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    電子控制器整機產品熱帶海洋環境影響效應分析

    嘉峪檢測網        2024-05-29 10:43

          近日,工業電子五所劉俊邦團隊以《電子控制器整機產品熱帶海洋環境影響效應分析》為題在《環境技術》2024年第2期上發表最新研究內容,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境效應,選取西沙試驗站對電子控制器整機產品開展棚下自然環境試驗,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實時監測電子控制器的功能性能,并采集控制器運行參數和控制器機箱內大氣環境數據,定期對其宏觀形貌進行檢查并拍照記錄。經過2年試驗后,電子控制器外殼涂層出現脫落和起泡,機箱蓋板屏蔽條出現多處斷裂失效,機箱內電路板未出現腐蝕現象,電子控制器通電測試功能性能正常,現有防護措施可有效保護內部印制電路板與電子元器件,表現出良好的海洋環境適應性。

     

    引言

     

    隨著電子元器件微小化與電路集成化的發展,高集成度的電子設備在各型裝備上均有廣泛應用,具有運算速度快、運算量大以及能夠同時控制多個參數變化等等優點。應國家發展與國防需求,電子設備在極端環境下的環境適應性提出更高要求。

     

    現有研究多集中于對電子設備開展實驗室加速環境試驗,針對海洋環境適應性的環境適應性試驗包括鹽霧、濕熱、高溫、太陽輻射等環境因素考察。實驗室的加速環境試驗需要考慮避免加速應力水平過高導致裝備失效機理與實際服役狀態不一的問題。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,因而GJB150.11A-2009和GJB 4.11-83中要求的溫度應力是一樣,都為35℃。在濕熱試驗中,實驗室環境針對電子設備與整機產品多采用GJB150.9A-2009和GB 2423.4-2008作為試驗標準,試驗條件可根據裝備服役環境和試驗需求進行剪裁。相比之下,電子設備整機產品在自然環境試驗方面的研究開展偏少,實驗室試驗的單一環境因素無法真實還原服役環境下的綜合環境效應,現有研究對綜合環境效應認知不充分;對整機產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,以電子控制器整機產品為研究對象,開展熱帶海洋自然環境暴露試驗,模擬裝備實際服役工況,設計試驗方案,分析電子控制器內外部環境差別,采用機內測試技術對電子控制器進行檢測,研究極端自然環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作為試驗對象,內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,避免外部腐蝕介質侵入,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境試驗場地,考慮到電子控制器的使用環境一般在機箱內部,極少直接暴露在戶外太陽輻射和降雨環境,因而為模擬電子控制器在熱帶海洋環境的服役工況與還原實際服役環境特點,選取西沙永興島棚下試驗場作為外場暴露環境,如圖 2所示。

    圖2 西沙永興島棚下試驗場

    在開展自然環境暴露試驗過程中,每天對控制器通電兩小時進行檢測,以模擬實際服役工況,利用機內測試技術測試電路系統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部溫濕度的監測以及上電運行中各個工作參數,包括環模擬溫度信號、模擬壓力信號、電磁閥驅動參數、電液伺服閥位置驅動參數。

     

    試驗結果

     

    1.外觀形貌變化

     

    宏觀外觀上看,試驗件外殼的表面未出現明顯腐蝕現象,底面四角出現涂層起泡、脫落現象,如圖 3所示。將電子控制器的機箱蓋板打開,機箱蓋板的屏蔽條出現數處斷裂,對內部印制電路板與元器件進行觀察,與試驗前進行對比,內部的元器件未發現腐蝕現象,試驗過程中外殼和機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部外觀形貌

    2.電子控制器內部環境

     

    通過在電子控制器內部安裝溫濕度傳感器,收集電子控制器在通電工作下的內部環境溫濕度數據,與外部自然環境數據進行對比分析。由于在熱帶海洋環境下,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據,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境數據,分別代表熱帶海洋環境中夏季與冬季的工作狀態,并與外部環境進行對比,如圖 6和圖 7所示。從圖中可看出,電子控制器在初始狀態下,其內部環境溫度與外部相近,內部環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熱,且外殼的封閉作用,導致內部環境溫度快速上升,相對濕度明顯下降,在通電工作30分鐘后,內部環境溫濕度趨向平衡狀態;在夏季月份,溫度穩定在約56℃,冬季月份,溫度穩定在約53℃;內部環境相對濕度穩定在約48%。與棚下環境溫濕度相比,電子控制器工作狀態下內部溫度高出近25℃,相對濕度低30%以上。

    圖 6 電子控制器內部與外部溫濕度對比

    圖 7 電子控制器通電工作后內部溫濕度變化曲線

    3.機內測試

     

    通過機內測試,對電子控制器的電路系統進行在線的故障自檢測,應用上位機軟件模擬控制器實際工作時的電路狀態。在熱帶海洋自然環境棚下暴露試驗后,電子控制器在上位機軟件內各個參數運行正常,各參數含義與測量值如表 1所示,能夠穩定上電以及記錄數據,測量參數在電子控制器工作狀態下保持穩定,如圖8所示。

    表 1 電子控制器測量參數

     

     

    圖 8 電子控制器自然環境暴露試驗前后工作參數

     

    分析與討論

     

    電子控制器在熱帶海洋環境暴露試驗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,出現脫落、起泡等老化現象。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境下貯存,水與腐蝕介質向有機涂層中擴散以及涂層發生熱老化,水、腐蝕介質、氧氣的三方作用下,涂層發生粉化、開裂等現象;進一步導致外殼金屬與涂層界面發生腐蝕現象,導致涂層起泡、脫落。機箱蓋板屏蔽條在濕熱環境以及蓋板的壓力載荷下,其彈性性能退化,使其出現斷裂。其斷裂原因可能是在濕熱環境下,水向橡膠內部擴散,使橡膠分子鏈間的空隙增大,暴露出分子鏈上的薄弱區域,易受環境因素影響而被破壞。

     

    相比之下,電子控制器內部印制電路板與元器件未發生腐蝕現象,功能性能運行正常。電子控制器內部環境條件優于外部環境,在未上電工作時,控制器內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,說明外部環境空氣中的水氣難以進入到控制器內部,空氣中的鹽霧也被控制器外殼與機箱蓋板屏蔽條所阻擋。并且在上電工作狀態下,元器件工作的發熱量導致內部環境迅速升溫,降低了內部環境的相對濕度。試驗結果說明電子控制器的密封性良好,控制器的外殼與機箱蓋板屏蔽條形成內部封閉空間,能夠有效阻擋熱帶海洋環境對電子控制器內部電路板與元器件的腐蝕。因此電子控制器在熱帶海洋環境下具有良好的環境適應性。

     

    結論

     

    本研究通過對電子控制器開展熱帶海洋氣候自然環境試驗,收集了電子控制器的環境效應,主要包括控制器的內外部宏觀形貌,內外部環境數據以及工作狀態下的參數,形成結論如下:

    1)電子控制器在熱帶海洋環境因素影響下,其外殼的涂層出現明顯老化,出現起泡與脫落等現象, 機箱蓋板屏蔽條出現脆化斷裂。

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

     

     
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    來源:環境技術核心期刊

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