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湿热试验

第五章湿热试验

5.1试验目的、影响机理、失效模式

潮湿环境可以引起材料电性能、机械性能和化学性能发生变化，具体表现为：

（1）表面影响

由于水份的吸收和扩散（渗透）作用，金属的氧化和/或电蚀、加速化学反应、表面有机涂层和无有机涂层的化学或电化学破坏、表面潮气和外来附着物相互作用产生腐蚀层、摩擦系数的变化引起粘合或粘附、

（2）材料特性的变化

由于吸附作用：

材料体积膨胀

由于疑露和吸附作用：

物理（机械强）度降低。

绝缘材料的表面绝缘电阻和体积绝缘电阻下降、损耗角增大，由此生产了漏电流，对于整机设备，将会导致灵敏度降低、频率漂移，光学元件成像传输质量下降等。

隔热材料的隔热特性变化、复合材料分层、材料的弹性或塑性改变、吸湿材料性能降低、润滑剂性能降低、炸药和推进剂性能降低。

（3）疑露游离水

电气短路、光学器件表面模糊、热传递特性变化

如体积膨胀，机械强度降低，由于吸潮，会使密封产品的密封性能降低或破坏，产品表面涂覆层剥落，产品标记模糊不清等。

湿热试验一般不能作为腐蚀试验。

所为湿热的腐蚀作用是由于空气中含有少量的酸、碱性杂质或由于产品表面附着有焊渣、汗渍等污染物质而引起间接的化学和电化学腐蚀作用。

为了防止样品表面污染而引起间接腐蚀作用，试验前，可以对试验样品采取清洁处理，例如用无水酒精进行清洁处理。

潮湿产品的影响机理见下图5-1。

图中：

t为作用时间；θ为温度；△θ为温度变化；dθ/dt为温度变化率；r.h为相对湿度；a.h为绝对湿度；pu为大气中的污染因子。

5.2试验条件及其选择

自然界能产生95%相对湿度的最高温度为+30℃，罩体内假设会由于截留了高湿空气、存在自由水、吸湿材料吸足了水、封口处渗入湿气等原因在高温时产生高湿，但在+71℃时不可能产生95%的相对湿度，IEC环境条件标准指出：

对不通风的密闭体内，在全世间最恶劣的诱发环境条件（-65℃~+85℃）中使用，达到95%相对湿度时的温度为+50℃；其余为：

在-25℃~+70℃范围内，达到95%，的温度为+40℃；在-40℃~+70℃范围内，达到95%，的温度为+45℃。

美军标和国军标GJB150-86中的+60℃95%是试验条件，不是环境条件，它是为了能在短时间内暴露产品与在实际使用环境下相同的损伤、故障、失效而加严了的条件。

试验室试验是一种加速试验，它不具备在自然环境中所感觉那种潮湿的特点，她比自然环境所发生的潮湿更频繁、更严重、或周期更长。

美国为研究天然热带的潮湿与人造热带潮湿对产品影响的关系，刚开始用20℃±5℃~35℃±1℃，最低相对湿度始终保持在90%上。

在35℃±1℃上保持12小时，在20℃±5℃上最低保持5小时为，其余7小时为升降温时间，共84天。

以此来与热带雨林地区的自然环境条件（平均温度在20℃~36℃之间，平均相对湿度在70%~90%之间，年降雨量超过2540）

相比较，结果，这一试验室的模拟方法以不具有普遍的代表性而不被接受。

最后IL-STD-810中的28天被认为能更能精确的代表实际外场。

进行湿热试验的目的是为了评价电子电工产品及其材料在高湿热条件下使用或储存的适应性。

5.湿热试验方法

在我国最早制订的湿热试验方法采用苏联标准，其中包括温度40±20C、相对湿度为95±3%的恒定湿热试验和温度为25~550C、相对湿度为95±3%的加速湿热试验。

