中性鹽霧試驗標準研究進展

閆松濤， 王玉榮， 宋術偉， 金 瑩

（北京科技大學國家材料服役安全科學中心，北京 102206）

0 引 言

鹽霧試驗是評價材料在海洋大氣相關環境中耐久性的有效方法，廣泛應用于電子產品、汽車等在海洋大氣相關環境中的適應性及可靠性評價。鹽霧試驗也有局限性。由于鹽霧試驗實際服役環境的差異，鹽霧試驗與自然環境暴露試驗相關性較差，因此僅能作為一種人工加速腐蝕試驗方法評定材料耐久性，并不能對材料在某一實際服役環境下的壽命進行預測。鹽霧試驗結果受多種因素影響，如環境溫度、鹽霧沉降率、試樣表面狀態和預處理措施以及試驗人員素養等。任一因素的差別均會對鹽霧試驗結果造成不同程度的影響，尤其是不同的鹽霧標準對于同一試驗條件約束的要求有差異，給相關科研人員在進行鹽霧試驗時造成困擾，并進一步影響試驗產品的性能判定。

鹽霧試驗標準對鹽霧試驗箱性能參數及檢測方法提出了具體技術要求，同時對鹽霧試驗開展過程中的影響因素如溫度、噴霧鹽溶液濃度及pH值、鹽霧沉降率及檢測、試樣支架材質及擺放角度等進行約束，提高了鹽霧試驗結果的重現性。以應用最為廣泛的中性鹽霧試驗為例，結合國內外涉及中性鹽霧試驗的相關標準，不考慮鹽霧試驗箱設置條件，對存在人為干擾的鹽溶液濃度、鹽霧沉降率、試樣擺放角度及試樣處理過程，梳理不同標準的具體要求，同時對中性鹽霧試驗相關標準未涉及但可能影響鹽霧試驗結果的內容進行補充說明，最后對標準更新時可進一步規范操作的內容給出建議。

1 鹽溶液配制的影響

鹽霧試驗絕大多數要求鹽溶液質量濃度為（50 ±5）g／L，有些標準要求質量比為5% ±1%，也有使用其他質量分數，如GB／T 4937.13—2018 要求選用質量分數為0.5% ～3.0%的鹽溶液［1］。鹽霧試驗對于配制鹽溶液時的溫度、水及所用NaCl純度均提出了明確要求，但不同的標準之間略有不同。

1.1 溫度要求

配制溶液時的溫度要求本質上并非對配制溶液時溫度的要求，而是對鹽溶液pH值檢測時的溫度要求。對于配制鹽溶液時的溫度，不同的標準要求不同，大多要求在（25 ±2）℃時配制［2-5］，少量要求在室溫下配制［6］，還有一些不做具體要求。對于pH 值檢測時的溫度都給出了明確的約束條件：溫度為（25 ±2）℃時，噴霧溶液的pH 值為6.5 ～7.2［2-3，6］；溫度為（35 ±2）℃時，試驗前鹽溶液以及試驗過程中噴霧溶液的pH值均為6.5 ～7.2［7-10］。對于pH 值的檢測，標準給出了進一步的說明，如果在（25 ±2）℃時配制的試驗用鹽溶液的pH值超出了6.0 ～7.0 范圍，就需要進一步測定分析所用NaCl 和用于配制鹽溶液的純水中是否含有其他雜質［4-5］。

鹽霧試驗過程中噴霧溶液pH值變化的主要原因在于：中性鹽霧試驗時溫度設定為35 ℃，配制的鹽溶液霧化時由于溫度原因導致CO2部分散失，使得噴霧溶液pH值相較霧化前鹽溶液的pH 值偏高。鹽霧試驗相關標準對于噴霧溶液pH值的變化給出了相應的解決辦法，如先將鹽溶液加熱到35 ℃以上再進行噴霧，或者采用新鮮的蒸餾水［5］、新煮沸過的水［11］配制溶液，這樣可以減小CO2含量，避免試驗后噴霧溶液pH值的變化。在鹽霧試驗溶液配制時，最好在可控溫的溶液配制專用房間，按照標準要求進行配制。

1.2 純水要求

多數標準要求所用水為電導率不高于20 μS／cm（有些標準表述為2 mS／m［5］）的蒸餾水或去離子水［2-3，6］，也有標準對水質要求較高，要求純度至少為實驗室3 級用水［11］（實驗室3 級用水為25 ℃時電導率≤5 μS／cm［12］）。對于純水的要求也有從電阻率進行約束的，如GB／T 38924.8—2020 要求水的電阻率應大于等于500 Ω·m［9］，GJB150.11A—2009［13］推薦使用電阻率為1 000 ～2 500 Ω·m的水。對純水的要求還有從雜質含量進行約束的，如GB／T 4937.13—2018［1］要求使用總雜質含量不超過0.3%的蒸餾水或其他水的雜質含量不超過2 ×10－4。純水要求應根據所選試驗標準進行選擇，但至少符合一般鹽霧試驗要求，并選用電導率不超過20 μS／cm 的去離子水或蒸餾水。

