以環(huán)境應(yīng)力篩選為對象，分析了環(huán)境應(yīng)力篩選中結(jié)露的發(fā)生和危害，研究了如何通過濕度控制避免或減少環(huán)境應(yīng)力篩選過程中的結(jié)露，提出了基于干空氣自動補(bǔ)償加壓的解決方案?，F(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方案的可行性。
環(huán)境應(yīng)力篩選中凝聚現(xiàn)象的產(chǎn)生
在武器裝備、軍民用產(chǎn)品、元器件、板級和單元級模塊的環(huán)境應(yīng)力篩選中，當(dāng)溫度快速上升時，容易在產(chǎn)品上引起結(jié)露等物理現(xiàn)象，并由此產(chǎn)生:吸附、吸收、擴(kuò)散、呼吸。冷凝現(xiàn)象與產(chǎn)品使用的材料、空腔的大小、加熱和冷卻的速度、相對濕度、箱內(nèi)的氣壓和空氣流速有關(guān)。當(dāng)試驗(yàn)箱中的環(huán)境溫度升高時，由于熱慣性，產(chǎn)品表面的溫度低于環(huán)境溫度。當(dāng)濕熱的環(huán)境空氣在露點(diǎn)以下與產(chǎn)品表面相遇時，空氣中的水蒸氣會在表面凝結(jié)形成露珠。如果產(chǎn)品是密封的，當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度降時，產(chǎn)品外殼內(nèi)壁溫度下降的速度會比腔內(nèi)空氣下降的速度快，腔內(nèi)濕熱的空氣也會在產(chǎn)品外殼內(nèi)壁凝結(jié)成露珠。因?yàn)榇蟛糠之a(chǎn)品沒有全密封，所以冷凝現(xiàn)象一般出現(xiàn)在加熱階段。
應(yīng)力篩選中凝聚現(xiàn)象的危害
通常情況下，純冷凝水不足以造成產(chǎn)品故障。但在環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱中，冷凝水會與其他因素融合產(chǎn)生物理/化學(xué)效應(yīng)，從而影響產(chǎn)品的安全性和質(zhì)量，如金屬氧化/電化學(xué)腐蝕、有機(jī)和無機(jī)表面涂層的化學(xué)或電化學(xué)破壞、摩擦系數(shù)變化引起的粘連或粘連、吸收效應(yīng)引起的材料膨脹、物理強(qiáng)度降、電氣短路等。引起的典型故障故障如表1所示。
表1濕度環(huán)境對產(chǎn)品的典型影響下圖顯示了應(yīng)力篩選過程中的失敗示例:
(a)焊點(diǎn)生銹(b)芯片變色(c)器件上的銹斑(b)網(wǎng)狀器件生銹圖1應(yīng)力篩選期間的故障示例
在環(huán)境應(yīng)力篩選中，控制結(jié)露的發(fā)生是避免非測試因素引起的結(jié)露導(dǎo)致失效的基本要求。
環(huán)境應(yīng)力篩選中的濕度控制
1)溫度箱防結(jié)露方法分析
在環(huán)境應(yīng)力篩選中，被測產(chǎn)品表面結(jié)露的根本原因是被測產(chǎn)品表面溫度低于溫度箱中空氣的露點(diǎn)。那么，有幾種可能的方法來防止測試產(chǎn)品表面的冷凝:
(1)改善箱內(nèi)氣體的循環(huán)，使溫度箱內(nèi)被測產(chǎn)品的溫度始終與箱內(nèi)氣體的溫度變化同步，被測產(chǎn)品的溫度與箱內(nèi)氣體的溫度相差很小，不足以引起被測產(chǎn)品表面結(jié)露。
(2)采取適當(dāng)措施，使箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)上升速度滯后于被測產(chǎn)品表面的升溫速度，使箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)始終低于被測產(chǎn)品表面的溫度，防止被測產(chǎn)品表面結(jié)露。
(3)控制箱內(nèi)氣體的jue對濕度使得箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)始終低于箱內(nèi)氣體的下限溫度，從而避免了被測產(chǎn)品表面的結(jié)露。