此外，对于整机设备，如雷达、计算机等，由于使用环境和生产水平的限制，常采用温度为200C、250C或300C，相对湿度95±3%的常温高湿试验。

现行的IEC与国家标准湿热试验方法有下面几种：

IEC68——2——3试验Ca,“恒定湿热”。

对应的我国国家标准是GB2423.3——81试验Ca，“恒定湿热试验”。

IEC68——2——X试验Cb，“恒定湿热”（主要用于设备试验）。

相对应的我国国家标准正在制订中。

IEC——2——38试验Z/AD，“温度/湿度组合循环试验”。

对应的我国国家标准是GB2423.34——86试验Z/AD，“温度/湿度组合循环试验。

IEC68——2——38，“湿热试验导则”。

对应的我国国家标准是GB2424.2——81，“湿热试验导则”。

军用产品多采用美国军标，现行的美国军标准有下面几种：

MIL——STD——202，“电子与电气元件试验方法”，其中方法103为恒定湿热，方法106为耐湿试验。

MIL——STD——810，“军用器材的环境试验”，其中方法507为湿度试验。

尽管民品和军品采用的试验标准不同，但试验方法是一致的，如IEC——2——3与MIL——STD——202中方法103相同，IEC——2——38与MIL——STD——202中方法106一致，IEC——68——2——30中方法507都是摸拟湿热的变化对产品的影响，所不同的只是在试验条件上的差异，这一点我们在试验程序中将详细说明。

此外，国际电工委员会曾于1969年制订了加速湿热试验，该方以24小时为一个循环周期，温度从250C升高到550C并保持，然后再降到250C，相对湿度相应地从80~100%变化到95~100%，然后再变化到80~100%，本试验企图通过高温度和温湿度的交替变化达到加速的目的。

实践证明，该实验并没有通过高温度（550C）达到加速呼吸和渗透作用的目的。

大家都知道，加速受潮很重要的因素是在潮湿条件下提高温度，而加速湿热试验的循环温度550C与250C的平均值与恒定湿热是一致的。

尤其是在试验中很难求得适当的加速因子，因此1979年在巴黎举行的国际电工委员会上决定取消本试验。

但到目前为止，仍有许多国家（包括我国）仍在执行本试验，这是应该提起注意的。

5．3湿热试验技术

5.3.1有关的几个名词解释

1.水汽压e

大气中水汽的分压力为水汽压。

在理论上，水气压的单位是达因/厘米2（dyn/cm2）。

在实测中，常用的单位是毫※（mmHg）或毫巴（mbar）。

目前，在国际和国内愈来愈多地采用千帕（kpa）表示。

它们之间的换算关系为：

1kpa=10mbar

1mmHg≈1.333mbar=4/3mbar

1mbar3/4mmHg=0.75mmHg

水汽压的大小取决于空气中的水汽含量。

气温越高，空气中所能容纳的水汽量越多。

在某一温度下，一定的空气中所能容纳的水汽量达到了最大限度即饱和。

空气达到饱和时的水汽压力称为饱和水汽压。

饱和水汽压通常用E表示，饱和水汽压随温度升高而增加。

2.绝对温度a

绝对湿度是单位体积的水汽含量。

通常用克/米3（g/m3）表示。

绝对湿度与水汽压的关系为：

式中：

Ra=4.6×106尔格/克.度，Ra为水汽的比气体常数（1克水汽的气体常数）；

T为绝对温度。

将Ra代入式5—1，则

a=

式中

T=273+t（T为摄氏度温度）

令α=

则a=

如果e以毫米汞柱表示，则

a=

如果用毫米汞柱表示空气的绝对湿度a和水汽压e，则两者差别很小，见表5—1。

由表5—1可见，当空气温度为16.40C时，空气的绝对湿度与水汽压相等；随着温度的升高，空气的绝对湿度与水汽压之差愈来愈大。

2．对湿度r·h

空气中所具有的水汽压与同温度下的饱和水汽压之比称相对湿度。

常用百分数表示，其表达式为：

表5—1a与e的比较r.h=

温度（0C）

绝对湿度a（g/m3）

水汽压e（g/m3）

0

16.4

25.0

40.0

55.0

65.0

1

1

1

1

1

1

1.06

1

0.971

0.925

0.882

0.856

式中：

r.h为相对湿度；

e为水汽压；

E为同温度下的饱和水汽压。

在实用中，相对湿度常用干湿球温度计测得的干、湿球温度表示，其表达式为：

r.h=

式中：

E/为湿球温度t/对应的纯水平液面的饱和水汽压（mbar）;

