装备材料环境试验技术体系内涵及发展方向★

张洪彬，唐庆云，时钟，王春辉

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 511370）

0 引言

材料是装备及其性能的重要载体，其环境适应性水平的优劣将直接影响装备的服役表现[1-3]。当在恶劣复杂的环境下服役时，材料的环境适应性水平甚至对整个装备的环境适应性和服役寿命起决定性作用。

为了验证材料在使用环境下能否达到设计要求，有针对性地开展环境试验考核是必不可少的。环境试验开展过程中会涉及研制、使用和试验等多个部门，还会涉及样件设计、试验开展、性能检测、结果分析和试验标准等多个技术层面，将这些融会贯通就构成了环境试验技术体系。本文以装备基础材料为对象，探讨环境试验技术内涵和发展方向，加深对材料环境适应性的理解。

1 环境试验与装备环境工程

环境试验是将装备暴露于特定的环境中，确定环境影响效应的过程[4]。从定义上看如何将装备置于特定的环境中和如何确定特定的环境条件是开展环境试验工作的重点，而确定环境影响效应则是借助各种手段完成环境因素分析、影响模式判断、性能退化规律总结和故障原因查找等工作。

环境试验中“特定的环境”包括自然环境试验站环境、试验箱内环境或应用平台环境等，针对以上特定环境采用的试验方法对应为自然环境试验、实验室环境试验和使用环境试验。若在自然环境试验时考虑平台环境影响，则所采用的试验方法可为动态自然环境试验或自然加速环境试验。

材料环境适应性是指材料在全寿命周期的环境作用下能够满足装备质量的能力，是装备的基础性质量特性之一[5-6]，环境试验是评价材料环境适应性能力的主要手段。环境试验作为装备环境适应性工程工作的组成部分并不是独立存在的，而是与环境工程管理、环境分析和环境适应性设计等其他部分密切联系的，如图1所示。

图1 环境试验与装备环境工程工作项目之间的关系

2 环境试验技术体系

装备材料环境试验首先是一种工程技术，用于获取材料经受环境应力时所出现的响应特性或产品耐环境极值方面的相关信息，可为进行各种决策和采取相应措施提供依据。针对装备材料开展环境试验时，会涉及多个技术基础研究内容，如材料指标体系建立、主要环境影响效应分析、失效过程及机理研究等。同时，在开展环境试验时需要多种技术标准进行保证，所以环境试验的相关标准也是环境试验技术体系的重要内容。

2.1 工程技术体系

在针对装备材料实施环境试验过程中需要一系列的工程技术支撑，装备材料环境试验工程技术体系如图2所示。

图2 材料环境试验工程技术体系

在环境条件分析中，环境因素采集技术包括大气环境因素测量、海水环境因素测量、平台环境数据收集、环境数据测量设备研制与应用技术等；环境数据分析技术包括异常数据鉴别、环境极值分析、自然环境谱编制和环境严酷度确定等技术；环境数据应用技术包括实验室环境试验谱转换技术、环境效应评估技术等。

在环境试验中，自然环境试验技术包括大气自然环境试验、水自然环境试验、土壤自然环境试验和自然加速环境试验等；实验室环境试验技术包括温度环境试验、湿热环境试验和太阳辐射试验技术等；环境试验剪裁技术包括环境试验项目剪裁、环境试验条件剪裁和环境试验顺序剪裁等；环境试验设备研制主要包括综合环境试验设备研制、环境试验设备试验效应分析等。

在环境试验结果评估中，性能检测技术包括无损检测技术、在线监测技术、性能检测设备及辅助装置研发等；环境试验结果评价包括试验结果分级、试验结果综合评价等。

目前国内对多种材料的环境试验的相关工程技术均有研究，特别在自然环境试验技术、实验室环境试验技术和性能检测技术等研究领域的成果丰富，但也存在以下不足。

a）对产品平台环境数据采集不足

装备材料经历的环境是自然环境影响下的平台诱发环境，目前虽然长期监测国内典型气候区域自然环境条件数据，但对各类装备平台对自然环境条件的转换作用及平台诱发环境的影响效应研究欠缺。

