GJB 150.3A高溫試驗(yàn)方法的應(yīng)用及分析

程叢高

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京100028）

GJB 150.3A—2009《高溫試驗(yàn)》方法基本上等效采用了MIL-STD-810F《裝備環(huán)境工程考慮和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》中501.4《高溫試驗(yàn)》方法，共分為8個(gè)章節(jié)，即范圍、引用文件、目的與應(yīng)用、剪裁指南、信息要求、試驗(yàn)要求、試驗(yàn)過程和結(jié)果分析。在這8個(gè)章節(jié)中，“目的與應(yīng)用”部分強(qiáng)調(diào)了高溫試驗(yàn)中的“高溫環(huán)境”是指裝備周圍或誘發(fā)的高溫，且作用在裝備上的時(shí)間相對較短（幾個(gè)月，并非幾年），裝備受熱分布均勻；此部分還對該標(biāo)準(zhǔn)不適用的情況進(jìn)行了舉例，如對以下3類受高溫環(huán)境影響的裝備不應(yīng)采用此標(biāo)準(zhǔn)：

1）長期穩(wěn)定地暴露于高溫環(huán)境，性能隨時(shí)間劣化的效應(yīng)，這種高溫劣化采用自然環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)；

2）太陽輻射引起的熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)，熱效應(yīng)建議采用GJB 150.7A—2009《太陽輻射試驗(yàn)》中程序Ⅰ進(jìn)行評價(jià)，光化學(xué)效應(yīng)建議采用GJB 150.7A—2009中程序Ⅱ進(jìn)行評價(jià)；

3）氣動加熱效應(yīng)。

與以MIL-STD-810C《空間及陸用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》為藍(lán)本制訂的菜單式標(biāo)準(zhǔn)GJB 150.3—1986《高溫試驗(yàn)》方法相比，GJB 150.3A為剪裁式標(biāo)準(zhǔn)，主要變化如下[1]：

1）刪除了GJB 150.3中第2節(jié)“試驗(yàn)條件”，增加了確定試驗(yàn)方法、試驗(yàn)順序、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)條件的剪裁指南；2）增加了“試驗(yàn)信息”的要求；3）增加了“循環(huán)試驗(yàn)”程序；4）增加了預(yù)備步驟和試驗(yàn)前的檢查步驟；5）試驗(yàn)中斷處理方法有變化；6）對試驗(yàn)箱溫變速率的要求有變化；7）增加了對試件溫度響應(yīng)的測量要求；8）增加了試驗(yàn)結(jié)果分析內(nèi)容。

1 試驗(yàn)項(xiàng)目的剪裁

一般情況下，所有裝備均安排高溫試驗(yàn)項(xiàng)目對其進(jìn)行考核，因?yàn)楦邷丨h(huán)境是裝備貯存、運(yùn)輸和使用過程中不可避免的環(huán)境。高溫環(huán)境本身及其與其他環(huán)境因素的綜合作用，將直接或間接影響裝備的性能，如高溫能引起熱老化、氧化、結(jié)構(gòu)變化、化學(xué)反應(yīng)、軟化、熔化、升華。液體在高溫條件下常會出現(xiàn)黏度下降、蒸發(fā)以及物理膨脹等現(xiàn)象。在高溫條件下，裝備可能會出現(xiàn)的典型問題有[2]：

1）不同材料膨脹不一致使得零部件相互咬死；

2）潤滑劑黏度變低和潤滑劑外流造成連接處潤滑能力降低；

3）材料尺寸全方位改變或有方向性的改變；

4）包裝材料、襯墊、密封墊、軸承和軸發(fā)生變形、咬合和失效，引起機(jī)械故障或者完整性損壞；

5）襯墊出現(xiàn)永久性變形；

6）外罩和密封條損壞；

7）固定電阻的阻值改變；

8）溫度梯度不同和不同材料膨脹不一致使電子線路的穩(wěn)定性發(fā)生變化；

9）變壓器和機(jī)電部件過熱；

10）繼電器以及磁動或熱動裝置的吸合/釋放范圍變化；

11）工作壽命縮短；

12）固體藥丸或藥柱分離；

13）密封殼體（炮彈、炸彈等）內(nèi)產(chǎn)生高壓；

14）爆炸物或推進(jìn)劑的加速燃燒；

15）澆注炸藥在其殼體內(nèi)膨脹；

16）炸藥熔化并滲出；

17）有機(jī)材料褪色、裂解或龜裂；

18）復(fù)合材料放氣。

2 試驗(yàn)程序的選擇

2.1 程序類型

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩大類試驗(yàn)程序：程序Ⅰ——貯存，程序Ⅱ——工作。裝備在選取試驗(yàn)程序時(shí)，應(yīng)根據(jù)裝備實(shí)際使用情況，選擇其中一個(gè)或同時(shí)選取兩個(gè)。

