涂装工艺组合/综合环境试验技术综述

文 | 工业和信息化部电子第五研究所 袁 敏 王 忠

涂装工艺组合/综合环境试验技术综述

文 | 工业和信息化部电子第五研究所 袁 敏 王 忠

本文介绍了组合/综合试验技术的发展历程及标准应用情况，论述了研究涂装工艺组合/综合试验技术的必要性，对试验方法的设计原则、设计方法及其技术难点进行了深入剖析，并介绍了几种试验结果相互关系的分析方法。

涂装工艺；组合/综合环境试验

1.言

在实验室模拟试验过程中，将多种环境因素顺序作用称为组合试验（Composite Test），多种环境因素的同时或综合作用称为综合试验（Combined Test）[1]。

大型/复杂装备在其整个寿命期历程中，往往要经受各种环境因素或综合作用的影响。为了能够尽量反映装备在预定寿命期环境中功能、性能表现，实验室环境试验需要尽量再现装备所经受的真实环境或环境影响效应。通过环境监测获取的自然环境数据不能直接应用于装备的实验室环境试验。因此，需要对自然环境数据进行分析、剪裁和标准规范[2]。对大型/复杂电子装备而言，各组件、结构件、设备之间环境因素及环境应力复杂而多样，多环境因素的组合/综合产生的协合影响效应（Synergistic Effect）不容忽视[3]。本文将重点介绍装备涂装工艺组合/综合环境试验的必要性、试验设计方法及结果对比评价方法。

2.合/综合环境试验实施概况

2.1.展历程

随着装备研制的环境适应性要求不断提高，实验室环境试验已经从单因素模拟向多因素的组合/综合模拟发展，环境试验设备也从过去的单一型不断发展为复杂型、综合型。

早在上世纪40年代，美国就在佛罗里达空军基地建立了著名的麦金莱气候实验室（McKinley Climatic Laboratory），同期为美军B-29，P-51，P-38和R-5D等型号开展了多种气候环境模拟试验。麦金莱试验室8个大型气候试验室，其中主气候试验室容量最大、控制系统最为复杂，能够综合模拟高低温、风、雪、冻雨、结冰等复杂气候环境。麦金莱气候试验室具有优越的试验能力和试验条件控制功能，成立以来，已为美军55%的武器装备开展了多项环境试验[4]。

气候试验室的卓越表现，使美军装备的研制取得了事半功倍的效果，弥补了野外生存训练经费的不足。为此，美军不断加大了对实验室建设的投资。

上世纪70年代，美军开始针对各军兵种的武器装备特点，在不断组合原有试验室的同时，建立相应的气候试验室，并逐渐重视力学环境与气候环境的综合作用。同一时期，英国国防部也针对某些大型/复杂装备的试验需求，斥巨资建立了一系列具有先进试验能力的综合环境试验室。例如英海军部门1974年建立的马可尼雷达系统试验中心，具有温度、湿度、振动、冲击、摇摆、淋雨、盐雾、太阳辐射等试验能力，有效的试验区容积约为788m3，能安装重量最大约为8t的装备进行力学试验[5]。

至上世纪90年代，美军已经系统地为陆军、海军、空军、海军陆战队四大军种陆续建立了试验室。著名的麦金莱试验室，发展成为可以对30多种气候环境、天气条件进行研究和模拟，对多种复杂环境因素进行组合/综合的大型试验室，试验对象涉及坦克、装甲车、飞机、大型水面舰艇等，组合/综合模拟试验室还同时应用于航空航天等领域[6][7][8]。

2.2.准应用情况

目前，GB/T 2423和GJB 150/GJB 150A等标准规定了少数组合/综合试验项目，例如GJB 150中的温度-高度、太阳辐射、湿热、温度-湿度-高度、温度-湿度-振动-高度和振动-噪声-温度等试验，GJB 150A中规定的组合/综合试验项目数量则更多[9][10][11]。