E为干球温度t对应的纯水平液面的饱和水汽压（mbar）；

P为气压

A为干球系数10C-1，是与风速有关的经验数据，当百叶箱风速为0.8m/s时，

A=0.0007947，采用风速（阿斯曼）干湿表时，风速为2m/s，A=0.000662。

4.露点温度td

在气压不变的条件下，使空气中含有的水汽达到饱和状态所必须冷却的温度即为露点温度。

当露点温度与空气温度相等时，空气中的水汽含量达到饱和状态，相对湿度为100%。

5.凝露

当产品表面温度低于周围空气的露点温度时，水蒸汽在产品表面凝结变成液态的水，这种物理过程称为凝露。

如果被试样品的表面温度比试验箱（室）内空气的露点温度低，在样品放入试验箱（室）时，样品表面会生产凝露。

在恒定湿热试验中，一般不希望样品表面生产凝露。

因此在试验前，往往需要预热样品以防凝露。

在循环湿热的升温阶段，由于产品的热滞性，样品的温升比试验箱（室）的空气温升慢，会使样品表面生产凝露。

对于热容量比较小的阻容元件和半导体器件，在循环湿热试验中，只有升温速度很快或相对湿度接近100%时才会生产凝露。

实际上根据经验，现有的恒定或循环湿热试验设备的升（降）温、加湿速率，对于小样品一般不会生产凝露。

2.饱和差

在一定温度下，饱和水汽压E与当时空气的实际水汽压e差称为饱和差，饱和差用d

表示。

7.吸附

当出品表面温度比周围空气凝点温度高时，水分子将附着于出品表面，称为吸附。

吸附于产品表面的水汽量与产品的类型、表面结构和水汽压有关。

一般在正常的水汽压（相当于对湿度65%左右）下，任何物体表面上总是覆盖一层很簿的水膜（约0.00~0.0μm）吸湿性物质上，这层水膜是连续的；非吸湿性物体上，这层水膜是间断不连续的。

