什么是冷热冲击试验

试验目的与作用机理

1.试验目的

冷热冲击试验主要用于考核产品对周围环境温度急剧变化的适应性。通过模拟高温和低温环境的快速交替变化，观察产品是否能在温度急剧变化的情况下保持正常功能，或者是否出现材料开裂、电子元件损坏等问题‌等。

2.作用机理

从物理层面看，冷热冲击的本质是“瞬态热应力—材料响应—失效触发”的耦合过程。当温度变化率≥20 °C/min 时，材料表层与芯部形成陡峭温度梯度，产生瞬态热应力σ_t：

σ_t ≈ E·α·ΔT

其中E为弹性模量，α为线膨胀系数，ΔT为瞬时温差。若σ_t超过材料屈服强度或界面结合强度，便会诱发裂纹萌生、扩展，直至功能丧失。对电子器件而言，焊球、键合线、塑封料之间的CTE（热膨胀系数）差异还会造成剪切疲劳，最终导致开路或短路。

3.参考标准

冷热冲击试验的常见参考标准包括GB/T 2423.22-2012、IEC 60068-2-14:2009、GJB 150.5A-2009、GB/T 28046.4-2011等。

典型失效模式与关键参数

1.失效模式

• 金属件：低温脆断、高温蠕变、焊缝热疲劳；

• 高分子：玻璃化转变区脆化、填料-基体脱粘；

• 电子组件：焊点微裂、导线断裂、芯片分层；

• 光学器件：胶合界面气泡、镀膜龟裂。

2.关键试验参数

• 温度极值：通常选取产品工作极限的110 %，确保覆盖最坏工况；

• 驻留时间：需大于试件热容平衡时间，一般5~30 min；

• 转换时间：两箱式设备≤10 s，三箱式设备≤30 s；

• 循环次数：根据加速因子计算，常见100~1000 次；

• 温度均匀性：±2 °C以内，避免局部过热/过冷。

设备类型与案例

1.两箱式（提篮式）

由高温仓、低温仓及可上下移动的提篮组成。提篮在10 s内完成仓间转移，实现瞬时冲击。针对高温仓、低温仓领域，

优点：转换时间极短；

缺点：试件体积受限，大质量样品会导致温度过冲。

2.三箱式（静止式）

增设常温过渡仓，样品在高低温仓之间通过风门切换，避免机械移动冲击。

优点：可容纳大尺寸、异形样品；

缺点：转换时间略长，需额外控制风门密封性。

3.应用实例

冷热冲击试验方面拥有丰富的经验和卓越的技术实力。实验室配备了先进的测试设备和严格的质量控制流程，能够为客户提供高标准的冷热冲击试验服务。

温度曲线图

行业应用与发展趋势

1.航空航天

高超声速飞行器蒙皮需承受-55 °C至+300 °C的瞬时冲击，试验已扩展至“温度-振动-气压”三综合应力，以模拟真实再入过程。

2.新能源汽车

动力电池包从漠河-40 °C到吐鲁番+60 °C的冷热循环，需结合湿度与电应力，验证热管理系统与密封胶的耐久性。

3.先进封装

3D IC、Chiplet等微缩结构对翘曲极度敏感，冷热冲击试验正与DIC（数字图像相关）应变测量、声发射技术结合，实现μm级变形在线监测。

结语

冷热冲击试验并非简单的“高低温循环”，而是融合热力学、材料学、可靠性工程的系统工程。只有深刻把握瞬态热应力与失效机理的耦合关系，结合精准设备与科学流程，才能真正把试验室结果转化为产品在实际极端环境下的稳健表现。