Испытания на биологические, космические, коррозионно-активные и технологические воздействия

Испытания ЭС Лекция 8 ИСПЫТАНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ, КОСМИЧЕСКИЕ, КОРРОЗИОННО-АКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ Биологические воздействия • В настоящее время ГОСТами регламентируется учет следующих биофакторов: плесневых грибов, насекомых, грызунов и почвенных микроорганизмов. Наибольшие разрушения ЭС наблюдаются при воздействии грибковой плесени. Поэтому испытание на грибоустойчивость — самый распространенный вид испытания на биологические воздействия. • Испытание на грибоустойчивость проводят с целью определения способности материалов и покрытий, применяемых при изготовлении ЭС, противостоять грибковой плесени в среде, зараженной плесневыми грибами. Это испытание осуществляют на образцах, которые не подвергались каким-либо другим воздействиям. 2 Испытания на грибоустойчивость • Для испытания на грибоустойчивость используют следующее оборудование: камеры грибообразования (например, типа КВТ/Г) или термостаты (например, типа ТС80), обеспечивающие температуру нагрева + (29±2)°С и относительную влажность в рабочем объеме более 90%; эксикаторы; сушильные шкафы; автоклавы, биологические микроскопы; пульверизаторы; чашки Петри; пробирки и т. д. 3 Камера грибообразования • Камера грибообразования выполняется с двойными стенками, образующими воздушную рубашку, внутри которой циркулирует нагретый воздух. К камерам предъявляются следующие специфические требования, высокая равномерность распределения температуры и влажности по объему; отсутствие циркуляции воздуха; полное затемнение внутреннего объема; обязательное обезвреживание воздуха, выходящего из камеры; высокая грибоустойчивость материалов и деталей камеры. До проведения испытания выполняют посев и выращивают культуры грибов, заранее изготовив питательную среду для выращивания и хранения этих культур. Подготовка к испытанию заключается в стерилизации необходимой посуды, проверке образцов и очистке их от внешних загрязнений. За 2 ч до начала испытания контролируют 4 жизнеспособность спор грибов. Методы испытаний на грибоустойчивость • Различают два метода испытаний на грибоустойчивость. При первом методе образцы ЭС, отобранные для испытания, тщательно очищают от загрязнений этиловым спиртом, при втором — выборку из четного числа образцов делят на две равные части. Для выявления причин поражения изделий грибами подвергают очистке от загрязнений этиловым спиртом только первую группу образцов. Таким образом, при использовании первого метода устанавливается, содержат ли ЭС источники питания для развития и роста грибов; при втором методе, кроме того, устанавливается наличие фунгицидных свойств у изделий и влияние внешних загрязнений на грибоустойчивость ЭС, т. е. он является более 5 информативным. Проведение испытаний на грибоустойчивость • Камеру закрывают. Продолжительность испытания 28 сут. Однако уже по истечении 5 сут из камеры извлекают контрольные чашки Петри. Если на питательной среде чашек рост грибов не наблюдается, то испытание повторяют на новых образцах с вновь приготовленной суспензией из новых партий грибов. • По окончании испытания образцы извлекают из камеры и сразу осматривают сначала невооруженным глазом в рассеянном свете при освещенности 2000.3000 лк, а затем при увеличении в 56.60 раз. Оценка результатов испытания на грибоустойчивость • Оценку грибоустойчивости изделий производят по росту грибов на образцах по следующей шестибалльной системе. Для повышения точности оценки грибоустойчивости рекомендуется пользоваться фотообразцами, приведенными в приложении к ГОСТ 9 048—75. Изделия считают выдержавшими испытание по первому методу, если рост грибов на них не превышает 2 балла. Результаты испытания по второму методу, оцениваемые по группам образцов, считают положительными, если рост грибов на образцах первой группы не превышает 2 балла, а на образцах второй группы — 3 балла. 7 Окончание испытаний на грибоустойчивость • После испытания составляют его протокол, в который заносят результаты испытания. По окончании испытания образцы либо дезинфицируют в автоклаве в течение 1 ч при давлении 0,1 МПа и температуре 121 °С, либо промывают 5 %-ным раствором фенола/формальдегида или 10 %-ным раствором перекиси водорода. Оптические детали протирают спиртом. Недорогие образцы уничтожают. 