2.2 程序Ⅰ——貯存試驗(yàn)

程序Ⅰ主要用于考核裝備貯存期間高溫對其安全性、完整性和性能的影響。根據(jù)適用對象不同，此程序又細(xì)分為恒溫貯存和循環(huán)貯存。恒溫貯存主要用于考核安裝在靠近發(fā)熱裝置（電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、電源、高密度電子封裝件等）附近的裝備，這些發(fā)熱裝置通過輻射、對流和排出的氣流沖擊作用可明顯提高附近裝備的局部空氣溫度，此近似恒定的溫度可抵消日循環(huán)的影響[3]；除去靠近發(fā)熱裝置以外的所有裝備，高溫貯存試驗(yàn)均應(yīng)選用循環(huán)貯存試驗(yàn)程序。

2.3 程序Ⅱ——工作

程序Ⅱ主要用于考核裝備工作期間高溫對其性能的影響。與程序Ⅰ類似，根據(jù)適用的對象不同，也細(xì)分為恒溫工作和循環(huán)工作。恒溫工作主要用于考核安裝在發(fā)熱裝置附近的裝備，其他裝備高溫工作試驗(yàn)的考核均應(yīng)選擇循環(huán)工作試驗(yàn)程序。

3 試驗(yàn)條件的確定

3.1 試驗(yàn)條件的要素

高溫試驗(yàn)條件主要因素包括試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、溫度變化速率和相對濕度。

3.2 試驗(yàn)溫度

試驗(yàn)溫度主要分為貯存溫度和工作溫度。貯存溫度是指裝備在不工作狀態(tài)下遇到的溫度，這一溫度主要取決于自然環(huán)境空氣溫度，一般在一年中最熱季節(jié)某些地域中出現(xiàn)。對于貯存試驗(yàn)溫度的選取除考慮自然環(huán)境空氣溫度外，還應(yīng)考慮裝備在貯存或運(yùn)輸技術(shù)狀態(tài)下可能暴露于日曬環(huán)境中所引起的環(huán)境空氣溫度升高，即“誘發(fā)溫度”。為真實(shí)模擬實(shí)際情況，高溫貯存試驗(yàn)溫度通常選用“誘發(fā)溫度”。世界范圍內(nèi)基本熱和熱兩種氣候類型中高溫日循環(huán)數(shù)據(jù)分別見表1和表2。我國地面高溫日循環(huán)條件見GJB 1172.2—1991《軍用設(shè)備氣候極值地面氣溫》，其中1%工作極值對應(yīng)的高溫日變化見表3。

表1 高溫日循環(huán)Table 1 High temperature diurnal cycle

工作溫度主要指裝備工作時(shí)周圍環(huán)境空氣溫度，它主要受載體種類和熱源、相鄰裝備發(fā)熱情況、裝備周圍通風(fēng)和傳熱情況以及裝備自身冷卻方式的影響。因此，工作溫度的選取首先應(yīng)根據(jù)裝備實(shí)際使用情況通過實(shí)測或已有的類似平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。除安裝在發(fā)熱裝置附近的裝備外，其它裝備若部署于世界范圍內(nèi)，推薦選用表1中規(guī)定的“環(huán)境空氣溫度”；僅部署于我國境內(nèi)，推薦選用表3中規(guī)定的值。在這里需要特別說明的是，表1和表3中規(guī)定的溫度是從標(biāo)準(zhǔn)氣象百葉箱中觀測得到的，它代表地面上方1.5m陰影處自由空氣溫度。對于裝備內(nèi)部的設(shè)備，由于處于密閉環(huán)境中，空氣不能自由流動，其工作溫度推薦選取“誘發(fā)溫度”。

表2 高溫日循環(huán)溫度變化范圍Table 2 Range ofhigh temperature diurnalcycle

3.3 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間

3.3.1 貯存試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間

貯存試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間主要取決于裝備在貯存溫度下的停留時(shí)間。此標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)裝備不同安裝位置將貯存試驗(yàn)分為恒溫貯存和循環(huán)貯存。對恒溫貯存試驗(yàn)時(shí)間，規(guī)定試驗(yàn)樣品溫度達(dá)到穩(wěn)定后，再繼續(xù)保持該試驗(yàn)溫度至少2 h，以確保試驗(yàn)樣品內(nèi)部測量不到的元（部）件溫度真正達(dá)到穩(wěn)定。假若認(rèn)為2 h不能滿足要求，則應(yīng)采用熱分析模型確定額外熱浸時(shí)間，以確保整個(gè)試驗(yàn)樣品的溫度真正達(dá)到穩(wěn)定。