水汽压愈高，物体表面吸附的水汽量愈多。

但无法单独计算吸附的水汽量，因为在吸附作用时还有吸收作用（尤其是多孔性材料），很难将这两种作用的结果区分开来。

8．吸收

水分子在材料内部聚集的过程称为吸收。

产品吸收的水汽量与周围空气中所含水汽量和

材料的结构及表面的粗糙度有关。

吸收过程是连续不断进行着的过程，并直到建立起动态平衡为止。

吸收过程也可以理解为渗透过程，这个过程是随着温度的升高而加快。

9．扩散与渗透

由于试验样品内外水蒸汽分压力差造成水分子的迁移过程称为扩散。

有时，这种由局部压力差引起水分子通过材料的传输过程称为渗透。

扩散或渗透可以使局部压力平衡，而流动（如通过裂痕，当这种裂痕足够大时，可以生产粘性流或层流）会使总的压力平衡。

在电子电工产品的设计和生产中，经常发现水汽分子通过灌封材料渗透到电容器或半导体器件中，还可以通过封口使胶进入外壳内。

在相同的额相对湿度条件下，温度愈高，空气中的水汽含量愈高，扩散作用愈强。

10.呼吸

具有密封和半密封外壳的产品，其外壳内部空间和产品外部周围环境之间，由于温度变化引起的交换过程称为呼吸。

呼吸作用和产品的密封度、相对湿度以及温度的变化有关。

在环境湿热试验中，由于升温家湿引起压力升高，周围环境中的水蒸汽进入样品内部；在降温阶段，水蒸汽由样品内部排出到周围环境。

经验证明：

在环境湿热试验中，样品吸入的水汽量往往大于呼出的量；由于反复作用的结果，水蒸汽在产品内部积累，并在低温时，变成冷凝水，长期作用会腐蚀产品甚至引起失效。

5.3.2.相对湿度的测量

在环境试验领域，测量空气的相对湿度最通用的一种方法是干湿球温度计法。

这种方法是根据两支相同温度计的示度来测定空气相对湿度的。

其中一支温度计的球部缠有润湿的纱布（湿球温度计）。

在湿球温度计的球部表面，进行着水的蒸汽，蒸发的强度由周围空气的湿度决定。

周围空气中的饱和差愈大，湿球温度计发生的蒸发愈强，温度计的读数愈低，因为蒸发时要消耗热量。

所以干球温度计和湿球温度计读数中的差值随空气的湿度而变化。

干球温度计的读数表示空气的温度，湿球温度计的读数表示随湿球球部表面蒸发而变的湿球温度。

在气压和风速已知的情况下，可根据测得的干、湿球温度，采用式（5—6）计算得出相对湿度。

在实用中，相对湿度不必通过计算，只要根据气压、风速及干、湿球温度，查专门用于环境试验的相对湿度查算表即可得到相对湿度。

要使温度计读数准确可靠，应保证湿球表面的良好蒸发，这一点与选择质地优良的纱布、正确地缠敷纱布并能经常保持纱布的清洁有关。

此外，还应尽量采用蒸馏水润湿纱布，无蒸馏水可以使用过滤的雨水，万不得已可采用河水。

但不允许用井水，因为井水中含有各种盐类。

缠敷纱布的方法如下：

将选好的温度计夹在书中以使温度计尽量保持不动，球部露出书外约10cm，然后将选择的吸水性良好的纱布（一般采用120号医用纱布，长约10cm，先在蒸馏水中渗湿）绕球部一周，边缘重迭部分不超过球部周长的1/4，并用棉线（最好从纱布中抽取的棉线）结好两个线圈。

先用一个线圈系好球部的上端，然后用第二个线圈系好球的下端并且把包好的纱布拉平整。

球部下端的纱线不必拉得太紧，否则会放碍纱布的吸湿性。

最后从书内取出缠有纱布的温度计并将其安放在干湿球温度计特别的架子上，见图5—2。

湿球温度计球部与水杯的距离至少2~8cm，这样才不致于妨碍空气的自由循环。

为了保持湿球纱布清洁柔软和湿润，每月至少应更换两次纱布，脏的纱布会影响吸水；在环境试验中，要求每次试验之前更换纱布。

如果试验中发现纱布有污渍或不吸水时，应及时更换纱布。

5.4湿热试验设备

湿热试验所采用的设备大致有两种类型：

非注入湿热试验箱（室）和注入式湿热试验箱（室）。

非注入式湿热试验箱（室）是在恒定温度条件下，在一定封闭容器中用标准溶液得到规定相对湿度的试验设备。

标准溶液常常采用甘油或盐溶液。

用这种试验设备获得所要求的相对湿度方法简单、可靠，但不适用于散热或容易吸潮的样品。

如果试验选择的盐溶液不适当，常会危害操作人员的健康及腐蚀试验样品。

因此，这类试验设备应用比较少。

注入式湿热试验箱（室）是将热的水蒸汽喷入到试验箱（室）的工作空间。

用这类试验设备，加湿速度快，容易控制，但加湿过程往往会影响工作空间的温度变化。

目前，湿热试验主要采用这一类试验箱（室）。

湿热试验采用的试验箱（室）应能达到试验规定的温度和相对湿度，并控制在允许的误差范围内；在试验箱（室）内的工作空间应安装温、湿度传感器，以便监测箱（室）内的温、湿度条件；试验箱（室）应具有排除冷凝水的辅助装置，排除的冷凝水未经处理不能再使用；如果采用注入式湿热箱（室），其湿源用水的电阻率不应低于500Ω.m。

除上述要求外，试验箱（室）还应采取一定的防护措施。

例如，为保证箱（室）内温、湿度条件的均匀性，可以采用适当的强迫空气循环；试验时应尽量保证样品的性能及电气负载对箱（室）内的条件影响最小；箱（室）内的冷凝水不能滴落在被试样品上，等等。

