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环境试验技术与设备发展概述

摘要: 环境试验技术主要是通过将产品(材料、样品)暴露在人工或自然环境条件下,考核其保持完好和正常工作能力的试验方法。随着现代科技的发展,工业产品使用范围逐步扩大...

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  • 摘要:环境试验技术主要是通过将产品(材料、样品)暴露在人工或自然环境条件下,考核其保持完好和正常工作能力的试验方法。随着现代科技的发展,工业产品使用范围逐步扩大,环境试验技术也得到了广泛地应用。与此同时,环境试验技术经历了从单一因素试验向综合因素试验,从简单典型环境试验向严酷与极端环境试验,并开始应用计算机控制技术与数字仿真技术的发展过程。
     
    产品环境适应性指产品(材料)在其寿命期内预计可能遇到的各种环境条件的作用下,实现其所有预定功能、性能和(或)不被破坏的能力,是应用于户内外或各类严酷环境条件下的产品的重要质量特性,也是衡量一个国家工业产品质量水平和工业发展水平的重要标志之一。随着科学技术的发展与进步以及产品应用地域的不断扩展,产品的环境适应性也越来越凸现重要。
     
    评价产品的环境适应性能力关键在于试验方法与试验手段。所采用的试验方法和试验手段是否能准确地反映产品在实际运输、贮存和使用过程中的真实情况,直接影响了对产品的环境适应性能力判断。因此,产品环境适应性试验技术与试验设备的研究一直以来成为世界各国着重关注的问题。

    环境试验设备
     
    环境试验技术
     
    环境试验技术是指研究产品(材料)进行环境适应性试验的相关技术,包括试验要求、试验规程、试验方法和采用的试验手段以及根据实验结果对试样的环境适应性进行符合性判断等技术范畴,是一门综合性学科。
     
    (1)环境试验即“产品环境适应性试验"是指把产品、材料或样品暴露于自然典型环境、实际使用环境或人工模拟环境中经受环境应力的作用,从而检验其在实际中遇到的使用、运输和贮存条件下各种功能、性能的变化,并做出相应的评价。环境试验是确保产品环境适应性的重要手段。
     
    (2)环境试验的目的是通过模拟真实的环境条件或再现某些环境效应的方法,以一定的确信度来检验、证实产品(材料、样品)在特定的环境条件下保持完好和正常工作,包括:
     
    (a)确定(产品)样品在规定环境条件下,对贮存、运输和使用环境的适应性,已考虑其预期有效寿命;
    (b)提供有关产品设计或生产质量所需的要求和资料。
     
    (3)环境试验包括自然典型环境试验、使用环境试验和人工模拟环境试验。
     
    (a)自然环境试验包括:典型自然环境(大气、水、土壤)试验、太阳辐射老化试验、典型严酷自然环境试验、典型自然环境加速试验等。
    (b)使用环境试验包括:户内、户外各种使用环境试验、工业环境试验(如化学工业环境、冶金工业环境、能源工业环境等)、特殊环境试验(如电磁环境、宇宙空间环境等)。
    (c)人工模拟环境试验是指在实验室内模拟产品或样品在贮存、运输及各种使用场合可能遇到的各种环境参数及其严酷程度,按一定的试验方法或试验规程对产品(样品)进行加速试验并做出相关评价。
     
    (4)环境试验涵盖一系列完整的操作过程,通常包括:预处理、初始检测、条件试验、恢复及最后检测等。这些试验可在产品研制的不同阶段应用,在提高、确保和评价产品环境适应性方面发挥了重要作用。
     