8 Испытание на устойчивость материалов к воздействию термитов • В лабораторных условиях испытание осуществляют в термостатах при температуре +(26± ±0,5) °С и влажности воздуха, близкой 100 %. • На образец материала, имеющий форму пластины размером 40X80 мм, накладывают полоску фильтровальной бумаги так, чтобы она закрывала половину поверхности образца. Смачиваемая бумага является источником питания и влаги. Затем на каждый образец устанавливают по два стеклянных садка и прижимают их к образцу пружинами или резиновыми кольцами. В каждый садок помещают по 50 термитов. Для наблюдения за жизнеспособностью термитов готовят контрольные садки. Садки с образцами и контрольные садки вводят в термостаты. Три раза в неделю визуально учитывают степень 9 повреждения термитами образцов (отверстия, Испытание изделий и материалов на устойчивость к воздействию грызунов • Для проведения испытания используют взрослых особей грызунов, которых заранее дрессируют, чтобы приучить доставать пищу, преодолевая преграду — картон толщиной 2...3 мм. Клетки для проведения испытания изготовляют из каркаса и сетчатых металлических стенок с размером ячейки не более 5...8 мм. В середине клетки имеется перегородка с отверстием 70X70 мм, которое закрывают преградой — испытываемыми образцами. Продолжительность испытания 24 ч. По окончании испытания образцы осматривают, отмечают характер и размеры повреждений. Образцы считают выдержавшими испытание, если они не повреждены (0 баллов) или на их поверхности имеются следы зубов грызунов в виде неглубоких царапин (1 балл). Коррозионно-активное воздействие • Испытание на коррозионно-активное воздействие проводят для оценки коррозионной стойкости металлов, сплавов и покрытий, применяемых в ЭС, к воздействию рабочей среды (среды, в контакте с которой происходит эксплуатация ЭС, их деталей или сборочных единиц), способной изменять свою коррозионную активность в зависимости от температуры и влажности. • Рабочей средой, оказывающей коррозионное воздействие на ЭС, может служить воздух, топливо (в том числе многокомпонентное), окислители, рабочие жидкости гидросистем, синтетические и минеральные масла, охлаждающие жидкости, смазки, продукты сгорания топлива, морская и даже дистиллированная вода, различные агрессивные среды (газы), коррозионная активность которых часто возрастает не столько с повышением температуры, сколько с повышением влажности. Коррозионно-активные воздействия • • Под коррозионно-активным воздействием обычно понимают совместное воздействие агрессивного газа, влажности и температуры. В качестве агрессивного газа, ускоряющего коррозионный процесс при испытаниях иногда применяют кислотный раствор хлористого натрия и двухлористой меди. Испытание образцов циклическим воздействием сернистого газа осуществляют путем непрерывного следования циклов продолжительностью 24 ч (от начала нагрева закрытой камеры). Перед началом каждого цикла в водяную баню на дно камеры наливают заданное ПИ количество воды; камеру плотно закрывают. Коррозионную стойкость прошедших испытание образцов можно оценить различными методами, из которых наиболее широко применяют гравиметрический (по изменению массы) и визуальный. Если удаление продуктов коррозии возможно, наблюдается потеря массы испытываемого образца; если продукты коррозии малорастворимы и имеют достаточную адгезию, происходит увеличение массы образца. 12 Камера для проведения испытаний на воздействие сернистого газа 13 Методы оценки коррозионной стойкости При гравиметрическом методе оценки коррозионной стойкости испытываемые образцы и образцы сравнения (эталонные образцы, не прошедшие испытания), коррозионное поведение которых оценивают по потере массы, после обезвоживания выдерживают не менее 24 ч в эксикаторе с влагопоглотителем (например, силикагелем), а затем взвешивают; образцы массой до 200 г — с погрешностью не более ±0,0001 г; массой свыше 200 г — с погрешностью ие более ±0,01 г. Потеря массы на единицу площади S (см2) поверхности образца Pm= (m-m1)104/S, где т — масса образца до испытания, г; m1—масса образца после испытания и удаления продуктов коррозии, г. На практике большее распространение получил визуальный метод оценки коррозионной стойкости. При визуальной оценке коррозионных очагов различают точечное разрушение (коррозионный очаг имеет максимальный размер до 0,1 см) и разрушение пятнами (максимальный размер коррозионного очага превышает 0,1 см). Оценивают удельную совокупную площадь Sкор коррозионных очагов n по отношению к оцениваемой поверхности Sоцн. 14 ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА КОСМИЧЕСКИЕ И РАДИАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ Перечень испытаний: • На воздействие ультранизких давлений • На воздействие криогенных температур • Термовакуумные испытания • На воздействие невесомости • На радиационные воздействия • На воздействие