對循環(huán)貯存試驗(yàn)時(shí)間規(guī)定為至少7個(gè)日循環(huán)，主要用于模擬正常年份在最嚴(yán)酷地區(qū)、最嚴(yán)酷月份內(nèi)極端溫度出現(xiàn)頻率為1%的小時(shí)數(shù)。每個(gè)循環(huán)中最高溫度持續(xù)時(shí)間大約1 h。當(dāng)驗(yàn)證關(guān)鍵材料或被認(rèn)為對高溫非常敏感的材料受高溫環(huán)境影響時(shí)，應(yīng)增加試驗(yàn)循環(huán)數(shù)以保證其滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 工作試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間

工作試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間主要取決于裝備在工作溫度下的停留時(shí)間。此標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)裝備不同安裝位置將工作試驗(yàn)分為恒溫工作和循環(huán)工作。對恒溫工作試驗(yàn)時(shí)間規(guī)定為以下3部分所用試驗(yàn)時(shí)間之和。

1）試驗(yàn)樣品溫度達(dá)到穩(wěn)定后，再繼續(xù)保持該試驗(yàn)溫度至少2 h，以確保試驗(yàn)樣品內(nèi)部測量不到的元（部）件溫度真正達(dá)到穩(wěn)定；假若認(rèn)為2 h不能滿足要求，則應(yīng)采用熱分析模型確定額外熱浸時(shí)間，以確保整個(gè)試驗(yàn)樣品的溫度真正達(dá)到穩(wěn)定。

2）使試驗(yàn)樣品在第1條規(guī)定的溫度條件下工作，直至試驗(yàn)樣品溫度再次達(dá)到穩(wěn)定。一般情況下，試驗(yàn)樣品在周圍環(huán)境溫度保持不變的情況下，開始工作時(shí)自身將會產(chǎn)生一個(gè)溫升。從理論上講，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)發(fā)熱量與散熱量達(dá)平衡時(shí)，溫升將會消失，而在實(shí)際工作中，試驗(yàn)樣品真正達(dá)到溫度穩(wěn)定是不可能的。為工程化起見，規(guī)定試驗(yàn)樣品內(nèi)部熱容量最大的功能部件或關(guān)鍵部件每小時(shí)溫度變化不超過2℃就認(rèn)為試驗(yàn)樣品本身達(dá)到了溫度穩(wěn)定。

3）試驗(yàn)樣品在第2條規(guī)定的溫度條件下，根據(jù)技術(shù)文件要求對其進(jìn)行工作性能檢測。

對循環(huán)工作試驗(yàn)時(shí)間規(guī)定為至少3個(gè)循環(huán)。一般情況下，3個(gè)循環(huán)足以使試驗(yàn)樣品達(dá)到其最高響應(yīng)溫度。如果不能，則最多采用7個(gè)循環(huán)。在循環(huán)工作試驗(yàn)中，試驗(yàn)樣品的最高響應(yīng)溫度與試驗(yàn)循環(huán)溫度及試驗(yàn)樣品本身的特性有關(guān)，因此肯定不是一個(gè)恒定值，它也是循環(huán)的。實(shí)際操作中，為確定試驗(yàn)樣品最高響應(yīng)溫度，將后一循環(huán)最高響應(yīng)溫度與前一循環(huán)最高響應(yīng)溫度進(jìn)行比較，彼此相差2℃以內(nèi)，就認(rèn)為試驗(yàn)樣品達(dá)到其最高響應(yīng)溫度，試驗(yàn)即可在該循環(huán)完成后結(jié)束，但循環(huán)數(shù)必須保證不得少于3個(gè)、不能多于7個(gè)。

3.4 溫度變化率

對高溫貯存和工作試驗(yàn)來說，由于主要考慮溫度持續(xù)作用的影響，因此溫度變化率不宜過大。變化速率過大易引起溫度沖擊，對試驗(yàn)樣品造成快速溫變失效。為避免出現(xiàn)此情況，一般規(guī)定變化率不超過3℃/min。

3.5 相對濕度

高溫試驗(yàn)期間，一般不需要控制相對濕度。某些易受極低相對濕度影響的材料，如棉布、織物等，試驗(yàn)期間應(yīng)按實(shí)際要求控制其相對濕度，若無實(shí)測數(shù)據(jù)，可參見表1和表3。

4 試驗(yàn)順序的安排

若使用同一試件進(jìn)行一系列環(huán)境試驗(yàn)，高溫試驗(yàn)的安排一般遵循以下原則。

1）為獲取更多的信息，盡可能做更多的試驗(yàn)。高溫試驗(yàn)通常安排在試驗(yàn)順序早期，因?yàn)楦邷卦囼?yàn)對產(chǎn)品的影響相對較小。