1.3 NaCl要求

標準中對于NaCl的純度也給出了明確的約束，要求NaCl 質量分數不低于99.5%，即要求純度為化學純及以上［8］。NaCl中重金屬如銅、鎳、鉛等總質量分數不高于0.005%，NaI的質量分數應不高于0.1%或干鹽總雜質質量分數不超過0.5%［2-3，13］。也有標準給出了更嚴的要求，要求NaCl 質量分數不低于99.7%，NaI 質量分數不高于0.1%，干鹽總雜質質量分數不超過0.3%［1，7，10］，但也有標準放寬了對NaCl純度的要求，要求雜質質量分數不超過1%［6］。相關科研人員在進行鹽霧試驗鹽溶液配制時，選用的NaCl純度應符合標準要求，無具體要求時盡量選用化學純及以上純度，必要時要求藥品供應商提供產品檢驗單，以分析具體雜質種類含量是否符合要求。

1.4 溶液制備方法

對于溶液制備方法，標準也給出了指導，要求將（5 ±1）份的NaCl 溶解在95 份的去離子水或蒸餾水中，或者將（50 ±10）g NaCl在950 g水中溶解得到質量分數5%的NaCl 水溶液［6］。應將制備方法進一步細化明確，以便相關科研人員在鹽霧試驗溶液配制時更加方便。例如，ASTM B117—2019［10］給出了質量分數5%NaCl 鹽溶液配制時，根據水的質量計算所需NaCl質量的公式。

2 鹽霧沉降率的影響

鹽霧沉降率可以反映鹽霧試驗設備的霧化密度和霧化均勻性，對鹽霧試驗的結果有著重要影響。幾乎所有鹽霧試驗相關標準都對鹽霧沉降率測量進行了約束。為了保證鹽霧試驗過程中鹽霧沉降率良好的再現性，某些鹽霧試驗標準對鹽霧試驗過程中鹽霧沉降率的測量要求更為嚴格，如GJB150.11A—2009［13］、GB／T 35858—2018［8］均要求連續鹽霧試驗期間，每24 h至少進行1 次鹽霧沉降率的測量。

目前我國鹽霧試驗相關標準對鹽霧試驗過程中鹽霧沉降率的測量通常采用直徑100 mm（面積78.5 cm2，為方便計算，鹽霧試驗相關標準中近似認為收集面積80 cm2）的漏斗配合容量50 mL 的量筒，在連續噴霧一定時間后，查看量筒內收集到的鹽溶液體積。表1 給出了不同標準對鹽霧沉降率的要求以及測量要求和試驗過程要求。從表1 可以看出，鹽霧沉降率的測量至少要在連續噴霧16 h后進行。研究表明，擴大漏斗面積同時縮短噴霧時間的方法對鹽霧沉降率的測量不可靠［14］。

鹽霧試驗相關標準大多僅對鹽霧沉降率測量位置進行了約束，要求噴霧溶液漏斗收集器放置在鹽霧實驗箱有效空間內，一個放置于噴嘴附近，另一個放置于遠離噴嘴處。鹽霧試驗設備相關標準GB／T 10587—2006［15］和GB／T 5170.8—2008［16］對鹽霧試驗箱使用條件、試驗方法以及檢驗規則給出了具體要求。測量鹽霧沉降率時漏斗上平面與工作室地面的高度為工作室高度的1／3；當鹽霧試驗設備容積不超過2 m3時，漏斗中心與鹽霧試驗箱內壁的距離為150 mm；鹽霧試驗設備容積介于2 m3到10 m3 時，漏斗中心與鹽霧試驗箱內壁的距離為170 mm［15-16］。研究表明，對于中心噴塔式鹽霧箱，鹽霧沉降率在同一水平面的分布沿中心向兩邊減小，隨高度增加而增加。噴霧的隨機性較大，因此在進行鹽霧試驗前測量多個點的鹽霧沉降率，以確保鹽霧試驗結果的有效性。鹽霧試驗時，樣品所處高度盡量居中，不宜過高或過低［17］。

鹽霧沉降率可以通過噴霧壓力、溶液供給量、噴嘴角度等方式進行調節。鹽霧沉降率隨噴霧壓力升高而增大。如果壓力過高就會造成鹽霧試驗箱內氣流湍動，影響鹽霧顆粒均勻分布，導致鹽霧沉降率在試驗箱有效空間內均勻性差。如果噴霧壓力過低，鹽霧噴嘴處壓縮空氣引射效果就降低，導致鹽霧顆粒粗大化，不利于鹽霧在試驗箱內擴散，造成鹽霧沉降率偏低，均勻性也較差。為保證鹽霧沉降率符合標準要求，提高鹽霧試驗結果的重現性，需要減小鹽霧試驗設備噴霧壓力波動區間，噴霧壓力調節時需根據標準要求調節飽和塔溫度。壓縮空氣在進入鹽霧箱噴嘴時須進行預熱和加濕操作。預熱可以補償壓縮空氣在噴嘴處膨脹到大氣壓時引起的降溫效應，使壓縮空氣與鹽溶液混合時不會對試驗箱內溫度產生明顯的擾動。加濕的目的是為了防止鹽沉積堵塞噴霧裝置以及防止鹽溶液霧滴（氣溶膠）中水分蒸發，水溫至少為35 ℃，加濕空氣應達到飽和［2，7，13］。