ионизирующих излучений • На воздействие потоков корпускулярных частиц (на покрытие ЭС) 15 Воздействие ультранизких давлений • Испытание ЭС на воздействие ультранизких давлений проводят для определения способности материалов и элементов ЭС сохранять при таких давлениях свои параметры в пределах, указанных в НТД, а также для проверки правильности принятых схемных и конструктивно-технологических решений. Испытание осуществляют в глубоком вакууме. Минимальная продолжительность испытания равна (или несколько превышает) времени установления стационарного исследуемого процесса или явления. Ориентировочные значения давлений, необходимые для воспроизведения в лабораторных условиях основных физических явлений, происходящих в космосе, приведены в табл. 6.1. • Материалы, узлы, элементы, а также ЭС в целом подвергают испытаниям в вакуумных установках. 16 Вакуумная испытательная установка • Современная вакуумная испытательная установка — сложная система, в состав которой входят: вакуумная камера с системой трубопроводов, разнообразные насосы, вакуумметры, термометры, расходомеры криогенных жидкостей, емкости и баллоны с криогенными жидкостями, регуляторы, клапаны и краны, электроприводы, блоки контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры. 17 Воздействие криогенных температур • Испытание ЭС на воздействие криогенных (ниже 120 К) температур проводят с целью проверки устойчивости параметров изделий при низких температурах. Криогенные (охлаждающие) системы, предназначенные для испытания, входят в состав термовакуумных испытательных установок с многоступенчатой откачной системой и включают следующие элементы. • собственно криокамеру (или криостат), т.е. конструкцию с рабочим объемом, в котором непосредственно размещается испытываемый объект (образец) и происходит его охлаждение (в криокамере — парами хладагента или охлажденным газом, в криостате — жидким) хладагентом) до заданной температуры; 18 • хладагент; Криостат 19 Выбор типа хладагента и стадии охлаждения образцов • Выбор типа хладагента определяется предельной температурой охлаждения испытываемого объекта. Для охлаждения до температур ниже 200 К обычно используют жидкие газы: азот (температура кипения 77 К), водород (20 К), гелий (4,2 К), неон (30 К). • Испытываемые образцы охлаждают обычно в два этапа: сначала жидким азотом до температуры около 73 К, а затем до более низких температур — жидким гелием и его парами. • Устройство подачи хладагента с помощью сжатого газа показано след.слайде. При поступлении газа из баллона 1 по трубопроводу 2 в верхней части сосуда Дьюара 4 создается повышенное давление, вследствие 20 чего жидкий хладагент 6 по трубке 3 и трубопроводам Устройство подачи хладагента с помощью сжатого газа 1 — баллон со сжатым газом; 2 — трубопровод с клапанами; 3 — трубка; 4 — сосуд Дьюара; 5 — вакуумно-порошковая изоляция; 6 — жидкий хладагент Специальные виды космических испытаний • • • • • Термовакуумные испытания Испытания на воздействие невесомости Радиационные воздействия Испытания на воздействие ионизирующих излучений Испытания на воздействие потоков корпускулярных частиц на покрытие ЭС 22 Термовакуумные испытания Термовакуумные испытания проводят для исследования работоспособности ЭС в зависимости от их теплового режима в условиях космоса. Для обеспечения теплового режима ЭС в лабораторных условиях, аналогичных условиям их эксплуатации в космосе, достаточно воспроизвести основные факторы космического пространства: глубокий вакуум; солнечное излучение; излучения планет солнечной системы, влияющие на условия эксплуатации ЭС; «холод» и «черноту» пространства за пределами телесных углов, занимаемых Солнцем и рассматриваемой планетой. Цикл отработки теплового режима ЭС включает: проверку работоспособности ЭС и их составных частей в условиях реальных нестационарных градиентов температуры; исследование поля температур в отсеках космического аппарата (КА), где размещены ЭС, и взаимного влияния температурных полей различных тепловыделяющих устройств КА на работоспособность ЭС; выбор оптимального размещения ЭС и тепловыделяющих устройств КА; определение фактических температурных пределов работоспособности ЭС; проверку эффективности работы системы терморегулирования в условиях, максимально приближающихся к реальным; исследование работы системы терморегулирования в аварийных ситуациях; определение ресурса ЭС и их составных частей; исследование Факторы воздействия космической радиации 24 Имитаторы лучистых потоков солнца • Моделирование теплового режима ЭС производят в вакуумной камере, в которой устанавливают имитаторы лучистых потоков