腐蚀性气体环境试验：守护产品在严苛环境中的可靠性

在冶金、化工、发电、交通运输等工业领域及污染严重的城市环境中，设备长期暴露于含硫化物（如H₂S、SO₂）、氯气（Cl₂）、氮氧化物（NOx）等腐蚀性气体的氛围中。这些气体看似无形，却能悄然侵蚀金属部件、腐蚀电子触点、劣化绝缘材料，导致设备性能退化、功能异常甚至灾难性失效。腐蚀性气体环境试验正是模拟这类严苛条件，在实验室可控环境中加速评估产品耐受能力、揭示潜在缺陷的核心可靠性试验手段。

一、试验目的与重要性

  • 评估耐受性： 核心目标是确定产品（特别是电子电器元件、连接器、印制电路板、金属结构件、涂层等）在规定浓度和时长的特定腐蚀性气体环境中，其材料、结构和功能性能的变化程度。
  • 揭示失效机理： 识别主要的腐蚀模式和失效部位（如触点电阻增大、引线断裂、焊点腐蚀、涂层起泡剥落、绝缘电阻下降、器件功能异常等）。
  • 比较与筛选： 对比不同材料、防护工艺（如涂层、密封、钝化）、结构设计在抗气体腐蚀方面的优劣，为选材和设计优化提供依据。
  • 验证可靠性： 确认产品在其预期的含腐蚀性气体环境中的使用寿命和可靠性是否满足设计要求或相关标准。
  • 规避风险： 在产品上市或部署前发现潜在的腐蚀失效问题，避免因现场失效导致的经济损失和安全事故，提升品牌信誉。
 

二、试验原理

该试验属于加速环境试验范畴。其基本原理在于：

  1. 模拟环境： 在密闭试验箱（通常具备优良的气密性和耐腐蚀性内胆）内，人工制造并精确控制含有一种或多种特定腐蚀性气体（常见如H₂S、SO₂、Cl₂、NO2或其混合气体）的环境。
  2. 强化条件： 通过提高气体浓度、控制适宜的温湿度（通常介于25°C至40°C，75%RH至85%RH范围）等手段，加速气体与材料表面的物理化学反应（如硫化、氧化、酸化）。
  3. 暴露考核： 将试样暴露于此强化环境中一定时间（数小时至数百小时不等）。
  4. 性能检测： 试验结束后，取出试样，在标准大气条件下恢复规定时间（如1-4小时），然后进行外观检查、电气性能测试（如接触电阻、绝缘电阻、功能测试）、机械性能测试或深入的微观分析（如SEM/EDS观测腐蚀产物），评估其性能衰减或损伤情况。
 

三、常用标准

试验条件（气体种类、浓度、温度、湿度、持续时间）主要依据国际、国家或行业标准设定，确保结果的可比性和权威性。主要标准包括：

  • IEC 60068-2-60： 环境试验 第2-60部分：试验方法 试验Ke：流动混合气体腐蚀试验。这是最广泛应用的电子电工产品基础标准，详细规定了H₂S、Cl₂、NO₂、SO₂等气体的混合比例、浓度、温湿度及试验流程（如4级严酷等级）。
  • IEC 60068-2-43： 环境试验 第2-43部分：试验方法 试验Kd：触点和连接件的硫化氢试验。专门针对触点类器件（如继电器、开关、连接器）的H₂S腐蚀试验。
  • IEC 60068-2-42： 环境试验 第2-42部分：试验方法 试验Kc：触点和连接件的二氧化硫试验。针对SO₂腐蚀的专项试验。
  • GB/T 2423.51： 电工电子产品环境试验 第2部分:试验方法 试验Ke:流动混合气体腐蚀试验（等同采用IEC 60068-2-60）。
  • GB/T 2423.19 / IEC 60068-2-11： 环境试验 第2部分：试验方法 试验Ka：盐雾（虽非气体腐蚀，但常作为腐蚀防护的对比或补充试验）。
  • 行业特定标准： 如汽车电子领域的相关标准等，可能规定更具体的试验条件或接受准则。
 

四、试验设备与关键要求

核心设备是气体腐蚀试验箱，需满足：

  • 箱体： 具备优异的密封性，确保气体浓度稳定；内胆及气流通道需高度耐腐蚀（如采用特种不锈钢、PVC、PP或PTFE涂层）；结构设计合理防止冷凝水滴落试样。
  • 温湿度系统： 精确控制箱内温度（精度通常±1°C或±0.5°C）和相对湿度（精度±3%RH或更高），均匀性符合标准要求。
  • 气体发生与控制系统： 能稳定、精确地发生、混合、输送目标气体（如使用质量流量控制器MFC），实时监测并自动调节箱内气体浓度（常用传感器：电化学传感器、激光光谱等）。
  • 废气处理： 配备有效的气体净化处理系统（如活性炭吸附、化学中和、燃烧分解），确保排放安全环保。
  • 安全防护： 气体泄漏报警、自动排风、过压保护等安全装置必不可少。
 