组合/综合试验越来越广泛的应用，对试验设备的能力提出了新的技术要求。实际上，尽管各项标准中提出了明确的组合/综合试验方法，但标准并未对试验作强制性的实施要求。一方面由于组合/综合环境试验过程中引起的装备故障原因难以确定，需要采取更先进的分析手段；另一方面由于某些组合/综合试验设备系统复杂，购买、维护费用较高。正因为如此，GJB 150.1和GJB 150.1A对综合环境试验均做出了以下说明：“综合环境试验可能比一系列连续的单个试验更能代表实际环境效应。使用环境中遇到这些条件时，鼓励进行综合环境试验。”

即便标准未作强制性规定，由于组合/综合环境试验能激发某些单因素试验条件下不会产生的故障模式，为装备环境适应性和可靠性提供了最直接的验证途径，因此在装备的研制、生产、定型、交付过程中，组合/综合环境试验仍然越来越多地在各类试验中开展。

3.装工艺组合/综合试验的必要性

涂装工艺的防护性能，是装备在环境适应性设计初始阶段必须考虑的重点问题。GB/T 2423和GJB 150/GJB 150A等标准中规定的组合/综合试验方法，除湿热试验、太阳辐射试验外，大多针对于设备或组件的环境适应性验证，并不能直接适用于涂装工艺的筛选、验证试验。特别地，在某些环境条件恶劣的地区，现有标准中规定的组合/综合试验方法远远不能体现涂装工艺受寿命期预定环境条件下的影响效应。例如我国南海海域，具有常年高温、高湿、高盐雾、高太阳辐射强度及霉菌生长活跃的典型热带海洋气候环境特点，各种环境因素之间具有明显的协合影响作用。高温、高湿会加快盐雾对腐蚀速率和太阳辐射的老化效应，盐雾与太阳辐射之间的协合作用也不容忽视。如果采用传统的试验方法对涂装工艺进行试验，并以此试验结果作为其防护性能的决定标准，则不能体现这些协合作用产生的影响。

研究涂装工艺的组合/综合环境试验方法，可以更有效地发现涂装工艺选材、设计、防护缺陷，对装备使用过程中的表面防护、使用维护维修具有很好的参考指导作用。

4.装工艺组合/综合环境试验的基本要求

实验室模拟环境试验可以快速地提供试验结果，但不能对实际环境条件进行精确而全面地模拟，其试验结果与实际结果之间存在差异性和不确定性；在一定条件下，自然环境试验的结果比较真实，但缺陷是获得试验结果一般需要较长的时间，且需要专门的场地，环境恶劣地区的试验场地建设和维护都相当困难，不方便开展试验。因此，研究制定涂装工艺的组合/综合环境试验方法，必须将实验室环境试验与自然环境试验结合在一起进行研究。通过对自然环境条件的主要环境影响因素进行分析，确定各环境因素对涂装工艺的影响机理，在组合/综合试验设计中体现出主要的环境因素和次要环境因素的试验量值及试验时间比例，并采用合理的方法分析两种试验之间的相互关系。

4.1.境影响因素的确定

影响产品功能和性能的环境因素是多方面的，各个地区的主要环境影响因素均不相同。要通过收集实测环境数据，并充分分析各环境因素的量值和作用时间或频率，才能确定各环境因素的影响程度。

4.1.1.定环境影响

需要对单项环境因素的影响进行分析，了解它们对涂装工艺的影响效应，确定组合/综合试验开展的项目。例如，东南海海区环境具有典型热带海洋环境气候特点，影响涂装工艺的主要环境条件包括太阳辐射、温度、湿度、盐雾、霉菌、氧气等。

4.1.1.1.阳辐射。涂装工艺材料一般都是采用有机高分子材料，太阳光紫外线部分的光能量能够切断有机高分子材料中的化学键。太阳光中的红外线能产生热效应，使材料温度上升，加速有机材料的老化。

4.1.1.2.度。东南海常年高温，高温环境对有机高分子材料的老化具有加速作用。

4.1.1.3.度和盐雾。东南海区大气持续的高湿度环境，使有机材料表面容易形成水膜，海上含盐水分又能渗入有机材料内部，加速材料的老化。

4.1.1.4.菌。东南海区持续的高温和高湿，特别适合霉菌生长和繁殖。霉菌可以分解有机高分子材料的某些化合物，代谢物还可与某些有机分子发生化学反应，导致有机材料性能的劣化。