現行標準采用離線式鹽霧沉降率測量法。由于沉降率測量法的弊端，因此對于一些小型鹽霧腐蝕試驗箱采用引出式測量法。該方法同樣需要人為參與，雖然避免了鹽霧試驗箱的頻繁開啟，但由于管路對鹽霧液的黏附以及沉積鹽造成的管路堵塞，導致箱外讀數誤差增大。大型鹽霧試驗設備不適用引出式測量法，引出管路太長造成精度太低。針對鹽霧沉降率測量監測技術，在標準更新時可以給出進一步的說明和要求。

3 試樣擺放角度要求

鹽霧試驗過程中試樣的擺放角度直接影響試樣垂直方向的投影面積，從而導致試樣表面沉積的鹽溶液量發生變化。標準要求試樣的被試表面與垂直方向夾角處于15° ～25°之間，并盡可能放置為20°［2，11］，也有一些標準要求試樣的上表面與垂直方向的傾角應為15° ～30°［18］，國軍標86 版要求試驗樣品按GJB150.186—86 中3.5.3 款的要求放置在試驗箱（室）內。試驗樣品與試驗箱（室）垂直平面處于15° ～30°放置。2009 版要求試件應按預期的貯存、運輸或使用中的技術狀態和取向來放置［13］。針對一些形狀并不是十分規則的試樣而言，可以采用不同放置狀態，保障不同表面均能夠對鹽霧腐蝕均勻接受。在鹽霧試驗過程中針對標準板狀樣品，建議按照標準要求20°放置，對于不規則樣品或者構件級甚至整車級樣品則建議按照實際服役狀態放置。

4 試樣要求

4.1 試樣尺寸及預處理要求

鹽霧試驗對試樣的類型、數量、形狀和尺寸等并無硬性要求，但試樣存在尺寸效應現象，因此現有的鹽霧試驗標準GB／T 10125—2021 已將GB／T 10125—1997中參比試樣的尺寸50 mm ×50 mm ×1 mm 改為150 mm×70 mm×1 mm［17］。

鹽霧試驗標準對試驗開始前試樣的預處理有要求。除特殊要求或規定以外，應在試驗前將試樣清洗干凈，確保試件表面沒有油、脂、塵等污物存在。根據試樣表面狀態選擇不同的清洗方法，清洗過程磨料或溶劑不應對試樣表面造成影響。GJB150.11A—2009對磨料提出了具體要求，盡量只選用純的氧化鎂作為磨料。試樣在清洗后應注意避免裸手接觸試樣，手上的油脂會造成試樣表面再次污染［2，13］。有些標準要求在清洗后試樣應恢復到工作狀態，重新涂上保護性油脂［6］。鹽霧試驗試樣預處理清洗的原則是選用的清潔方法不會影響鹽霧試驗時鹽霧對試樣的腐蝕效果，不會因清洗而導致試樣二次腐蝕［7］。

4.2 試樣保護要求

對于帶有覆蓋層的試樣，在進行試樣切割時，試樣切割區周圍的覆蓋層不能損壞。除特殊要求或規定以外，帶有覆蓋層試樣的背板和邊緣也要用待試產品或體系涂覆進行保護。如無法選用同樣待試產品保護體系，也可使用如油漆、石蠟或膠帶等保護試樣切割區。根據GB／T 1771—2007 的要求，如果試樣背面和邊緣上的涂覆層與被試產品不同，所選擇的覆蓋層的耐蝕性就不應低于試樣表面待試涂覆層的耐蝕性［2，11］?，F行標準均未說明對切割區進行保護的規范操作，如油漆類型的選擇，石蠟的融化時間、固化時間、封邊長度要求，膠帶的選型、粘貼方法等。鹽霧試驗開始前試樣的預處理規范操作在標準更新時應給出進一步的說明和要求。

5 結 語

雖然鹽霧試驗要求簡單，容易開展，但是鹽霧試驗標準中影響鹽霧試驗結果準確性及重現性的因素較多。如何更加規范地開展中性鹽霧試驗，最大限度地減小試驗過程中的影響因素，使鹽霧試驗結果能真實科學地達到科研相關人員的試驗目的，需要鹽霧試驗技術人員從專業知識和技能水平上不斷提升，同時充分了解中性鹽霧試驗相關標準對于試驗參數的要求。標準制定人員在制定及更新相關試驗標準時，對于中性鹽霧試驗相關試驗標準未涉及但可能影響鹽霧試驗結果的內容以及可進一步規范操作的條款給出更進一步的說明，確保鹽霧試驗結果的準確性及良好的重現性。