装备在其生产、贮存、运输及使用过程中会遇到很多环境应力的影响，包括单因素和多因素共存的情况，这些不仅会影响装备的性能，还可能会因为各种应力的影响，使装备的外形、结构、内部的器件等造成损坏，造成不可逆转的破坏。温度冲击试验是考核设备在经受周围大气环境的极速变化时，设备材料、外观、电性能等是否会遭受影响，或者失效的过程。

 

本文针对实验室在模拟温度冲击试验过程的设备、方法、条件、标准等方面进行分析，以实际应用过程中遇到的问题进行讨论，为该项试验的合理进行提出了建议方法。

 

温度冲击试验的基本要素

 

01温度冲击试验的目的

 

温度冲击试验是考核设备在经受周围大气环境的极速变化时，设备外观、设备电性能等是否会遭受影响，或者失效的过程。

 

02温度冲击试验的应用

 

本试验应用于装备周围可能会发生温度急剧变化的情况。用来评价温度的急剧变化对装备内部的器件、结构以及外观等造成的影响。典型情况如下：

1) 装备在高温和低温之间的转换。

2) 将装备从地面的高温环境快速升到高空的低温环境。

3) 将装备从处在高空和低温条件下热的飞机防护壳体内向外空投。

 

03温度冲击试验的几个重要因素

 

1. 暴露条件

 

应依据装备在实际应用过程中所处的地理位置情况、现场数据等确定试验温度，也可根据其最极端的非工作温度要求确定试验温度。

GJB 150中规定了高低温试验温度分别为70℃、-55℃。而GJB 150A中则建议使用能够反应装备实际应用地域的温度情况，不只仅限于一个特定的极值范围。

高温：选用装备实际应用的工作和贮存地理区内可能会出现的高温。首选实测值，若没有实测值，则选用其地面高温极值条件。

低温：选用飞机在空中飞行工作期间的最低温度(受装备周围环境条件、飞行条件和机上环境控制系统的性能的影响)。首选实测值，若没有实测值，则选用高空极端低温。

 

2. 高低温持续时间

 

本试验的目的是确定快速的温度变化对装备的影响，因此，试件暴露于极值温度的持续时间应为装备的实际工作时间或温度稳定的时间。

GJB 150中规定持续时间一般为1h，或者是温度达到稳定的时间，当温度稳定的时间超过1h，则使用温度稳定时间。

 

试验持续时间（冲击次数）的确定，应根据装备实际应用过程中遇到的情况来确定。因此可以分为如下几种情况的冲击试验，见图1～图3：

1）基于恒定极值温度的单方向温度冲击，对暴露于单方向温度冲击可能性很小的设备，在每种相应的条件下至少进行一次冲击；

2）基于恒定极值温度的单循环冲击，对暴露于温度冲击环境可能仅为一次的设备；

3）基于恒定极值温度的多循环冲击，当预计设备更频繁的暴露于冲击环境时，几乎没有可用的数据可用于证实具体的冲击次数。

 

 

图1 基于恒定极值温度的单方向温度冲击

 

 

图2 基于恒定极值温度的单循环冲击

 

 

图3 基于恒定极值温度的多循环冲击

 

3.转换时间

 

GJB 150中要求高低温极值之间的转换时间不大于5min；而GJB 150A中要求转换时间尽可能短，没有合理理由，转换时间要求不大于1min，以达到最大的温度冲击效果。有时因试件尺寸等原因而必须使用运送设备来完成转移，转换时间可能超过1min，当转换时间超过1min时，应说明超过的时间的合理性。

 

4.温度变化速率

 

GJB 150中规定，对于温度冲击试验，要求产品在高低温箱之间快速转换，转换时间小于等于5min；而GJB 150A中则要求温度变化速率小于3℃/min。

 

04常见的几种温度冲击试验设备及方法

 

按照温度冲击试验的基本要求及实施过程，实验室常见的几种温度冲击试验设备包括：

1）使用两台独立的高、低温试验箱（图4）建立并保持试验条件，通过试件的转运达到温度冲击的过程；

2）一台独立的双室试验箱（图5），试验箱内分为高温区和低温区，可将样件放入高温区内，分别调整试验箱高温区和低温区的温度，通过吊篮实现样件在高温区和低温区之间的转换；

3）样件不移动的单室试验箱（图6），将样件摆放在一个固定的温度场内，试验箱内包含两个独立的高、低温蓄能区，通过两个独立的进气、抽气的气动活门调节试验箱内的温场。

 

图4 两台独立的高低温试验箱

 

 

图5 一台独立的双室试验箱

 

 

图6 一台样件不移动的单室试验箱

 

温度冲击试验的过程中容易出现的问题

 

01.相对湿度的控制

 

相对湿度在大部分试验中都需要控制。但是温度冲击试验过程中，由于相对湿度可能会对某些多孔渗水材料有影响，渗入的湿气可能在装备内部发生移动甚至膨胀。部分试验箱通过箱内的湿度传感器或加入液氮来控制相对湿度。除专门提出要求外，否则不比考虑控制相对湿度。

 

02.试验设备在完成转换后重新达到温度稳定的时间

 

GJB 150中要求试验设备在完成转换后重新达到温度稳定的时间，为转换后试验设备应不超过试验温度保持时间的10%，而GJB150A中要求为转换后试验设备应不超过5min。

 

