近日，工业电子五所刘俊邦团队以《电子控制器整机产品热带海洋环境影响效应分析》为题在《环境技术》2024年第2期上发表最新研究内容，第一作者为刘俊邦，通讯作者为张少锋。

      为了研究电子控制器的热带海洋大气环境效应，选取西沙试验站对电子控制器整机产品开展棚下自然环境试验，试验过程中每天对电子控制器通电2个小时，通电过程中利用上位机实时监测电子控制器的功能性能，并采集控制器运行参数和控制器机箱内大气环境数据，定期对其宏观形貌进行检查并拍照记录。经过2年试验后，电子控制器外壳涂层出现脱落和起泡，机箱盖板屏蔽条出现多处断裂失效，机箱内电路板未出现腐蚀现象，电子控制器通电测试功能性能正常，现有防护措施可有效保护内部印制电路板与电子元器件，表现出良好的海洋环境适应性。

引言

随着电子元器件微小化与电路集成化的发展，高集成度的电子设备在各型装备上均有广泛应用，具有运算速度快、运算量大以及能够同时控制多个参数变化等等优点。应国家发展与国防需求，电子设备在极端环境下的环境适应性提出更高要求。

现有研究多集中于对电子设备开展实验室加速环境试验，针对海洋环境适应性的环境适应性试验包括盐雾、湿热、高温、太阳辐射等环境因素考察。实验室的加速环境试验需要考虑避免加速应力水平过高导致装备失效机理与实际服役状态不一的问题。在盐雾试验中，国际电工委员会IEC60355:1971指出温度的提高对腐蚀速度有明显增强，因而GJB150.11A-2009和GJB 4.11-83中要求的温度应力是一样，都为35℃。在湿热试验中，实验室环境针对电子设备与整机产品多采用GJB150.9A-2009和GB 2423.4-2008作为试验标准，试验条件可根据装备服役环境和试验需求进行剪裁。相比之下，电子设备整机产品在自然环境试验方面的研究开展偏少，实验室试验的单一环境因素无法真实还原服役环境下的综合环境效应，现有研究对综合环境效应认知不充分；对整机产品的服役工况模拟研究较为缺乏，试验对象以材料级和部组件级产品为主。因此，在本研究中以热带海洋气候的西沙试验站为基础，以电子控制器整机产品为研究对象，开展热带海洋自然环境暴露试验，模拟装备实际服役工况，设计试验方案，分析电子控制器内外部环境差别，采用机内测试技术对电子控制器进行检测，研究极端自然环境因素对电子控制器的影响。

试验部分

1、试验样件

选取模拟电子控制器样机作为试验对象，内部的印制电路板与电路板上焊接的电子元器件涂覆三防漆，外部有盖板屏蔽条与带涂层的外壳保护，避免外部腐蚀介质侵入，样品如图 1所示。

图 1 电子控制器

2、试验方法

西沙永兴岛在我国南海深处，北纬16度，全年高温高湿，风大浪高，岛小且屏障少，空气中盐雾含量常年处于较高水平，属于典型热带海洋气候。西沙年平均温度28℃，温度最大值为34℃，年平均相对湿度82%，盐雾沉降率3.025mg/(100cm².d)。因而选取西沙永兴岛作为电子控制器的自然环境试验场地，考虑到电子控制器的使用环境一般在机箱内部，极少直接暴露在户外太阳辐射和降雨环境，因而为模拟电子控制器在热带海洋环境的服役工况与还原实际服役环境特点，选取西沙永兴岛棚下试验场作为外场暴露环境，如图 2所示。

图2 西沙永兴岛棚下试验场

在开展自然环境暴露试验过程中，每天对控制器通电两小时进行检测，以模拟实际服役工况，利用机内测试技术测试电路系统和工作电路功能性能是否正常。在检测中，主要针对电子控制器内部温湿度的监测以及上电运行中各个工作参数，包括环模拟温度信号、模拟压力信号、电磁阀驱动参数、电液伺服阀位置驱动参数。

试验结果

1.外观形貌变化

宏观外观上看，试验件外壳的表面未出现明显腐蚀现象，底面四角出现涂层起泡、脱落现象，如图 3所示。将电子控制器的机箱盖板打开，机箱盖板的屏蔽条出现数处断裂，对内部印制电路板与元器件进行观察，与试验前进行对比，内部的元器件未发现腐蚀现象，试验过程中外壳和机箱盖板屏蔽条起到了良好的密封作用。