2）為暴露疊加效應(yīng)對試件的影響，高溫試驗(yàn)將安排在振動和沖擊試驗(yàn)之后，也可與振動和沖擊試驗(yàn)結(jié)合起來進(jìn)行，以評價(jià)在高溫環(huán)境下力學(xué)（即運(yùn)輸、裝卸和沖擊）環(huán)境對材料的影響。同時(shí)也可與低氣壓試驗(yàn)結(jié)合起來，考核產(chǎn)品在高溫環(huán)境下的密封性能。

5 應(yīng)用實(shí)例

以我國某型直升機(jī)上的機(jī)載天線為例來介紹該試驗(yàn)方法的應(yīng)用。

1）該型天線安裝在直升機(jī)機(jī)身上，屬機(jī)外設(shè)備，在其實(shí)際使用過程中將會受到高溫環(huán)境的影響，因此應(yīng)選取高溫試驗(yàn)項(xiàng)目對其進(jìn)行考核。

2）該天線在直升機(jī)上的安裝位置附近沒有發(fā)熱裝置，因此無論是貯存試驗(yàn)，還是工作試驗(yàn)，均應(yīng)選取循環(huán)試驗(yàn)程序。

3）我國屬于基本熱氣候，因此高溫貯存試驗(yàn)溫度選取表1中“氣候類型——基本熱”誘發(fā)溫度，試驗(yàn)時(shí)間為7個(gè)循環(huán)；高溫工作試驗(yàn)溫度選用表3中規(guī)定的溫度，試驗(yàn)時(shí)間至少為3個(gè)循環(huán)。在各溫度點(diǎn)變化期間，為更真實(shí)模擬實(shí)際情況，避免給產(chǎn)品造成溫度沖擊，控制其溫度變化率不超過3℃/min；另外，天線所用材料和處理工藝對濕度環(huán)境沒有特殊要求，試驗(yàn)中對相對濕度不予以控制。

4）天線在其實(shí)際使用過程中，將會受到高溫、低溫、溫度-高度、太陽輻射、加速度、振動、沖擊、濕熱、霉菌、鹽霧、淋雨和砂塵等環(huán)境的影響。在這些環(huán)境因素中，高溫相對其他環(huán)境因素來說，對天線的影響較小。為在天線損壞之前盡可能做更多的試驗(yàn)，從而獲取更多的試驗(yàn)信息，高溫試驗(yàn)將最早進(jìn)行。

6 發(fā)展趨勢

與GJB 150.3相比，本標(biāo)準(zhǔn)要求對安裝在發(fā)熱裝置附近以外的裝備應(yīng)進(jìn)行極端溫度日循環(huán)模擬而不是GJB 150.3中的恒溫極值模擬。用日循環(huán)中最高溫度進(jìn)行長時(shí)間試驗(yàn)會給試驗(yàn)樣品施加不切實(shí)際的熱載荷，而日循環(huán)更能真實(shí)模擬試驗(yàn)樣品在實(shí)際使用中遇到的濕氣凝露和溫度的響應(yīng)分布[3]。另外MIL-STD-810G已將GJB 150.3A中2個(gè)試驗(yàn)程序擴(kuò)展到3個(gè)試驗(yàn)程序，即程序I——貯存、程序II——工作、程序Ⅲ——應(yīng)急時(shí)備用工作?！皯?yīng)急時(shí)備用工作”主要用于考核設(shè)備在非工作溫度環(huán)境浸泡后在工作溫度環(huán)境中的性能。如飛機(jī)和帶有透明、半透明密閉區(qū)域的地面車輛內(nèi)的通信設(shè)備，由于受陽光照射，內(nèi)部將誘發(fā)出高于設(shè)備工作時(shí)的溫度，該設(shè)備在該區(qū)域內(nèi)不是貯存或運(yùn)輸狀態(tài)，而是工作狀態(tài)（按需要準(zhǔn)備好），即在一個(gè)相對短的時(shí)間內(nèi)必須能工作；為使其立即工作，采用的冷卻方法為打開密閉區(qū)域，讓周圍空氣冷卻內(nèi)部區(qū)域。

由此可知，對高溫環(huán)境的模擬要求越來越接近裝備的實(shí)際使用情況。

[1]GJB 150.3A—2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法高溫試驗(yàn)[S].

[2]中國航空工業(yè)總公司第三O一研究所.GJB150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》實(shí)施指南[K].北京：中國航空工業(yè)總公司第三O一研究所，1998.

[3]MIL-STD-810G，Environmental Engineering Considerationsand Laboratory Tests[S].