度对产品的影响。从而改变试验的性质。MIL-STD-810F与GB 2423中速两个标准中画的试验曲线图，都是从低温开始试验，可见以低温作为冲击起始温度，是更好的试验方法。
　　6 温度试验曲线