Солнца, планеты и орбиты КА. Для испытания выбирают КА, аналогичный предназначенному для полета в космос. На нем устанавливают датчики температуры в точках, наиболее полно характеризующих его тепловое поле, и датчики других величин (давления, расхода теплоносителя и др.). Качество имитатора солнечного излучения характеризуется плотностью потока лучистой энергии и углом расхождения лучей в рабочей зоне, соответствием спектра лучистого потока спектру естественного излучения Солнца и поляризацией лучей. Для весьма совершенного имитатора не должны быть превышены следующие значения: неоднородность плотности потока лучистой энергии во всем объеме рабочей зоны ±5%, расхождение лучей ±2°, среднее 25 квадратическое отклонение спектральных плотностей Схема солнечного имитатора с осевым имитатором • 1 — ртутно ксеноновые лампы, 2 — гиперболоидное зеркало; 3 — параболоидное зеркало, 4 — лннза; 5—главное коллимирующее параболоидное зеркало, 6 — многогранный отражатель, 7 — рабочая зона с испытываемым КА; 8 — криогенные экраны: 9 — Диффузионные насосы 26 Работа солнечного имитатора с осевым потоком излучения • Солнечный имитатор дает вертикальный осевой поток излучения, максимальная плотность энергии которого достигает 2700 Вт/м2. Лучи от источника лучистой энергии (ртутно-ксеноновых ламп) собираются параболоидным зеркалом 3 и концентрируются на псевдогиперболоидном выпуклом зеркале 2 Далее пучок лучей проходит через линзу 4, выполняющую одновременно роль окна, и попадает на рассеивающее зеркало 6, направляющее лучи на главное параболоидное зеркало 5, которое и формирует коллимированный (параллельный) поток в рабочей зоне 7 27 Солнечный имитатор с неосевым зеркалом 28 Испытания ЭС на влияние невесомости проводят для исследования их работоспособности в условиях невесомости. Для имитации этих условий применяют различные методы. Кратковременное состояние невесомости может быть достигнуто с помощью специально оборудованного самолета, выполняющего маневр по кеплеровским траекториям. Одна из них, позволяющая достигать полной невесомости в течение 12... 15 с, показана на следующем слайде. Время тн действия невесомости можно увеличить повышая скорость V самолета в точке 2. Так, если при V = 465 км/ч tн=12...15 с, то при V = 800 км/ч tн = 34 с, а в сверхзвуковом самолете tн=4 мин. 29 Кеплеровские траектории полета самолета H,км Маневр, выполняемый на самолете с целью имитации состояния невесомости: 1 — пикирование под углом 10°; 2 — начало восходящей части траектории (V=465 км/ч; перегрузка 2,5g, 3 — начало траектории с нулевой перегрузкой (наступление невесомости); 4 — окончание состояния невесомости, 5—начало перегрузки; H — высота полета 30 Радиационные воздействия • Электронные средства, работающие в условиях космоса и на объектах, содержащих радиационные установки, могут подвергаться воздействию радиоактивного излучения, которое количественно характеризуется параметрами, представленными в табл. 6.4. Для измерения поглощенной дозы радиоактивного излучения применяется специальная единица-—грей. Грей равен поглощенной дозе радиоактивного излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия излучения 1 Дж: 1 Гр= 1Дж/кг. • Воздействие на ЭС радиоактивного излучения приводит к радиационным повреждениям изделий. При этом различают необратимые (остаточные) и обратимые (временные) нарушения. 31 • Необратимые нарушения связаны с изменением структуры применяемых в ЭС материалов и прежде всего полупроводниковых. К таким нарушениям относятся: перегруппировка атомов в кристаллической решетке; появление вакансий; междоузельных атомов, дислокаций; внедрение инородных атомов. Обратимые нарушения, например в ИС, наблюдаются при переходе электронов и дырок в неравновесное состояние, которое из-за большой подвижности носителей заряда быстро восстанавливается после прекращения облучения. Тем не менее и обратимые изменения могут ухудшать параметры ЭС, вызывая увеличение токов утечки и снижение сопротивления изоляционных, полупроводниковых и проводящих материалов. В технике испытаний под радиационными дефектами обычно понимают только не32 обратимые нарушения. Воздействие ионизирующих излучений • В качестве источников радиоактивного излучения в лабораторных условиях применяют ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы. • Проводится в вакуумных камерах внутри ускорителей частиц. Компоненты ЭА, подвергнутой воздействию радиоактивных излучений, характерных для эксплуатационных условий, могут изменять свои параметры. Поскольку радиоактивные излучения, проникая в толщу материала, вызывают в нем ионизацию, то часто они называются