需要指出的是，并不是所有的组合/综合环境因素都能对产品产生更严酷的影响效应。对涂装工艺而言，温度、湿度、盐雾、太阳辐射的组合/综合会加速材料的老化，但是盐雾与霉菌综合时，高盐雾会杀死一部分霉菌，从而降低试验效果。

4.2.验设计原则

涂装工艺大多数情况下都是经受几种环境的同时作用，是否需要把所有的单项环境因素都作为组合/综合试验设计的考虑因素，如何对单项环境因素进行科学地组合/综合，是组合/综合试验设计的核心问题。一般来讲，组合/综合设计应遵循以下原则：

表2.匀正交设计表[14]

表3.匀正交试验设计示例

4.2.1.因素组合/综合试验要与自然环境试验有较好的相关性，并具有一定的加速性，因此应将具有放大效应的环境因素进行组合/综合；

4.2.2.因素的组合/综合方式（环境因素和量值）会有多种，因此在设计试验剖面时应尽量以国内外现有的标准和研究成果为基础，减少试验的组合/综合次数和试验量值设置的盲目性；

4.2.3.合/综合试验的设计应以现有的试验设备的技术条件为基础，排除一些不合实际的组合/综合方法。

4.3.验方法设计

组合/综合试验中涉及的环境因素较多，各环境因素又有多个应力水平，因此，仅仅采用4.2.2中的设计原则仍然会产生太多的组合/综合试验组。如果对试验组进行全面试验，试验实施和数据分析变得复杂而繁琐，带来不必要的工作量和试验成本。

日本统计学家田口（Taguchi）在提出了经典的田口正交试验设计方法，我国方开泰院士对该方法进行了深入研究[12]，现已发展成为更精简、更实用的均匀正交试验设计方法（Uniformity and Orthogonality Method），并广泛应用于社会生产各行业[13]。

均匀正交试验设计方法在大大减少试验次数的同时，又可保证试验效果与全面试验的效果相近。表2是一种二因素五水平的均匀正交表。

用表2对温度、太阳辐射综合试验进行均匀正交设计，各组试验如表3所示。

温度（℃）：38，40，43，47，50；

辐照度（W/m2）：0.55，0.58，0.60，0.65，0.68。

5.验结果的相互关系分析

组合/综合试验的直接目的是为了使实验室模拟试验环境更接近于真实环境，因此需要分析实验室组合/综合环境试验结果与真实环境试验结果的相互关系。相互关系可通过相关性和加速性来表示。如果相关性高，则说明两种试验方法所取得的试验结果差异较小，对实际结果的预示性就较一致。在相关性较高的前提下，提高加速性，就会使实验室组合/综合试验方法更具有实际应用价值。

5.1.性分析

定性分析的主要方法是对试验中性能检测数据进行汇总处理，绘制成图表形式，直观分析两种试验条件下性能检测数据的变化规律，对比两种试验的相互关系。

5.2.量分析

定量分析是比较常用的相关性分析方法，[15][16]通过对不同种试验产生的性能检测结果进行计算，可直接得出各种试验之间的相关系数和加速倍率。下面介绍几种相互关系分析方法。

5.2.1.关性

相关性分析的方法有很多，各种相关性分析均有不同的性质和类型，在选择相关系数计算方法的时，应根据性能检测数据的变化特点，选择适当的分析方法。

5.2.1.1.尔逊（Pearson）积矩相关系数法

积矩相关系数法是19世纪末英国统计学家Karl Pearson提出来的，用于计算两组符合正态分布或近似正态分布且具有线性关系的测量值的相关系数。该方法适用于检测数据较多的情况下使用，且检测数据越多，相关系数计算越准确。皮尔逊积矩相关系数基本计算公式如下[17]：

其中，r为积矩相关系数，XY分别表示变量X与Y的平均数。

值得注意的是，在对样品性能检测数据进行分析时，一般情况下并不能确定性能数据的分布是正态分布或近似正态分布，因此，应对分析结果进行假设检验，以确定计算结果是准确的。[18]