试验人员在试验过程中容易将此时间误认为温度转换的时间，转换的时间实际是要求样件在此时间内达到了一次温度冲击的过程。而若样件内部包含温度滞后性较大的器件，在样件进行温度冲击的转换后，样件本身带有很大的热容量，会影响试验箱内温度的稳定过程及时间，那么就需要设备具有一定的能力在规定的时间内达到温度稳定。若存在多个此类型的样件同时进行试验，样件表面的温度对试验箱的影响更大，温度更不容易达到稳定，即温度稳定的时间更长，因此不建议在同一台试验设备内同时进行试验，应单独进行，以减少设备温度稳定的时间，保证试验能够按照标准要求准确完成。

 

03.温度冲击试验方向的选择

 

1. GJB 150中试验方向的选择

 

温度冲击试验方向的选择在标准中有不同的解析方式，GJB 150中规定装备在常温状态下放入高温试验箱，再转入低温试验箱，进行三个循环后装备处于低温试验箱内。若此时将装备从低温试验箱内转出，装备本身的低温状态至于常温状态下，可能会使装备内表面产生冷凝水，造成装备的性能损坏。为避免此类现象的发生，就需要将装备放置在50℃左右的高温试验箱中进行烘干处理，待装备的冷凝水消除后再恢复至常温待温度稳定后再进行性能测试。但此操作过程增加烘干处理无形中增加了装备的试验周期，因此建议装备实际试验过程中先放入低温试验箱进行试验，那么试验将会在高温试验箱结束， 可直接恢复至常温进行测试，缩短了装备的试验周期。

 

2.GJB 150A中试验方向的选择

 

GJB 150A标准中程序Ⅰ和程序Ⅱ人为的规定从低温开始，但若更为接近实际的话，也可从高温开始。试验曲线见图7。

 

 

图7 温度冲击试验过程

 

标准中要求先将试件放入试验箱，以不超过3℃/min的速率将箱内空气温度调节到技术文件中的低温极值（图中的a），保持此温度至技术文件中规定的时间（图中的a～b）；然后在1min之内（图中的b～c）将试件转移到温度为T2的大气环境中，以产生技术文件中规定的温度冲击，并按技术文件的规定保持此温度（图中的c～e）；此为基于恒定极值温度的单方向温度冲击，若技术文件有要求，在可行的范围内评价温度冲击对试件的影响；

 

若要求反方向进行其他循环，则在1min之内将试件转换到T1环境中（图中的e～f），并按技术文件要求达到稳定（图中的f～g），至此为基于恒定极值温度的单循环冲击，必要时可评价温度冲击的影响，然后继续试验；

 

若要求做基于恒定极值温度的多循环冲击，则需要重复进行b～g的整个循环过程，以致完成技术文件的循环次数要求。

循环结束后，则将试件以不大于3℃/min的温度变化速率返回到标准大气条件。

 

由上述试验过程可见，标准中的试验从T1环境1min之内转换到T2环境开始，至返回至T1环境保持规定的时间为一个循环过程（图2中b～g）。试验开始时试件从标准环境降温至T1环境温度，在T1环境下保持此温度至技术文件中规定的时间。此过程为试验的预处理阶段，因此若试验从低温段开始，则试验结束在低温段；若试验从高温段开始，则试验结束在高温段。为防止试件在试验结束后表面产品凝露，需要增加烘干恢复的过程，同时增加了试验周期，建议试验从高温段开始。

 

不同类型温度冲击试验设备在试验的过程中容易出现的问题

 

01两台独立的高低温试验箱

 

使用两台独立的高、低温试验箱建立并保持试验条件，通过试件的转运达到温度冲击的过程。

此方法在试验过程中要求两台试验箱之间的距离尽量短，以实现在规定的时间内温度冲击的过程；并且要求两个独立的试验箱放入样件后重新达到稳定的时间能满足标准的要求。

 

02独立的双室试验箱

 

使用一台独立的双室试验箱进行试验，分别对两个箱室进行高、低温的控制，在试验的过程中需要防止样件在两个箱室之间转换的过程中，不应出现样件移动导致样件外观受损影响试验结果的问题发生。通过拉篮实现转换的过程是否完整，即样件是否完全转换至高温箱室或低温箱室。

 

还应注意两个箱室分别温度控制的范围是否满足标准的要求，例如GJB150A要求样件从室温升至或降至初始温度，试验结束后由低温或高温恢复至室温。以及若低温结束需要对样件进行烘干处理如何实现的过程。

 

03样件不移动的单室试验箱

 

不作高低温分区的单室试验箱，将样件摆放在一个固定的温度场内，试验箱内包含两个独立的高、低温蓄能区，通过两个独立的进气、抽气的气动活门调节试验箱内的温场。

 

该类型设备在试验过程中需要将原试验箱内的温度经过抽气活门抽走，再打开另外一个蓄能区的活门将空气放进去，此过程容易造成温场内温度稳定的时间不能满足要求。但此类型设备由于样件是固定不动的，所以较适用于过程中需要测试的样件的试验。

 

总结

 

通过以上内容可以得知，温度冲击试验的试验条件是由样件所处的真实环境因素决定的，试验设备的选取不但要考虑是否满足具体的技术条件指标，还应考虑试验的过程是否会加剧样件的试验过程及对样件产生的影响。而冲击方向的确定须由设计人员考虑，从试验周期考虑建议试验从高温段开始，则高温段结束。在技术文件无明确要求的情况下，实验室在实际过程中可依据样件的实际情况选用合适的试验设备，确定试验的持续时间、冲击次数及试验方法。

 

引用本文：

 

魏晶，孔巧玉，杨龙，王妍.温度冲击试验应用概述[J].环境技术,2022,40(01):41-45.