在上述控制途徑中，途徑(1)的難度很大，因?yàn)楸粶y產(chǎn)品的材質(zhì)、體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)都有很大差異，不同被測產(chǎn)品的熱慣量也有很大差異。在箱內(nèi)氣體溫度變化率確定的情況下，很難保證所有被測產(chǎn)品的溫度變化率與箱內(nèi)氣體的溫度變化率相同，被測產(chǎn)品與箱內(nèi)氣體的溫差很小，這在工程上很難實(shí)現(xiàn)。采用方法(2)和(3)是可行的。當(dāng)我們試圖降箱內(nèi)氣體的jue對濕度時，可以有效地降箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)，從而保證被測產(chǎn)品的溫度高于箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)，防止被測產(chǎn)品表面結(jié)露。
經(jīng)過對環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)驗(yàn)的長期觀察，我們發(fā)現(xiàn)影響溫度箱中氣體露點(diǎn)變化的主要因素有兩個:
(1)環(huán)境濕度:環(huán)境濕度高時，箱內(nèi)容易發(fā)生結(jié)露。
(2)箱體的密封性:箱體密封性越好，環(huán)境濕度對箱內(nèi)氣體的影響越小。
環(huán)境濕度是不可控因素，由于工作需要或工程原因，機(jī)柜很難做到j(luò)ue對密封。一般溫箱內(nèi)外都有不可避免的氣體交換，這是一般溫箱防結(jié)露的難點(diǎn)。為了克服環(huán)境濕度通過箱間隙對箱內(nèi)氣體露點(diǎn)的影響，本文認(rèn)為應(yīng)向箱內(nèi)通入一定流量的干燥空氣，使箱內(nèi)氣壓高于箱外大氣壓，可防止箱外水汽進(jìn)入箱內(nèi)， 從而保證箱內(nèi)氣體的露點(diǎn)低于待測樣品的表面溫度。
2)溫箱內(nèi)氣體jue對濕度的影響因素
影響罐內(nèi)氣體露點(diǎn)的基本因素是罐內(nèi)氣體的相對濕度和氣體壓力。但當(dāng)箱內(nèi)氣體的jue對濕度為零或很低時，箱內(nèi)氣體不會在溫度下限以上凝結(jié)。箱內(nèi)jue對濕度與箱內(nèi)氣體初始含水量、干空氣補(bǔ)充速率、箱內(nèi)外氣體交換速率等因素有關(guān)。下面具體分析一下箱內(nèi)氣體jue對濕度的幾個影響因素:
干燥空氣的置換速度
假設(shè)進(jìn)入溫度箱的干燥空氣能與箱內(nèi)原始?xì)怏w瞬間混合均勻，其中f1為任意時刻的jue對含水量(g/kg)，f0為初始jue對含水量(g/kg)，V為箱的容積，Q為干燥空氣的進(jìn)氣量(m3/s)，T為時間(s)。于是；罐內(nèi)氣體的含水量f1的變化滿足下列微分方程:
求解等式(1)給出:
考慮到箱內(nèi)干燥空氣與原始?xì)怏w混合需要一定時間等因素，公式(2)可修改為:
類型:
T-修正系數(shù)，與干燥空氣的流量、箱體的尺寸和結(jié)構(gòu)、箱體的密封性能有關(guān)。
可以看出，當(dāng)一定體積的溫箱內(nèi)氣體的含水量通過置換干燥空氣而降時，箱內(nèi)氣體的含水量呈指數(shù)變化。箱內(nèi)氣體的水分含量越低，水分含量降的速度越慢。為了盡快降箱內(nèi)氣體的jue對濕度，應(yīng)增加干燥空氣的進(jìn)氣量Q。
箱內(nèi)溫度變化
箱內(nèi)空氣溫度的變化在箱內(nèi)有兩個作用:改變箱內(nèi)氣壓和改變箱內(nèi)氣體的相對濕度。這兩種影響終會影響到罐內(nèi)外水汽的交換。
假設(shè)加速箱密封，P0為箱內(nèi)初始?xì)鈮?大氣壓)，箱內(nèi)氣體初始質(zhì)量為m0，T0為初始溫度，那么一定體積V0的氣體，氣壓P與氣體質(zhì)量M和溫度T的關(guān)系如下:
通過公式(4):
為防止箱外水汽進(jìn)入箱內(nèi)，箱內(nèi)氣壓會發(fā)生變化△P1=P-P0≥0。
當(dāng)罐內(nèi)氣體冷卻后，將立即實(shí)現(xiàn)△ T < 0和△ M > 0。因此，必須向箱內(nèi)加入至少△m的相同溫度的干燥空氣，才能使箱內(nèi)氣壓大于外界大氣壓P0。
從以上分析可以看出，當(dāng)箱內(nèi)溫度降時，為了防止箱外的水蒸氣進(jìn)入箱內(nèi)，必須向箱內(nèi)充入足夠量的干燥空氣，充入的干燥空氣量必須滿足:△ m > (m/t)。∣△·∣.