5.5试验程序

5.5.1恒定湿热试验

国标和IEC标准分别规定了在恒定湿热试验中用于普通产品和主要用于设备的几组试验条件，见表5—2。

表5—2恒定湿热试验条件

组别

等级

参数

第一组

第二组

第三组

试验时间（天）

温度（0C）

40±2

30±2

30±2

410

相对湿度（%）

93±23

93±23

85±23

2156

试验时，可以根据产品和产品的技术要求，分别从表5—2中选出一组试验条件及一种试验时间，作为试验的严酷等级参数。

美国军标MIL—STD—202F中，恒定湿热试验的试验条件为40±20C、95±5%，试验时间分别为4、10、21和25天。

恒定湿热试验通常有预处理、初始检测、试验（包括中间检测）、恢复和最后检测5个步骤组成。

试验前，对于大的或复杂的样品，为了防止在样品放进试验箱（室）时其表面生产凝露，样品应进行干燥处理。

处理的方法是将样品放进高温箱（室），然后把箱（室）内的温度调整到恒定湿热试验的温度，并保持干燥处理所规定的时间。

也可以将样品放进湿热箱（室），先加温进行干燥处理，然后加湿。

目前大多采用后一种预处理方法。

为了防止样品表面污染物质对样品的腐蚀，试验前应进行样品表面的清洁处理。

对于恒定湿热试验，应明确地规定初始检测的条件，通常是在正常的试验大气条件下进行检测。

试验开始时，样品应在不包装、不通电、准备使用状态，按正常工作的位置放进湿热箱（室），然后调整箱（室）温、湿度到试验规定的试验条件，并且保持规定的试验时间。

如果有要求，试验期间可以进行中间检测和加负荷。

但必须注意，中间检测时，样品不允许从箱（室）内取出。

产品标准应规定中间检测的项目和检测时间等。

试验结束后，样品应在和初始检测规定的条件相一致的条件下进行恢复和最后检测。

最后检测的项目与初始检测的项目一致，所不同的是经恢复后，应首先测量随湿度变化而变化最快的参数。

作好检测结果的记录，以便与初始检测结果进行比较，评价产品的适应性。

5.5.2交变湿热试验

国标和IEC标准中规定的交变湿热试验条件，见表5—3。

表5—3交变湿热试验条件在美国军标MIL—STD—810中，交变湿热试

上限温度

循环数（天）

40

2，6，12，21，56

55

1，2，6

验方法规定的温湿度条件，根据日循环的变化规律（低温时应高湿，高温时应低湿）划分为自然的温湿度日循环、诱发的温湿度日循环和加剧的温湿度日循环试验。

自然的温湿度日循环试验分为三种循环，其试验条件可参见图5—7。

诱发的温湿度循环条件是指产品在不通风的场所储存或运输时的环境条件。

对于密封产品，指外壳内部的条件。

这种环境条件，在标准中又可分为两种环境，试验条件见图5—8。

加剧的温湿度环境条件是指样品经受比自然的温湿度环境还恶劣的温湿度条件。

这种类型的试验持续时间短，往往是固定不变的，试验条件见图5—9。

循环湿热试验由预处理、初始检测、试验（包括中间检测）、恢复和最后检测5个步骤组成。

循环湿热试验一般不进行干燥处理。

如果有要求，可以进行样品表面的清洁处理，以防止腐蚀。

试验前的稳定性处理按图5—3进行。

初始检测按规定进行。

在初始检测以后，第一个循环开始之前，样品应在正常的试验大气条件下进行稳定性处理，其时间应能保证样品达到温度稳定。

对试验样品进行稳定性处理一般有两种方式，其一，在样品放入湿热箱（室）之前，首先在另一个箱（室）内进行稳定性处理；其二，样品放入湿热箱（室）后，将杏（室）内的温度调整到正常的试验大气条件。

在这种条件下样品达到温度稳定。

在样品稳定性处理的最后1小时，湿热箱（室）开始加温，相对湿度不低于95%，其控报告制过程见图5—8。

在稳定性处理以后，试验的第一个循环开始，其操作方法图5—4和图5—5进行。

由图5—4和图5—5可见，24小时湿热循环的两种方法基本相同，仅降温方式不同，试

验中应注意这一点。

在试验的升温高湿阶段，由于样品的表面温升滞后于箱（室）内空气的温升，因此样品表面温度低于箱（室）空气的露点温度，样品表面产生凝露（尤其是大或复杂的样品凝露更明显）。

