腐蚀气体试验：评估材料在恶劣气体环境中的耐受性

引言
在工业生产、电子设备、汽车制造、能源设施等诸多领域，材料和产品不可避免地会暴露于各种含有腐蚀性气体的环境中。这些气体（如硫化氢、二氧化硫、氯气、氮氧化物、氨气等）会对金属、涂层、电子元器件、绝缘材料等造成严重的腐蚀破坏，导致性能下降、寿命缩短甚至功能失效。腐蚀气体试验（通常也称为混合气体试验或有害气体试验）正是为了在实验室可控条件下，模拟加速这类真实环境，评估材料或产品对特定腐蚀性气体的耐受能力，从而为材料选择、工艺改进、产品设计和品质控制提供关键依据。

一、试验目的与基本原理

  1. 核心目的：

    • 评估耐受性： 确定材料或产品在特定腐蚀性气体环境中抵抗腐蚀、劣化和功能失效的能力。
    • 比较筛选： 对比不同材料、不同工艺、不同防护措施在相同腐蚀条件下的性能差异，辅助选材和优化。
    • 预测寿命： 通过加速试验，在一定程度上推算材料或产品在实际使用环境中的预期寿命或可靠性。
    • 质量控制： 作为产品出厂前或批产过程中的可靠性验证手段，确保满足设计要求和使用标准。
    • 失效分析： 研究特定腐蚀模式，分析失效机理，为改进提供方向。

  2. 基本原理：

    • 环境模拟： 在密闭试验箱内，精确控制一种或多种腐蚀性气体的浓度、温度、相对湿度等关键参数，模拟目标环境（如工业大气、海洋大气、特定工业过程环境等）或创造更严苛的加速条件。
    • 加速腐蚀： 通过提高腐蚀性气体浓度、温度、湿度或引入冷凝等手段，加速腐蚀反应过程，在相对较短的试验时间内观察到在实际环境中可能需要长时间才能显现的腐蚀效应。
    • 反应发生： 材料表面与气体发生化学或电化学反应（如氧化、硫化、氯化），形成腐蚀产物（如氧化物、硫化物、氯化物），或导致涂层起泡、剥落，电子元器件引线断裂、接触不良等。
 

二、试验的核心要素

  1. 腐蚀性气体种类：

    • 常用气体：
      • 硫化氢： 对银、铜及其合金腐蚀性强（生成硫化银、硫化铜发黑），也影响某些焊料。
      • 二氧化硫： 在潮湿环境下形成亚硫酸，腐蚀多种金属（如钢、锌、镍）和碳酸盐类材料。
      • 二氧化氮/氮氧化物： 形成硝酸，腐蚀金属，导致某些塑料和橡胶老化。
      • 氯气： 强氧化剂，对大多数金属（尤其不锈钢在特定条件下）和许多有机材料有强腐蚀性。
      • 氨气： 对铜及铜合金应力腐蚀破裂敏感，影响某些涂层和塑料。
    • 气体选择： 根据产品预期暴露的实际环境或相关标准要求确定。可进行单一气体或多种气体混合的试验。

  2. 气体浓度：

    • 浓度范围通常从极低（ppb - 十亿分之一）到较高（ppm - 百万分之一）不等。试验浓度需反映实际暴露水平或采用加速水平。
    • 浓度控制要求精确且稳定，常用精密的质量流量控制器实现。

  3. 温度：

    • 温度是影响腐蚀速率的关键因素（通常遵循阿伦尼乌斯定律，温度每升高10°C，反应速率大约增加一倍）。
    • 常用温度范围在25°C至50°C或更高（如80°C），具体依据标准和加速需求设定。需精确控制（如±1°C或±2°C）。

  4. 相对湿度：

    • 大多数气相腐蚀反应需要水分作为电解质参与。相对湿度控制至关重要。
    • 典型设定范围在40% RH到90% RH或更高（甚至产生冷凝）。湿度控制的精度（如±3% RH）和稳定性直接影响结果的可重复性。

  5. 试验箱：

    • 材质： 必须高度耐腐蚀（如高级不锈钢、聚四氟乙烯内衬、特种玻璃等），确保箱体本身不被试验气体腐蚀且不释放干扰气体。
    • 密封性： 优异的密封性能，防止气体泄漏和外部空气干扰。
    • 温湿度控制： 精确、均匀、稳定的控制能力。
    • 气体发生与导入： 能精确产生和计量所需浓度的气体（气瓶、气体发生器），并通过均匀分布装置导入箱内。
    • 空气置换： 部分试验需要定期置换箱内空气以维持气体比例稳定或引入新鲜空气。
    • 安全措施： 强排风系统、气体浓度监测报警、自动切断装置等，确保操作人员安全。

  6. 试验样品：

    • 需代表实际产品状态（如带保护膜的需覆膜，需通电工作的需通电）。
    • 放置位置应确保所有暴露面接触气体，样品间距避免相互干扰气体流动。
    • 状态监控（如功能性样品需在试验中和结束后测试功能）。
 

三、典型试验流程

  1. 前期准备：

    • 明确要求： 确定试验目的、依据的标准（如IEC 60068-2-60, IEC 60068-2-43, GB/T 2423.51, ASTM B845, ASTM B827等）、具体的试验条件（气体种类、浓度、温度、湿度、持续时间）。
    • 样品准备： 清洁样品（避免引入污染物），记录初始状态（外观、尺寸、重量、电气性能等），必要时安装监控探头或连接测试线。
    • 设备校准： 确保试验箱温湿度传感器、气体浓度检测仪、流量计等计量设备在有效期内且状态准确。
    • 安全确认： 检查排风、报警、气体存储等安全系统功能正常。