儲罐中氣體流量的變化
罐內(nèi)氣體流量的變化影響罐內(nèi)氣壓的不均勻分布，可使罐內(nèi)局部區(qū)域相對罐外大氣壓產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，加速罐外水蒸氣進(jìn)入罐內(nèi)。
忽略罐內(nèi)氣體密度的變化，罐內(nèi)氣體速度V與氣體壓力P的關(guān)系為:
因此，氣流引起的壓力變化△P2為:
可以看出，盒內(nèi)氣體流速快的地方，氣壓就低，在這個氣壓小于大氣壓的區(qū)域就容易出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。因此，箱體中心區(qū)域的靜壓p應(yīng)滿足P > P∣△ P2 ∣的要求，以保證箱體內(nèi)的氣體不會出現(xiàn)低于外界大氣壓的負(fù)壓區(qū)，從而防止外界空氣通過縫隙使水蒸氣進(jìn)入箱體內(nèi)。
3)溫箱中氣體濕度控制的實(shí)驗(yàn)和結(jié)論
假設(shè)所選溫度的上下限為(-10∽+50)℃。為確保溫度箱中無冷凝，必須確保兩個條件:
①試驗(yàn)初始狀態(tài)下試驗(yàn)箱內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度高于-10℃，jue對含水量為1.59g/kg，即室溫下溫度達(dá)到25℃，相對濕度為8%。
確保試驗(yàn)初始狀態(tài)下試驗(yàn)箱內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度高于-10℃。通常，干燥空氣被注入試驗(yàn)箱。干空氣機(jī)處理的空氣干燥度一般可達(dá)25℃，相對濕度1%，jue對含水量0.19 g/kg，露點(diǎn)溫度可達(dá)-35℃。根據(jù)公式(2)或公式(3)估算補(bǔ)充干燥空氣所需的時間。
②試驗(yàn)時，保證箱內(nèi)空氣不與外界空氣交換，避免試驗(yàn)箱外含水量高的濕空氣進(jìn)入箱內(nèi)，以保證箱內(nèi)氣體的jue對含水量控制在一定限度以下。
為了滿足條件②，有必要確保試驗(yàn)箱中的氣壓始終高于環(huán)境氣壓。影響氣壓變化的主要因素是溫度變化、恒溫室內(nèi)的風(fēng)速和外界干燥空氣的補(bǔ)充速度。通過補(bǔ)充干燥空氣來調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣體，我們可以用公式(5)和公式(7)來估算在一定的溫度變化率和氣體流量下補(bǔ)充干燥空氣的流量。
為了驗(yàn)證本文理論分析的有效性和可行性，我們在1立方米的常規(guī)快速變溫箱和密封處理的低壓箱中進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn):
1)干空氣置換實(shí)驗(yàn)及其作用
空氣干燥器處理的空氣干燥度為25℃，相對濕度為0.01%。處理后的干燥空氣以160L/min的速度注入1立方米的濕熱試驗(yàn)箱，2小時后只能達(dá)到30℃，15%RH(見圖2，露點(diǎn)溫度為0℃)。理論上30分鐘內(nèi)可以達(dá)到25℃，相對濕度0.1。
干燥空氣置換不足有兩個原因。一，干燥空氣進(jìn)入箱體，沒有能混合就排出，因?yàn)檫@是一個逐漸混合-排出的循環(huán)過程，耽誤了干燥時間。第二，箱體密封不好，干燥空氣的流量不夠小，使有縫隙的地方向外排出，有縫隙的地方會有一部分流入箱體，而干燥空氣的流量很難大，所以第二個原因是主要因素。要解決這個問題，先分析一下盒子的結(jié)構(gòu)，盒子里有很多不密封的因素:
防止氣壓上升的壓力平衡孔、加濕水系統(tǒng)管道、測試用預(yù)留引線孔、軸流風(fēng)機(jī)軸處的密封、制冷蒸發(fā)器管道處的密封、門的密封等。排除上述因素后，低壓箱體結(jié)構(gòu)按上述條件1小時后會達(dá)到常溫27℃，相對濕度0%(見圖3)，可見箱體的密封性直接影響初始狀態(tài)下的干空氣處理作用。