如果有要求，在试验期间可以按照要求进行中间检测。

试验应按照规定的循环数进行。

在最后一个循环结束时，样品一般应在和初始检测条件相同的大气条件下进行恢复。

如果有要求，湿热试验之后，样品可以在控制的恢复条件下进行恢复。

控制的恢复条件为：

温度：

实验室温度±10C

相对湿度：

73~77%

气压：

860~1060mbar※

恢复的方法有两种：

一种是从湿热箱（室）中取出样品并转移到另一个恢复箱（室）中进行恢复。

对于这种方式，要求样品的转移时间尽量短，一般不超过5分钟。

另一种是样品仍保留在湿热箱（室）中，其箱（室）内的温湿度条件的控制见图5—6。

在恢复期间，允许采用适当的方法驱湿，如用风扇吹、抹掉表面的水滴等。

恢复时间为1~2小时，其时间应从环境温度达到恢复温度的瞬间开始计算。

对于热时间常数大的样品，可以适当地延长恢复时间，一般从样品在恢复温度上达到温度稳定为准。

恢复以后，应在和初始检测相同的条件下进行最后检测，并应首先测量随湿度变化而变化最快的参数，一般应在30分钟内测完这些参数。

根据美国军标MIL—STD—810，湿热试验程序应按照图5—7、图5—8、图5—9进行控制和操作。

试验的持续时间，应根据产品的类型和试验要求从表5—4中选取。

自然循环

诱导循环

危险样品

第一种循环

第二种循环

第三种循环

第四种循环

第五种循环

正常的试验时间

20

120

90

30

30

快速检查时间

7

15

12

7

7

安全样品

正常的试验时间

10

60

45

15

15

快速检查时间

5

15

12

7

7

※根据法定计量单位，1毫巴（mbar）应计为100帕斯卡（pa）

5.5.3温度/湿度组合循环试验

1.对试验设备的要求

在进行温度湿度组合循环试验时，要求有两个试验箱，一个湿热箱和一个低温箱。

如果湿热箱可以进行低温循环，那么也可以采用同一个试验箱进行试验。

湿热箱应能达到试验规定的温湿度条件，并能按照试验的要求进行温湿度循环。

此外，湿热箱应满足恒定湿热和循环湿热试验箱（室）的要求。

2.试验条件（严酷等级）

试验的严酷等级是由试验温度、相对湿度和试验的循环数规定的。

有关试验温度、相对湿度的指标见图5—11和5—12。

24小时为一个循环周期。

一般应采用10个循环。

如果不采用10个循环，有关标准应规定试验的循环数以及低温循环在整个循环中的位置。

3.试验程序

温度/湿度组合试验一般采用10个循环。

试验时，在前9个循环中任意选出5个循环进行包括低温分循环的24小时循环试验，另外4个循环为24小时湿热循环试验。

该试验由预处理、初始检测、试验、恢复和最后检测5个步骤组成。

试验前，试验样品应在不包装、不通电、准备使用状态下，放进干燥试验箱进行辅助处理24小时。

辅助干燥的大气条件为：

温度：

55±0C

相对湿度：

不超过20%

经辅助干燥后，试验样品从干燥箱中取出并在正常的试验大气条件下（或另外规定的条件）达到温度稳定。

然后按照规定的要求，对试验样品进行外观检查、电性能和机械性能检测。

有关预处理程序见图5—10。

5.6试验方法的选择

1.根据产品的受潮机理和吸方式选择

若产品是以吸附或吸收水分后受潮的，则一般应采用恒定湿热试验；若产品是以凝露或通过呼吸作用，使渗透作用加强了潮湿度对产品的影响，则应采用循环湿热试验；若有渗透作用而无呼吸作用时，则要从实际出发，根据产品的类型及产品的使用条件，适当地选用恒定或交变湿热试验。

2.根据产品本身的特征选择

对于无空腔的固体产品或绝缘材料，为了检查这些在潮湿大气中的试电性能或绝缘性能，通常采用恒定湿热试验。

对于一般密封或半密封的或有空腔的产品，常采用交变湿热试验。

无空腔固体产品在采用恒定湿热试验时，应考虑受潮机理。

如果受潮是由凝露而引起的，应采用交变湿热试验。

3.根据试验结果的再现性选择

根据国标和国内环境工程的经验得知，对于某些产品，恒定湿热试验和交变湿热试验对被试样品的影响基本一致。

在这种情况下，由于恒定湿热试验简单、经济和再现性好，则应采用恒定湿热试验。

温度/湿度组合循环试验主要用于元器件。

如果产品由不同材料组成，有接口，特别是有金属—玻璃接口，为了考虑接口和导线连接之间的性能，建议采用这种试验。

但应注意，这种试验操作麻烦，不易控制和不经济，只