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环境设计必须掌握的知识点
环境适应性是产品重要质量特性之一。产品耐环境能力(或环境适应性)优劣主要取决于其选用的材料、构件、元器件、零部件等耐环境的能力和结构设计、工艺设计时采取的耐环境措施是否完整、有效。耐环境设计是在产品设计过程中,研究或考虑环境因素对产品可靠性及性能的影响,从而采取相应的对策,减少或缓减环境因素对产品的影响。
环境是指任一时刻和任一地点产生或遇到的自然环境因素(如温度、湿度等)和诱发环境因素(如振动和冲击等)的综合体,是影响产品在运输、储存和使用中可靠性的重要因素,是进行产品可靠性设计和耐环境设计的基本依据。
环境因素包括自然环境因素和诱发环境因素,其分类和组成见表1。
表 1 环境因素分类及其组成
类型 | 类别 | 因素 |
自然环 境因素 | 地表 | 地貌、土壤、水文、植被 |
气候 | 温度、湿度、压力、太阳辐射、雨、固体沉降物、雾、风、盐雾、臭氧 | |
生物 | 生物有机物、微生物有机体 | |
诱发环 境因素 | 气载的 | 砂尘、污染物 |
机械的 | 振动、冲击、加速度 | |
能量的 | 声、电磁辐射 |
产品贮存、运输及使用条件下,各种环境因素及其重要性如表2所示。
表2 各种环境及其重要性
阶段 | 环境因素 | |||||||||||
地表 | 温度 | 湿度 | 压力 | 太阳辐射 | 淋雨 | 固体沉降物 | 雾 | 风 | 盐雾 | 臭氧 | ||
贮存 | O | A | A | C | O | O | O | O | O | C | C | |
运输 | 公路 | A | B | B | O | C | B | B | B | C | O | O |
铁路 | A | B | B | O | C | B | B | B | C | O | O | |
船舶 | O | C | B | O | C | C | O | B | C | B | O | |
飞机 | O | B | O | C | O | C | C | A | B | O | O | |
使用 | 寒区 | A | A | A | O | B | A | A | B | B | C | O |
湿热 | A | A | A | C | B | A | O | O | B | B | O | |
干热 | A | A | O | O | A | O | O | O | B | B | O | |
适中 | A | A | A | C | B | A | B | B | B | B | C | |
室内 | O | B | B | O | O | O | O | O | O | O | O | |
存放 | O | A | A | O | B | B | B | O | C | B | C |
注:A:最重要;B:重要;C:不重要;O:一般不会遇到此环境
表 2 各种环境及其重要性(续)
阶段 | 环境因素 | ||||||||||
生物 | 微生物 | 大气污染物 | 砂尘 | 振动 | 冲击 | 加速度 | 噪声 | 电磁辐射 | 核辐射 | ||
贮存 | B | B | C | C | C | B | O | O | O | O | |
运输 | 公路 | O | O | O | C | A | A | C | O | O | O |
铁路 | O | O | O | C | A | A | C | O | O | O | |
船舶 | C | O | O | O | B | C | C | O | O | O | |
飞机 | O | O | O | C | B | B | B | O | O | O | |
使用 | 寒区 | C | O | C | C | B | B | O | C | B | C |
湿热 | C | A | O | O | B | B | O | C | B | C | |
干热 | O | O | O | A | B | B | O | C | B | C | |
适中 | C | B | C | B | B | B | O | C | B | C | |
室内 | C | C | B | B | C | O | O | O | B | C | |
存放 | B | B | C | C | O | C | O | O | C | C |
注:A:最重要;B:重要;C:不重要;O:一般不会遇到此环境
元器件典型应用环境一般为振动、冲击、温度、湿度和盐雾等,其对元器件的单一影响如表3所示。实际上影响元器件性能和可靠性的环境因素可能是几种因素的组合,而组合因素对元器件的影响更为复杂。
表3典型环境下元器件失效模式
元器件 | 振动 | 冲击 | 温度 | 湿度 | 盐雾 |
半导体器件 | 断路;功率衰变 | 断路;密封破坏 | 漏电增大;增益改变;短路和断路增加 | 漏电增大;电流增益减少 | 漏电增大;电流增益减小;引线和壳体腐蚀 |
电阻器 | 引线断裂;破裂 | 破裂;断开 | 电阻增大;断路;短路 | 电阻增大;断路;短路 | 电阻改变;断路;短路 |
热敏电阻器 | 引线断裂;壳体破裂;断路 | 引线断裂;壳体破裂;断路 | 断路和短路增加 | 电阻变化 | 引线腐蚀电阻变化 |
电位器 | 噪声增大;扭矩改变;电刷跳跃;断路 | 噪声增大;扭矩和线性改变;断路 | 噪声增大;扭矩和线性改变;断路 | 噪声增大;扭矩和线性改变;绝缘电阻减小 | 绝缘电阻减小;腐蚀加剧;粘结 |
陶瓷电容器 | 导线断线增多;压电效应;壳体和密封破裂 | 导线断线增多;压电效应;壳体和密封破裂 | 介电常数和电容改变;绝缘电阻随温度升高而降低 | - | 腐蚀;短路 |
云母电容器 | 导线断裂 | 导线断裂 | 绝缘电阻增大;银离子移动;漂移 | 银离子移动 | 短路 |
纸质电容器 | 断路和短路增加;导线断裂 | 断路;介质击穿增加;短路;导线断裂 | 电容改变;油绝缘纸破裂;绝缘电阻减少;功率因数增加 | 绝缘电阻减少;功率因数增加 | 短路 |
钽电容器 | 断路;短路;电流聚增;导线断裂 | 断路;导线断裂 | 电介质泄露;电容变化;绝缘电阻减少;串联电阻变化 | 绝缘电阻减少;介质击穿增加;短路增加 | 腐蚀 |
变压器 | 断路;短路 | 断路;短路;功率输出变化 | 绝缘降低;断路;短路;热点畸变 | 腐蚀;长霉;断路;短路 | 腐蚀;断路;短路 |
继电器 | 断路;短路 | 触点断开或闭合 | 断路或短路;绝缘电阻随温度增高变小 | 绝缘电阻减小 | 引线腐蚀 |
电连接器 | 插头和插座分离;插件破裂;触点断开 | 触点断开 | 跳火;电介质破坏 | 短路;霉菌;触点腐蚀;绝缘电阻降低 | 腐蚀 |
开关 | 触点抖动 | 触点断开 | 触点氧化 | 触点烧坏;击穿 | 氧化和腐蚀触点烧坏 |
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