  2. 试验执行：

    • 样品放置： 将样品按要求放入试验箱内指定位置。
    • 环境调节： 关闭箱门，启动温湿度控制系统，使箱内环境达到设定值并稳定。
    • 气体导入： 启动气体发生/导入系统，精确注入设定浓度的腐蚀性气体。持续监测并维持气体浓度稳定。
    • 试验运行： 在设定的温湿度和气体浓度条件下运行规定的时间（数小时至数千小时不等）。期间可能需要定期补充气体、置换空气、记录环境参数。
    • 状态监控： 若适用，在试验过程中监测样品功能状态。

  3. 试验结束与恢复：

    • 气体排出： 试验时间到达后，首先安全地排出试验箱内的腐蚀性气体（通过强排风系统排至废气处理装置）。
    • 环境恢复： 通入洁净空气置换，使箱内环境恢复至接近常温常湿状态。
    • 样品取出： 在安全的环境下小心取出样品（可能需要佩戴防护装备）。
    • 恢复期： 根据标准要求，样品可能需要在标准大气条件下（如23±2°C, 50±10% RH）放置一段时间（通常1-24小时），使其状态稳定。

  4. 样品检测与评估：

    • 外观检查： 仔细检查样品表面腐蚀状况（变色、锈蚀、点蚀、起泡、剥落、裂纹等），拍照记录。清洁前后状态对比有时很重要。
    • 物理性能测试： 测量尺寸变化、重量变化（增重或失重）、附着力（涂层）、机械强度等。
    • 电气性能测试： 测量电阻、绝缘电阻、接触电阻、电气功能等。
    • 化学分析： 对腐蚀产物进行能谱分析、X射线衍射分析等，确定成分和相结构。
    • 微观检查： 金相显微镜、扫描电镜观察微观腐蚀形貌、裂纹等。
    • 功能测试： 验证产品整体功能是否正常。
    • 结果判定： 根据试验目的、标准要求或预先定义的接收准则，对样品的腐蚀程度和性能变化进行判定（通过/失败，或分级描述腐蚀程度）。
 

四、结果评估与报告

  1. 结果呈现：

    • 详细记录试验条件（气体种类浓度、温度、湿度、时间等）。
    • 清晰描述每个样品的腐蚀位置、类型、程度（文字描述、照片、分级评分）。
    • 列出所有检测项目的原始数据及与初始值的对比。
    • 提供微观图片或分析图谱。

  2. 评估依据：

    • 基于适用的国际、国家、行业或企业标准。
    • 基于客户特定的技术协议或接收规范。
    • 基于与参照样品的对比结果。

  3. 试验报告： 应包含以下关键信息：

    • 试验目的与依据标准。
    • 详细的试验条件参数。
    • 样品描述（材质、状态、编号）。
    • 试验设备信息。
    • 试验程序简述。
    • 完整的检测结果（数据、图片、描述）。
    • 结果评估与结论。
    • 试验日期、人员、实验室信息（注意避免企业名称）。
 

五、应用范围

腐蚀气体试验广泛应用于：

  • 电子电工： 连接器、继电器、印刷电路板、半导体器件、传感器等电子元器件的耐腐蚀性评估。
  • 汽车工业： 汽车电子部件（ECU、传感器、线束端子）、金属零部件、涂层、橡胶密封件等。
  • 金属材料与防腐： 评估不同金属及合金、镀层（镀金、镀银、镀锡、镀镍等）、转化膜（如磷化、钝化）的耐蚀性。
  • 涂层与涂料： 评估防腐涂料、装饰性涂层的耐气体腐蚀性能。
  • 工业设备： 暴露于化工、石化、冶炼、造纸等工业环境中的设备部件选材。
  • 航空航天： 航空电子设备、发动机部件的环境适应性验证。
 

六、重要注意事项

  1. 安全第一： 腐蚀性气体通常具有毒性、刺激性、易燃性或腐蚀性。试验必须在具备良好通风、专业防护设备（如通风橱、防毒面具、耐腐蚀手套）和严格安全规程的实验室进行。废气必须妥善处理。
  2. 标准选择： 务必选择合适的、公认的试验标准，确保试验方法的权威性和结果的可比性。不同标准的试验条件存在差异。
  3. 参数控制精度： 温度、湿度、气体浓度的控制精度和稳定性是试验成败和结果可比性的关键。设备需定期维护和校准。
  4. 样品代表性： 样品状态（如清洁度、应力状态）和放置方式需符合标准要求，真实反映产品状态。
  5. 结果解读： 加速试验结果需谨慎外推到实际服役环境。不同材料和腐蚀机制对加速因子的响应不同。结果应结合材料特性、实际环境数据和工程经验综合判断。
 

结语
腐蚀气体试验是评估材料及产品在恶劣气体环境中长期可靠性的重要工具。通过精确模拟和控制特定的腐蚀性气氛环境，该试验能够高效地暴露潜在的腐蚀风险，为材料研发、产品设计、工艺优化和质量保障提供客观、量化的数据支撑。严格遵守标准规范、确保试验精度、重视操作安全、结合实际情况解读结果是获得有效评估结论的关键。随着工业发展对产品可靠性和寿命要求的不断提高，腐蚀气体试验在环境适应性验证领域将持续发挥其不可替代的作用。