b）自然环境试验数据收集不足

目前部分材料的应用寿命一般较长，但国内针对材料开展的自然环境试验时间一般较短，多数以优选出在短时间内满足环境适应性要求的材料为目的，对材料的失效过程后期的分析及使用寿命统计工作开展得较少。

c）使用环境试验开展得较少

对装备材料实际服役过程中的失效数据收集较少，无法深入地了解材料在真实使用环境下的失效过程及机理。

d）综合环境试验设备缺乏

材料失效是在多个环境因素或工况因素综合影响下引起的，但现有的实验室设备仅能同时施加部分环境因素，难以再现材料的失效过程，亟需开发多因素综合环境试验设备。

2.2 基础研究体系

在开展装备材料环境试验和提升材料环境适应性的工程实践中，需要一系列的基础研究支撑，材料环境试验基础研究体系如图3所示。

图3 装备材料环境试验基础研究体系

在材料分析中，特性分析包括材料结构、成分与性能关系分析、性能数据库建立等；综合性能评价包括性能指标模型建立、环境适应性综合表征等；质量控制包括质量检验技术、质量相关因素分析等。

在环境试验技术中，环境试验条件确定包括实验室环境试验等效评估技术研究、实验室环境试验条件转化技术研究等；相关性技术研究包括材料失效过程与应用环境的相关性、自然与实验室环境试验的相关性、材料在不同自然环境条件下性能表现的相关性等。

环境影响效应是目前材料环境试验方面基础研究的重点，包括环境失效行为、失效机理、材料缺陷扩展研究和寿命评价等。

2.3 技术标准体系

材料环境试验标准体系如图4所示，其涉及环境条件分析相关标准、环境试验相关标准、性能测试与结果评价相关标准。

图4 装备材料环境试验标准体系

环境条件分析相关标准中环境因素监测标准、环境极值分析标准及环境条件分级标准等方面目前较成熟，如GJB 8894、GJB 1172、GB/T 4797和GB/T 4798等，但对环境条件的应用相关标准并不完善，如自然环境谱编制标准、自然环境条件对实验室环境试验谱编制的指导等；环境试验相关标准中自然环境试验标准、实验室环境试验标准目前较齐全，但针对自然环境加速试验、自然-实验室组合试验、自然-工况综合试验和实验室多因素综合试验标准欠缺，同时环境试验条件转化标准和环境试验文件要求的建立不完善；外观等级评价标准、机械性能检测标准、电性能检测标准等方面目前较齐全，但缺少性能综合评价标准。

3 发展方向

装备材料环境试验技术的发展方向如下所述。

a）建立装备平台（诱发）环境数据模型

同种材料在不同的装备平台上应用，所经受的局部环境特点，以及所表现出的服役性能特点和环境适应性水平是完全不同的[7-8]。加强不同平台（诱发）环境因素数据收集和环境数据模型建立，对有针对性地设计环境试验验证考核方案和优选装备材料是必不可少的。

b）等效评估装备材料环境适应性水平

通过自然环境试验或实验室环境试验对装备材料的服役性能进行评估，需保证试验与实际服役环境条件、实际服役过程中的材料性能劣化机制的等效性；重点开展复杂环境应力下材料失效机制和缺陷扩展分析、多因素综合实验室环境试验方法研究、材料多尺度特征分析与融合等。

c）研制先进综合环境试验设备

目前国内针对材料多因素模拟加速试验方法的研究有很多并制定了相关标准，但与实际服役之间的相关性一直不理想且相关性较差，而研发先进的综合环境试验设备可进一步地提高对实际服役环境综合效应的模拟性。其中，重点是突破太阳辐射、盐雾和可控温湿度之间的综合。

d）建立基于环境试验的装备材料服役性能数据库

材料环境适应性是重要的装备基础性质量特性，基于环境试验结果的材料服役性能数据库的建立对材料选用意义重大。在数据库建立过程中需重点关注装备材料环境试验数据的系统性、综合性和全面性。

4 结束语

环境试验是验证装备材料环境适应性的重要手段，在材料环境适应性工程中占有重要地位，深入地理解其技术体系内容有利于相关工作的开展。本文分析了环境试验与装备环境工程管理、环境分析、环境适应性设计工作的关系，从工程技术、基础研究和标准体系3个方面梳理了环境试验技术的内涵，并指出了4个发展方向。