环境可靠性检测是评估产品极端环境性能稳定性的核心手段，高温测试作为关键项目，模拟产品在高温工况下的服役状态。而热应力分析是高温测试的重要支撑——通过解析热应力的产生、分布及影响因素，能精准定位失效根源，为设计优化提供科学依据。本文围绕高温测试中的热应力分析展开，从机制、影响因素到表征方法进行详细阐述。

高温测试中热应力的产生机制

热应力源于温度变化导致的热胀冷缩受约束。样品加热时，材料原子间距增大产生热膨胀；若膨胀被外部（如固定装置）或内部（如材料不均）约束，内部会产生压应力；冷却时收缩受约束则产生拉应力。

温度梯度是热应力的重要诱因。快速升温时，样品表面与内部温度差大，表面膨胀受内部限制，形成显著热应力。例如金属铸件加热时，表面温度150℃而内部仅50℃，表面压应力可达数百MPa。

即使无外部约束，材料不均也会引发内应力。如碳纤维增强塑料（CFRP），碳纤维CTE远小于树脂基体，高温下树脂膨胀受碳纤维限制，层间产生剪切应力。

材料热物理特性对热应力的影响

热膨胀系数（CTE）差异是界面应力的主因。如铝基板（CTE23×10^-6/℃）与环氧树脂（CTE60×10^-6/℃）结合，高温下环氧树脂膨胀更明显，界面剪切应力易导致封装开裂。

导热系数决定温度均匀性。陶瓷（导热系数＜5W/m·K）等低导热材料易形成大温度梯度，热应力更显著；金属（如铜，400W/m·K）导热好，温度梯度小，热应力低。

弹性模量影响应力转化效率。钢（弹性模量200GPa）比铝（70GPa）在相同应变下产生的应力高近3倍，高弹性模量材料热应力失效风险更大。

高温性能也间接作用。金属蠕变可缓解热应力，但会导致永久变形；塑料高温软化后，应力超过屈服强度会引发变形。

样品结构设计对热应力分布的影响

几何形状易引发应力集中。尖角、薄壁厚壁交界处的温度梯度大，应力集中系数可达3倍以上，如塑料外壳直角设计的应力是圆角的2-3倍，更易开裂。

装配约束加剧局部应力。螺丝固定会限制材料膨胀，如LED铝散热片与塑料底座的螺丝固定，塑料膨胀受铝限制，底座螺丝处压应力易致裂纹。

结构对称性影响温度分布。对称设计温度均匀，热应力小；非对称结构（如一侧散热、一侧封闭）会因温度差产生弯曲应力，导致外壳翘曲。

嵌套结构需关注层间应力。金属内胆与塑料外壳嵌套时，塑料膨胀受内胆限制，内壁压应力超过抗压强度会引发裂纹。

高温测试条件与热应力的关联

升温速率直接影响热应力大小。温度冲击（升温＞10℃/min）使表面与内部温差剧增，热应力远高于缓慢升温（＜2℃/min）。如电子元件温度冲击（-40℃→150℃，5min完成），表面与内部应力差可达数百MPa，易致芯片开裂。

恒温时间改变应力演化。短期恒温（＜2h）弹性变形主导，应力稳定；长期恒温（＞10h）材料蠕变缓解应力，但会产生永久变形。如铝合金150℃保持24h，蠕变变形0.1%，应力从200MPa降至50MPa，但尺寸偏差可能导致装配失效。

温度循环引发热疲劳。周期性高低温循环使应力交替，材料在“拉-压”循环下产生疲劳裂纹。如汽车轮胎橡胶在60℃→-20℃循环中，胎面易出现疲劳裂纹。

环境介质间接影响应力。空气测试中，不锈钢氧化层（CTE10×10^-6/℃）与基体（CTE17×10^-6/℃）差异，冷却时氧化层拉应力易致剥落；真空测试无氧化但导热差，温度梯度更大。

热应力的表征与检测方法

数值模拟（FEA）可预测应力分布。通过ANSYS等软件输入材料参数与测试条件，模拟温度及应力云图，精准定位高风险区域。如汽车缸盖模拟显示火花塞孔周围应力300MPa，需增加散热片优化。

应变片法直接测量应力。高温应变片（如陶瓷基，耐温＞1000℃）贴于关键部位，通过应变值结合胡克定律（σ=E×ε）计算应力。如金属零件120℃下应变0.001，弹性模量200GPa，热应力200MPa。

红外热成像间接反映应力。热像仪检测表面温度分布，温度梯度大的区域对应热应力高。如手机电池热点区域温度高，说明热阻大、应力集中，可能是内部结构问题。

破坏性检测验证失效。SEM截面分析裂纹路径，结合模拟确认原因。如PCB铜箔剥离失效，截面显示界面裂纹，确认为CTE差异导致的热应力所致。

热应力缓解的设计优化策略

材料选择优先CTE匹配。如PCB用低CTE环氧树脂（30×10^-6/℃）或聚酰亚胺过渡层，减少铜箔与树脂的界面应力。

结构设计避免应力集中。直角改圆角（半径≥1mm），应力集中系数从3降至1.5；薄壁厚壁渐变过渡，均匀分布应力。

装配采用柔性约束。弹性卡扣或硅胶垫吸收膨胀差，如LED散热片用硅胶垫连接塑料底座，应力从180MPa降至50MPa。

散热优化降低温度梯度。如手机CPU用铜导热垫连接金属中框，表面温度从90℃降至70℃，热应力减少50%。

典型样品的热应力失效案例分析

案例1：PCB铜箔剥离。某手机PCB在85℃/85%RH测试中铜箔剥离，因铜箔（CTE17×10^-6/℃）与环氧树脂（CTE60×10^-6/℃）差异大，界面剪切应力超粘结强度（10MPa）。优化用低CTE环氧树脂加聚酰亚胺层，应力降至5MPa以下。

案例2：塑料外壳翘曲。某笔记本ABS外壳70℃测试中翘曲（＞2mm），因非对称结构（一侧散热、一侧封闭）导致温度差20℃，膨胀差引发弯曲应力超屈服强度（40MPa）。优化增加散热孔，温度差降至5℃，变形量＜0.5mm。

案例3：金属疲劳裂纹。某汽车排气管不锈钢焊缝在200℃→常温循环中开裂，因焊缝（CTE15×10^-6/℃）与基体（CTE17×10^-6/℃）差异，循环应力超疲劳强度（150MPa）。优化用匹配CTE焊条加坡口焊，应力降至100MPa以下，寿命延长4倍。

案例4：陶瓷电容开裂。某陶瓷电容125℃测试中开裂，因陶瓷导热差（3W/m·K），表面与内部温差45℃，压应力超抗压强度（150MPa）。优化用氮化铝（170W/m·K），温差降至10℃，应力降至40MPa。