图 3 电子控制器试验后外部外观形貌

图 4 电子控制器试验前后内部外观形貌

2.电子控制器内部环境

通过在电子控制器内部安装温湿度传感器，收集电子控制器在通电工作下的内部环境温湿度数据，与外部自然环境数据进行对比分析。由于在热带海洋环境下，无明显四季变化，常年高温高湿，高盐雾。通过收集西沙永兴岛十年的温湿度数据，得到西沙永兴岛的年平均温度27.6℃，年平均相对湿度78.8%，其年平均温湿度，月平均温湿度变化趋势如图 5所示。

图 5 西沙永兴岛年、月平均温湿度变化曲线

因而取电子控制器7月与11月在西沙永兴岛的试验环境数据，分别代表热带海洋环境中夏季与冬季的工作状态，并与外部环境进行对比，如图 6和图 7所示。从图中可看出，电子控制器在初始状态下，其内部环境温度与外部相近，内部环境相对湿度低于外部10%左右；在通电工作后，由于电子元器件工作发热，且外壳的封闭作用，导致内部环境温度快速上升，相对湿度明显下降，在通电工作30分钟后，内部环境温湿度趋向平衡状态；在夏季月份，温度稳定在约56℃，冬季月份，温度稳定在约53℃；内部环境相对湿度稳定在约48%。与棚下环境温湿度相比，电子控制器工作状态下内部温度高出近25℃，相对湿度低30%以上。

图 6 电子控制器内部与外部温湿度对比

图 7 电子控制器通电工作后内部温湿度变化曲线

3.机内测试

通过机内测试，对电子控制器的电路系统进行在线的故障自检测，应用上位机软件模拟控制器实际工作时的电路状态。在热带海洋自然环境棚下暴露试验后，电子控制器在上位机软件内各个参数运行正常，各参数含义与测量值如表 1所示，能够稳定上电以及记录数据，测量参数在电子控制器工作状态下保持稳定，如图8所示。

表 1 电子控制器测量参数

图 8 电子控制器自然环境暴露试验前后工作参数

分析与讨论

电子控制器在热带海洋环境暴露试验2年后，电子控制器的外壳涂层受到高温高湿与盐雾的影响，出现脱落、起泡等老化现象。这是由于在西沙棚下试验场，长时间在高温高湿与高盐雾含量的环境下贮存，水与腐蚀介质向有机涂层中扩散以及涂层发生热老化，水、腐蚀介质、氧气的三方作用下，涂层发生粉化、开裂等现象；进一步导致外壳金属与涂层界面发生腐蚀现象，导致涂层起泡、脱落。机箱盖板屏蔽条在湿热环境以及盖板的压力载荷下，其弹性性能退化，使其出现断裂。其断裂原因可能是在湿热环境下，水向橡胶内部扩散，使橡胶分子链间的空隙增大，暴露出分子链上的薄弱区域，易受环境因素影响而被破坏。

相比之下，电子控制器内部印制电路板与元器件未发生腐蚀现象，功能性能运行正常。电子控制器内部环境条件优于外部环境，在未上电工作时，控制器内部的温度与外部试验场相近，相对湿度明显低于外部试验场，说明外部环境空气中的水气难以进入到控制器内部，空气中的盐雾也被控制器外壳与机箱盖板屏蔽条所阻挡。并且在上电工作状态下，元器件工作的发热量导致内部环境迅速升温，降低了内部环境的相对湿度。试验结果说明电子控制器的密封性良好，控制器的外壳与机箱盖板屏蔽条形成内部封闭空间，能够有效阻挡热带海洋环境对电子控制器内部电路板与元器件的腐蚀。因此电子控制器在热带海洋环境下具有良好的环境适应性。

结论

本研究通过对电子控制器开展热带海洋气候自然环境试验，收集了电子控制器的环境效应，主要包括控制器的内外部宏观形貌，内外部环境数据以及工作状态下的参数，形成结论如下：

1）电子控制器在热带海洋环境因素影响下，其外壳的涂层出现明显老化，出现起泡与脱落等现象, 机箱盖板屏蔽条出现脆化断裂。

2）电子控制器在试验2年后，其功能性能正常，外壳与机箱盖板屏蔽条使得控制器内部形成良好的封闭环境，避免环境因素的影响。