5.2.1.2.皮尔曼（Spearman）秩相关系数法

斯皮尔曼秩相关系数法是一种非参数线性相关分析，方法较皮尔逊积矩法简便，适用于小样本容量的检测数据相关性分析。与皮尔逊积矩法相比，该方法优点是对检测数据的总体分布不做要求，缺点是计算精度不高。计算的基本公式为：

其中，r为相关系数，D是两个检测数据的秩差，n是检测数据的对数。

以上是两种常用的相关系数计算方法，两种相关系数的计算值均不大于1，相关系数越接近于1，说明两种方法的相关性越好。

5.2.2.速性

加速性可用加速因子（AF）表示。在取得相同的性能检测结果的情况下，采用一种试验方法试验了h1小时，采用另一种试验方法试验了h2小时，加速因子AF= h1/h2；或者在试验相同的时间时，把获得的性能检测结果p1与p2之比定义为加速因子，即AF= p1/p2。加速因子越大，说明试验的加速性越高。

6.结

6.1.行的试验标准中规定的组合/综合试验项目并不全能直接适用于装备涂装工艺的实验室试验，研究涂装工艺的实验室组合/综合试验具有重要的实用意义。

6.2.合/综合试验方法的设计应全面考虑涂装工艺预期寿命环境剖面中的主要环境影响因素，根据环境影响因素实测值确定各因素的应力水平，然后采取一定的原则，设计科学合理的试验方法。

6.3.择合理的结果分析方法，对实验室组合/综合试验与自然环境试验进行相关性分析，并验证分析结果。

[1] GB/T 2422,电工电子产品环境试验-术语, 1995.

[2] GJB 4239,装备环境工程通用要求，2001.

[3] Rogers J.D. Testing In Combined Dynamic Environments. Journal of the IES, 1993.

[4] Lorin D.Klein. Unique Test Capabilities of the Eglin AFB McKinley Climatic Laboratory. The Journal of Environmental sciences,1987.

[5] Environmental Test Center for Radar Systems. Electronics &Power, 1974：341.

[6] Arthur S.Jackola, John E.Allen. A Production Approach to Environmental Acceptance Testing of Space Vehicle Subsystems. The Journal of Environmental Sciences, 1988.

[7] J. V. Stakus, J. C. Roche. Testing of a Spacecraft Model in a Combined Environmental Simulator. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1981.

[8] 金恂叔.论航天器的综合环境试验.环模技术，1999.

[9] GB/T 2423，电工电子产品环境试验.

[10] GJB 150，军用设备环境试验方法，1986.

[11] GJB 150A，军用装备实验室环境试验方法，2009.

[12] Fang K.T, Winker P. Uniformity and Orthogonality. Technical Report MATH-176, Hong Kong Baptist University, 1998.

[13] 方开泰等.正交设计的最新发展和应用.数理统计与管理，1999.

[14] www.math.hkbu.edu.hk/UniformDesign/.

[15] 蔡健平等.铝合金综合环境试验研究.装备环境工程，2006.

[16] 周漪等.某弹用硅橡胶密封材料贮存寿命预测.装备环境工程，2010.

[17] 盛骤等.概率论与数理统计.2000：118～122.

[18] 环境科学领域学术论文中常用数理统计方法的正确使用问题（二）：相关分析中相关系数的选择.环境科学学报，2007：1期171～173.

Overview of Composite and Combined Environmental Test for Military Equipment Coating

Evolution history and related standards application of the composite and combined environmental test technology were both introduced in this paper. The necessity of research on composite and combined environmental test for military equipment coating was also discussed. Furthermore, designing methods and principles of the test as well as its technical difficulties were analyzed, correlation analyzing plan was laid out in the end.

equipment coating；composite and combined environmental test

袁敏，男，1986年生，工业和信息化部电子第五研究所工程师，主要从事环境试验及试验技术研究工作。王忠，男，1968年出生，工业和信息化部电子第五研究所科技委委员、高级工程师，主要从事可靠性与环境适应性理论和工程技术、标准制修订等工作。