ионизирующими. • Радиоактивные излучения подразделяются на корпускулярные и квантовые. Первые представляют собой потоки быстрых элементарных частиц (нейтронов, протонов, ядер атомов химических элементов, бета-, альфа- и других частиц), вторые — электромагнитные 33 ионизирующие излучения (гамма и рентгеновское). Установки для ионизирующих воздействий 34 Классификация установок • По форме траектории заряженных частиц ускорители делятся на линейные и циклические. В линейных ускорителях траектории заряженных частиц близки к прямой линии, а в циклических частицы под действием ведущего магнитного поля (постоянного или изменяющегося во времени) движутся по орбитам, близким к круговым. • По характеру ускоряющего электрического поля ускорители подразделяются на высоковольтные, индукционные и резонансные. В высоковольтных ускорителях ускоряющее электрическое поле создается большой разностью потенциалов между электродами ускоряющего промежутка и действует в течение интервала времени, значительно большего, чем время пролета частицами всего пути ускорения. В таких ускорителях траектория частиц 35 является прямолинейной. Классификация установок • • В индукционных ускорителях ускорение частиц осуществляется с помощью вихревого электрического поля, которое создается за счет изменения магнитного поля. Работа резонансных ускорителей основана на движении заряженных частиц синхронно (в резонанс) с переменным ускоряющим электрическим полем. Частота этого поля может быть постоянной или монотонно изменяющейся. 36 Воздействия потоков корпускулярных частиц на покрытия ЭС • При работе ЭС в условиях космоса помимо радиационных повреждений ЭС, связанных с нарушением работы их элементов (см. § 6.4), наблюдаются также повреждения покрытий ЭС при воздействии потока различных корпускулярных частиц. Для исследования качества покрытий проводят испытания ЭС как при раздельном воздействии потока частиц с различными факторами космического пространства, так и при совместном их воздействии. Эти испытания относят к специальным видам космических испытаний. Моделирование воздействия потоков корпускулярных частиц осуществляют на различных установках. Эти установки можно условно разбить на пять групп, каждая из которых предназначена для имитации воздействия определенного вида корпускулярных частиц, 37 вызывающих повреждения покрытий. Технологические воздействия • К испытаниям ЭС на технологические воздействия относятся испытания на воздействие сред заполнения, на паяемость, на теплостойкость при пайке, на воздействие ряда технологических факторов (например, испытание прочности выводов и их креплений). 38 Испытание на воздействие газовых сред заполнения • (гелий, аргон, азот и др.) 39 Испытание на паяемость • осуществляют с целью проверки способности выводов изделий образовывать соединения в течение определенного времени, названного в стандарте «временем пайки». Оно определяется временем, которое требуется для достижения в заданных условиях необходимой степени смачивания поверхности выводов припоем. На практике применяют три метода испытания на паяемость. • При использовании всех трех методов изделия считают выдержавшими испытание на паяемость, если при визуальном осмотре установлено, что поверхность их выводов покрыта сплошным слоем припоя не менее чем на 95 %. 40 Испытание на теплостойкость при пайке • проводят с целью определения способности изделий выдерживать воздействие теплоты, образующейся при пайке. Для испытания служат два метода: с применением паяльной ванны или паяльника. Эти методы отличаются от предыдущих (на паяемость) только более длительным временем выдержки в ванне и в контакте с паяльником. Изделия считаются выдержавшими испытание, если их внешний вид и параметры соответствуют установленным в стандартах нормам. 41 Испытание прочности выводов и их креплений • проводят для определения способности выводов изделий выдерживать воздействия механических факторов, аналогичные воздействиям на эти элементы при монтаже и эксплуатации изделий. К воздействующим механическим факторам относят: растягивающие силы, направленные вдоль осей выводов, имеющих жесткое крепление; сжимающие силы, определяющие способность выводов выдерживать нагрузки, аналогичные тем, которые возникают при монтаже и эксплуатации; изгибающие силы (для ленточных и проволочных выводов); крутящий момент (для резьбовых выводов); скручивание (для одножильных осевых проволочных выводов диаметром 0,3... 1,2 мм). Таким образом, прочность гибких выводов изделий проверяют испытанием на воздействие растягивающей силы, изгиб и скручивание, а резьбовых выводов — на воздействие крутящего момента. 42 43