    (5)环境试验考虑的环境因素主要有:气候环境、机械环境、电磁环境、运输环境、海洋环境以及各种特殊环境因素等。
     
    试验项目主要包括:气候试验(低温、高温、恒定湿热、交变湿热、温度变化、高气压、低气压以及雨水、冰雪等);腐蚀性气体试验(如盐雾气体、工业腐蚀、污染气体、硫化氢、二氧化硫等);太阳辐射试验;电磁辐射试验;沙尘;长霉;机械试验(振动、冲击、碰撞、跌落、加速度等);多因素综合试验(温度与气压、温度与振动、温湿度和雨雪风及太阳辐射等);着火危险试验以及密封、焊接、引出端强度和耐清洗剂浸渍等其他试验。
     
    (6)环境试验已广泛应用于航天、航空、军工行业和电工电子、机电装备、石油化工、冶金、交通、家电、材料等各个工业领域。通过对材料、产品进行环境适应性试验,研究产品在特定环境条件下贮存、运输和使用中存在的缺陷及其失效机理,为设计制造单位提供改进产品可靠性、环境适应性的技术规范和解决方案,确保产品的环境符合性,对提高产品的市场竞争力,节约有效资源具有极其重要的意义。
     
    环境试验设备
     
    伴随着环境技术的发展,为了加快了解环境因素对产品(材料)的环境适应性的影响与评价,通过对各种环境条件及对产品(材料)产生的影响的研究,积累了大量的实验数据,总结出了自然暴露试验的规律及其与人工模拟试验之间的对应关系和试验方法、规程等。
     
    在当代的科研和生产中所使用的环境试验技术已主要是以人工环境模拟技术为主。人工模拟试验适应现代化生产中周期短、更新换代快、产品的使用领域宽广等特点。人工模拟环境试验是实际环境影响的科学概括,与自然暴露试验相比,更加典型、规范化,使用更加方便、快捷,试验结果可对比性更强。
     
    人工环境模拟技术的实现主要靠环境模拟设施-环境试验设备。环境试验设备已经逐渐成为一门跨学科、综合性强的边缘技术学科,并形成了一定的产业规模。
     
    而自然典型环境试验和使用环境试验均在自然环境或典型环境条件下进行,不需要环境模拟技术,故其进行试验时所需试验仪器设备较少。但在自然暴露试验中,在过去的几十年里,正在逐步发展利用自然条件,人为加强环境因素以期达到加速试验目的的试验技术,如近年来出现自然暴露加速老化试验设备的使用。
     
    环境试验设备包括:人工模拟加速试验设备,自然环境暴露加速试验设备等。目前普遍应用的环境试验设备主要包括:各种模拟温湿度环境条件的试验设备,高低气压试验设备,化工气体腐蚀试验设备,海洋气候盐雾试验设备,太阳光老化试验设备,冰雪、风、淋雨试验设备以及产品在运输、贮存、使用过程中存在的振动、跌落、电辐射与 扰等机械、电磁试验设备等。

    三综合试验箱
     
    国内外环境试验技术的发展状况
     
    (1)我国从上世纪50年代已开始环境试验技术研究工作,在人工模拟试验技术方面,已形成了一批应用于机械产品、电工电子产品、高分子材料、金属材料等领域的试验方法、试验规程和标准。
     
    但国内的试验技术研究仍处于积累基础数据阶段,应用研究水平较为落后,研究领域狭窄,缺乏面向产业应用、综合性的科研机构,试验规范与标准不健全,标准制订严重滞后,针对我国特殊环境条件的配套标准较少,试验技术研究与相关设备研制比较落后。
     
    (2)国外,经过近百年的技术研究和技术积累,已建立了典型工业产品及材料的环境适应性数据库和专家系统,并广泛开展世界范围的比对试验研究,研究生产应用密切结合,社会分工明确;先进的试验设备不断推出,具备完善的标准体系,标准制修订紧跟产业技术发展,相关性研究和寿命预测技术取得较大进展。
     
    (3)未来环境试验技术的发展趋势:
     