五、试验方法与流程

  1. 试样准备： 清洁试样，记录初始状态（外观、关键性能参数）。试样放置位置不应相互遮蔽或接触，通常置于耐腐蚀支架上。
  2. 试验条件设置： 依据选定标准或技术规范，设定气体种类、浓度、温度、相对湿度和试验持续时间。例如，IEC 60068-2-60的Level III条件可能为：Cl₂ (0.5 ± 0.1) ppm, H₂S (1.0 ± 0.1) ppm, NO₂ (2.0 ± 0.2) ppm, SO₂ (10.0 ± 1.0) ppm，温度(30.0 ± 0.5)°C，相对湿度(75 ± 3)% RH，持续时间21天。
  3. 预处理（如需要）： 有些标准要求在试验前进行温湿度稳定。
  4. 试验运行： 启动试验箱，通入规定浓度的混合气体。在整个暴露期间持续监测并记录温湿度和气体浓度。严格控制冷凝水，避免滴落试样。
  5. 恢复： 试验结束后，关闭气源，在标准实验室大气条件（如温度15-35°C，湿度45-75%RH）下恢复规定时间（通常1-4小时），让试样表面达到稳定状态。
  6. 评价：
    • 外观检查： 肉眼或低倍显微镜观察腐蚀产物（颜色、状态、分布）、变色、起泡、剥落、开裂等现象，并拍照记录。
    • 功能与性能测试： 测量关键电气性能（接触电阻、绝缘电阻、导通性、信号完整性等）、机械性能（如插拔力、结合强度），检查功能是否正常。与试验前数据对比。
    • 微观分析（深入分析）： 如有必要，使用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等工具分析腐蚀形貌、产物成分、失效机理。
  7. 结果判定： 依据产品规范、标准要求或双方协议中规定的接受/失效判据进行判定（如：接触电阻变化率≤10%；无功能失效；腐蚀面积占比≤5%；无基体金属腐蚀等）。
 

六、结果解读与注意事项

  • 腐蚀等级： 结果通常表现为材料的腐蚀程度（如轻微变色、中度腐蚀、严重腐蚀）、触点接触电阻的增长幅度、绝缘电阻的下降程度、功能失效与否等。
  • 加速性解读： 试验结果是加速条件下的表现，需结合实际服役环境（气体种类、浓度波动、温湿度变化、有无冷凝等）和专业经验进行相关性分析，推断实际使用寿命。
  • 浓度与时间： 提高气体浓度或延长试验时间是常用的加速手段，但需谨慎，过高的浓度可能导致非典型的腐蚀机制。
  • 湿度控制： 相对湿度是影响气体腐蚀速率的关键因素之一，必须精确控制。避免过高湿度导致大量冷凝水，使试验演变为“湿”腐蚀。
  • 试样代表性： 试样应能代表产品的关键部件和易腐蚀部位。复杂的整机可能需要拆解关键部件进行试验。
  • 恢复条件： 恢复时间和条件必须标准化，否则可能影响接触电阻等测量结果的准确性。
  • 气体稳定性与均匀性： 气体浓度在箱内不同位置和整个试验过程中的稳定性至关重要，需要定期验证。
 

七、应用范围

腐蚀性气体环境试验广泛应用于对环境和可靠性要求高的行业和产品：

  • 汽车电子： ECU、传感器、连接器、线束端子（特别是暴露于发动机舱或尾气附近）。
  • 电力电气： 继电器、开关、断路器、接触器、电表、电力电子器件（变电站、发电厂环境）。
  • 工业控制与自动化： PLC、变频器、伺服驱动器、I/O模块、工业连接器（工厂车间环境）。
  • 通信设备： 基站设备、交换机、路由器、连接器（户外或工业环境部署）。
  • 消费电子（特定环境）： 如安装在厨房（含硫、盐雾）或工业区附近的智能家居设备。
  • 航空航天航海： 机载/船载电子设备、连接器（海洋大气含盐雾及污染物）。
  • 新能源： 光伏逆变器、储能系统部件（特定安装环境如化工厂附近）。
 

八、常见误区与挑战

  • 混淆盐雾与气体腐蚀： 盐雾试验主要模拟含氯化物的海洋大气，腐蚀机理（电化学为主）和失效模式与混合气体腐蚀（化学腐蚀为主，涉及硫化、氧化等）显著不同，不能相互替代。
  • 忽视湿度影响： 仅关注气体浓度而忽视湿度精确控制，可能导致结果失真或不可重现。
  • 过度加速： 使用远超实际环境浓度的气体进行试验，可能引入非典型失效模式，使结果失去实际指导意义。
  • 关注“合格”而非机理： 仅满足“通过/不通过”判据，忽视对腐蚀失效模式和根本原因的分析，不利于后续的设计改进。
  • 设备维护不足： 试验箱密封件老化、传感器失效、废气处理系统饱和等，会导致试验条件失控，结果不可靠。定期校准和维护至关重要。
  • 样品制备不当： 试样表面残留指纹、油脂、焊剂等污染物，会干扰试验结果。
 

结语

腐蚀性气体环境试验是评估产品在含硫、氯、氮氧化物等污染大气中长期可靠性的关键环节。通过科学模拟和加速这些恶劣条件，该试验能够有效暴露材料和工艺缺陷，为产品选材、防护设计、工艺改进和质量控制提供坚实的依据。深入理解试验原理、严格遵循标准规范、精准控制试验条件、并结合微观分析解读结果，是确保试验有效性和结果价值的关键。在日益复杂的工业环境和严苛的产品可靠性要求下，腐蚀性气体环境试验将继续发挥其不可替代的重要作用，为产品的稳定运行和长久服役保驾护航。