圖2達(dá)到30℃，15%RH圖3達(dá)到27℃，0%RH2)增加箱內(nèi)氣壓防止水汽進(jìn)入箱內(nèi)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
試驗(yàn)前用干燥空氣代替試驗(yàn)箱內(nèi)的潮濕空氣，還需要保證試驗(yàn)箱外的潮濕空氣不會再次進(jìn)入試驗(yàn)箱，使試驗(yàn)箱內(nèi)露點(diǎn)溫度足夠高，防止結(jié)露。這就要求試驗(yàn)箱內(nèi)氣流交換間隙中的氣壓始終高于環(huán)境大氣壓。一組循環(huán)期間，未注入干燥空氣和注入隔水管的壓力對比見圖4和圖5。
圖4 10℃，15%露點(diǎn)溫度只能達(dá)到-5℃圖5 -10℃，3.4%，露點(diǎn)溫度為-40℃，濕度控制工程設(shè)計(jì)在jue對環(huán)境應(yīng)力篩選。
經(jīng)過長期的實(shí)驗(yàn)分析和研究，為防止環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中的結(jié)露，有必要在幾個方面改進(jìn)設(shè)計(jì):
1)試驗(yàn)箱門密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)低壓盒的結(jié)構(gòu)形式，密封和強(qiáng)度設(shè)計(jì)可以降強(qiáng)度。同時，門只考慮了負(fù)壓下門的密封性能好，正壓下密封性能差。因此，需要設(shè)計(jì)門的密封結(jié)構(gòu)，減少注入的干燥空氣的損失，防止箱內(nèi)正壓難以保持而引起的內(nèi)外空氣交換。
2)濕度控制設(shè)計(jì)
考慮到溫度上升時需要降壓力以保持箱內(nèi)壓力不太高，也需要有排氣位置以防止產(chǎn)品因壓力過大而損壞，溫度下降時需要增加壓力以保持箱內(nèi)壓力不太低，需要補(bǔ)充干燥空氣以避免低壓將箱外濕空氣吸入箱內(nèi)造成濕度增加。經(jīng)驗(yàn)表明，試驗(yàn)箱內(nèi)壓力比試驗(yàn)箱外壓力高2kPa，對設(shè)備產(chǎn)品沒有影響。因此，試驗(yàn)箱箱體設(shè)計(jì)有兩個壓力平衡裝置，可以控制以防止壓力上升/下降。一個裝置用于高溫降至低溫時補(bǔ)充干氣，另一個裝置用于低溫升至高溫時排出膨脹氣體。
在壓力平衡裝置的盒端增加一個壓力傳感器，在控制面板上擴(kuò)展壓力測試界面，設(shè)置公差范圍。當(dāng)超過公差時，給電磁閥一個開關(guān)信號以排氣/充氣，并確保壓力始終高于環(huán)境大氣壓力2kPa。
試驗(yàn)箱內(nèi)安裝集成溫濕度傳感器，控制面板上擴(kuò)展?jié)穸葴y試界面。試驗(yàn)前對干燥空氣進(jìn)行預(yù)處理，可以觀察到試驗(yàn)箱內(nèi)的濕度可以達(dá)到常溫，濕度為0。延30分鐘后，會發(fā)出聲音提示。只有在干燥處理完成后，工作人員才能開始測試。此外，測試過程中可以實(shí)時監(jiān)控試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度和濕度，保證試驗(yàn)箱內(nèi)空氣干燥。
3)增加一臺空氣壓縮機(jī)和空氣干燥處理器。
處理能力可達(dá)100L/min，jue對含水量約為0。預(yù)處理過程中，試驗(yàn)箱內(nèi)的濕空氣由電磁閥控制，當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)壓力達(dá)不到時，加入干燥空氣增加試驗(yàn)箱內(nèi)壓力。它由控制器編程和控制。干空氣注入的濕度達(dá)到0，延時1小時后，表示可以進(jìn)行正式試驗(yàn)。測試過程中，電磁閥由壓力檢測信號控制，以保證測試室內(nèi)的正壓。