    (a)试件尺寸:从小尺寸向大尺寸、全尺寸方向发展,试样从材料向构件、整机发展;
    (b)自然环境试验从典型环境向严酷与极端环境发展,向自然环境加速试验发展,向实验室模拟自然环境加速试验发展,并开始应用计算机数字仿真技术。3)试验过程的检监测技术已向现场连续观察与检测方向发展,并对观察与检测结果实现远程传输。
     
    (4)已着手开展环境适应性评价技术研究,并根据不同产品、不同环境确定合适的评价参数,建立评价模型。
     
    (5)环境适应性试验、检测、评价技术将进一步的标准化。
     
    (6)已从环境适应性试验、检测、评价,向环境行为规律、环境失效机理,以及环境适应性和服役寿命预测方向发展。
     
    (7)产品的环境适应性试验研究的运行机制,正在向市场化、产业化方向发展。
     
    国内外环境试验设备的发展状况
     
    (1)国外环境试验设备的发展状况
     
    国外环境试验设备的发展大致可分为3个阶段:
     
    第一阶段:从20世纪20年代初期到50年代中期为环境技术的探索阶段。那时,由于科学技术的进步,人们开始关注材料和产品的质量及可靠性问题,开始重视研究环境技术和环境试验。这一阶段的环境试验设备从无到有,容积由小到大,制作由粗到精,所考虑的模拟因素多为单一环境因素,如温度试验箱、温湿度试验箱、盐雾试验箱、低压试验箱等,结构比较简单,模拟因素控制多为简单的仪表电气控制,甚至用手动控制,控制精度低。这个阶段的环境试验设备多数由产品开发生产者自制,专业生产厂家较少。美国是最早开始研制生产环境试验设备的国家。
     
    第二阶段:从50年代中后期到70年代中期为环境技术的发展阶段。此时航空航天和海洋开发事业迅速发展,特别是电工电子产品在各个领域的广泛应用,材料和产品所遇到的环境条件更加复杂,客观上对环境技术提出了更高更广泛的要求。同时,得益于科技水平的提高及人们对环境技术的深入研究,人工模拟环境技术及设备设计制造水平都得到显著地提升。在这一阶段,人工模拟的环境因素更多,范围更广,并从单一环境因素模拟向两种环境因素、多环境因素模拟方向发展,相应的环境试验设备可以模拟从地面到高空的各种气候环境,品种发展到几十个,规格上百个。这一阶段的环境试验设备在结构设计和电器控制方面都有了明显的改进,基本实现了自动控制。另外开始采用安全防护措施。
     
    第三阶段:从70年代中后期到现在为环境技术的飞跃发展阶段。在这一阶段,科技成果丰富多彩,并运用渗透到环境试验设备设计制作的各个方面,尤其是计算机技术的广泛运用,环境试验设备实现了从设计到制造,从环境因素信号采集到数据处理再到过程控制的全部自动化。环境试验设备所能模拟的环境因素更复杂,精度更高。许多大型综合环境试验设备的成功设计建造满足了航空航天、汽车制造等行业研发的需要。目前,世界上各主要工业国家都有相当规模的环境试验设备生产厂家,如美国的CSz公司、ATLAS公司;日本的ESPEC公司;德国的WEISs公司等。生产的环境试验设备涵盖了环境因素的各个方面,不仅有自然因素如温度、湿度、重力、气压、沙尘、腐蚀、霉菌等,还有人与设备引起的非自然因素如爆炸冲击、电磁干扰、振动等。
     
    (2)国内环境试验设备的发展状况
     
    我国的环境试验设备起步晚,20世纪60年代开始建立和发展环境试验设备行业。80年代以前环境试验设备行业普遍采用前苏联的环境技术,总体技术水平还比较落后,以生产三防试验箱即温湿度试验箱、盐雾试验箱、霉菌试验箱为主,单因素的环境试验设备多,高档产品少,多功能现代化的大型精密试验设备尤其少,甚至没有,高档产品及大型精密试验设备以引进为主。进入90年代后,通过对国外产品和技术的引进以及合资厂的建立,通过自行设计和更新设计我国的环境试验设备的设计和制作水平有了长足的进步。目前我国在通用、中小型环境试验设备方面已经接近国际水平,不但能做单因素的环境试验设备,而且能做多因素综合性的环境试验设备,自动化控制水平及产品的外观与国外产品相比已经相差无儿。同时,在我国家电、汽车、航空航天等行业也自主研发生产了大型步入式的综合性环境试验设备。
     
    经过40多年的发展,国内从事环境设备研制和生产的专业厂家已达100多家,主要的厂家有:广州精秀热工设备有限公司、上海ESPEC试验设备有限公司、上海增达试验设备有限公司、重庆四达试验设备有限公司等骨企业。
     
    环境试验设备技术的发展趋势
     
    环境试验设备经历了由单一环境因素模拟向多环境因素模拟,从静态模拟到动态模拟,由简单控制到微机全自动控制的发展过程。目前的发展方向是“更快、更好、更省”,并呈现以下特点:
     
    (1)提高环境因素模拟精度:如目前模拟太阳辐射的光源主要是氙灯,尽管氙灯的光谱与太阳光谱接近,但光谱上某些点段相差较大。实践表明这些差别对有些材料样品的试验结果有影响,国外一些厂家在积极寻找新的光源。另外对氙灯光强的控制正在由点段控制向全光谱段控制方向发展。
     
    (2)采用新的控制技术:大量采用计算机领域内的新技术,如显示触摸屏技术、PLC技术、现场总线技术等。
     
    (3)更接近于实际环境的综合箱:如振动试验箱已经发展成为3综合(温度、湿度、振动)、4综合(温度、湿度、低气压、振动)试验箱,并且出现了多维振动试验箱;腐蚀试验箱由单一腐蚀试验向循环腐蚀试验(腐蚀-湿热一干燥一腐蚀)箱方向发展。
     
    (4)大型综合专用设备:为适应各行各业的需要,研发制作大型综合专用的环境试验设施,如美国陆军阿伯丁靶场的兵器环境试验设备能让车辆在行驶道路条件下,模拟低温、高温、湿热、低气压等多参数组合环境。该设备有1000m³、145m³和45m³ 3个环境试验室,采用一套空气制冷系统和各自独立的电加热设备。在大型环模设备中首次成功采用了空气制冷。该设备最大试验室空间尺寸为16m*8m*8m(长x宽x高),温度范围为常温~50℃,相对湿度可到85x(1±0.05)%RH(<40℃),模拟的最大太阳辐射强度为1kW/㎡,模拟的最大风速为35m/s。
     
    国内外环境试验设备设计制作的主要差距
     
    (1)目前国内的环境试验设备品种及规格不能满足各行业研发生产的需求:如国内电子家电等行业所需的EMC试验室;汽车生产厂家迫切需要的整车环境综合试验室;军工企业需要满足军标要求的吹沙试验箱、快速温变试验箱、多维振动试验台等,国内环境试验设备设计制作厂家均无法生产。
     
    (2)目前国内环境试验设备的研发水平不高:如国内的光老化试验箱中所使用的氙灯,不能象国外产品那样依靠内外滤光镜的不同搭配产生不同的光谱以满足不同的试验要求。
     
    (3)目前国内环境试验设备设计制作厂家规模多数较小。
     
    (4)关键配套设备、元器件及高精度控制、测试仪器设备的开发、制造能力不高,依赖进口为主。
     
    结束语
     
    我国已步入国际大市场行列中,产品已遍布世界各个角落,不同的地域对产品的环境适应性要求差别极大,为了取得市场竞争的主动权,产品制造商已开始注意到产品的环境适应性问题。随着我国政治经济实力的增强,为加强国家安全,航天航空和军工领域的技术发展也更加迅猛。环境试验与试验设备技术必将受到更进一步重视,并迎来快速的发展时期。
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