張金奎,劉濤,魯國富

(1.中航工業(yè)特種飛行器研究所,湖北荊門448035; 2.中國人民解放軍軍械通用裝備軍事代表局,北京100841)

飛艇蒙皮材料加速老化性能試驗研究

張金奎1,劉濤2,魯國富1

(1.中航工業(yè)特種飛行器研究所,湖北荊門448035; 2.中國人民解放軍軍械通用裝備軍事代表局,北京100841)

目的研究某飛艇蒙皮材料加速老化性能,以及不同環(huán)境因素對飛艇蒙皮材料老化的影響。方法根據某飛艇的使用環(huán)境,對URETEK-3216LV和HD-150兩種飛艇蒙皮材料進行了實驗室加速老化組合試驗。結果得到了不同環(huán)境條件下兩種飛艇蒙皮材料加速老化后斷裂強力退化規(guī)律。結論URETEK-3216LV材料對高濕環(huán)境最為敏感,而HD-150材料對高溫環(huán)境最為敏感。URETEK-3216LV材料耐候性能比HD-150材料耐候性強。

飛艇;蒙皮;加速老化;加速環(huán)境譜

近年來以飛艇為代表的浮空飛行器在軍事偵查、空域預警、通信中繼和空間探測等領域的應用優(yōu)勢備受人們關注。蒙皮材料作為飛艇的主體結構材料,其性能的高低直接影響飛艇的應用效能,如浮空高度、持續(xù)飛行時間、有效載荷、服役壽命等[1—7]。美國軍方曾委托蘭德(Land)調查公司對飛艇軍事應用和蒙皮材料現(xiàn)狀進行了調查[6—7],其調查報告中指出,目前飛艇材料存在幾個重要問題需要解決,其中最受人們關注的問題為飛艇蒙皮材料老化性能的改進及對其老化壽命的評定。由于飛艇蒙皮材料長期暴露于環(huán)境中,尤其近年來發(fā)展的臨近空間飛艇[7—13],其工作環(huán)境惡劣、續(xù)航時間長,導致飛艇蒙皮材料的耐候性問題更加突出。

目前,飛艇設計規(guī)范中均未涉及材料老化,飛艇材料老化評定沒有依據可供參考。結合使用模式和使用要求,型號研制中飛艇蒙皮材料加速老化可參考ASTM G155-05a,ASTM D5427和GJB 150等標準。文中以某飛艇的使用環(huán)境為依據,根據相關標準開展了飛艇蒙皮材料的加速老化試驗研究并分析蒙皮材料在環(huán)境作用下的老化性能[14—15]。

1 加速老化試驗

試驗材料為飛艇型號研制中采用的蒙皮材料URETEK-3216LV,HD-150,試驗件分2類,分別為本體試驗件和熱合連接件。加速老化試驗件和試驗項目詳細說明見表1、表2。試驗中設備分別為高低溫交變濕熱環(huán)境試驗箱(型號為SU2000C)、光照試驗箱(型號為Q-SUN XE-3-HSC)、鹽霧試驗箱(型號為VSC1000)。

表1 飛艇蒙皮材料參數Table 1 Parameters of airship envelop material

表2 加速老化試驗項目及參數Table 2 Parameters and items of accelerated aging experiment

根據飛艇的使用環(huán)境及使用模式,對飛艇蒙皮材料及典型連接開展光加速老化試驗、濕熱交變試驗、高濕加速老化試驗、高溫加速老化試驗,并考慮飛艇使用環(huán)境中高溫、高濕環(huán)境十分嚴酷,故對飛艇材料進行一種綜合環(huán)境試驗,研究高溫、高濕及濕熱交變對蒙皮材料老化的影響,試驗參數見表2,其中加速老化環(huán)境譜如圖1所示。試驗件結構形式如圖2所示。

加速老化試驗后,根據GB/T 3923.1測定飛艇蒙皮材料的剩余斷裂強力作為材料性能評價指標。試驗完成后試驗件破壞/老化損傷形式如圖3所示。剩余斷裂強力測試結果如圖4所示,給出了部分試驗數值的斷裂強力下降率。

圖1 綜合環(huán)境加速老化環(huán)境譜Fig.1 Accelerated environmental spectrum of the integrated environment experiment

圖2 試驗件結構Fig.2 Schematic diagram of specimens

圖3 試驗件破壞形式Fig.3 Damage mode of specimens

圖4 試驗件剩余斷裂強力Fig.4 Residual breaking force of specimens

2 老化性能分析

2.1 分散性對試驗結果的影響

在加速老化試驗后,部分試驗件剩余斷裂強力大于老化前。主要因為飛艇材料本體及熱合連接件的分散性較大,部分試驗件制作完成后,其斷裂強力大于標稱值。

當加速老化試驗譜較輕,老化后飛艇蒙皮材料強度下降較小,此時材料和工藝的分散性對試驗結果影響較大。因此在進行飛艇蒙皮材料加速老化試驗前,要考慮到分散性對試驗結果的影響。

2.2 URETEK-3216LV本體/熱合件試驗結果分析

從圖4a可知,URETEK-3216LV材料對單環(huán)境因素敏感度由大到小排列分別為高濕、高溫、濕熱交變、光加速、鹽霧。URETEK-3216LV材料對高濕環(huán)境最為敏感,最大下降率達到40.31%,而鹽霧環(huán)境下URETEK-3216LV材料斷裂強力下降率較低,鹽霧環(huán)境對該材料老化影響較小,在飛艇研制過程中可忽略鹽霧對飛艇蒙皮材料老化的影響。由于URETEK-3216LV材料表面有一層耐候層,故該材料本體件在光加速環(huán)境不敏感。從圖4b可知,URETEK-3216LV熱合件受分散性影響較大,但在光加速老化試驗后其斷裂強力下降較大,最大下降率達31.97%,平均下降率為19.91%。從圖2熱合試驗件結構形式可知,熱合區(qū)域長50 mm,上層防老化膜長25 mm。在進行熱合工藝時,極易破壞URETEK-3216LV材料本身的耐候層,而防老化膜又沒覆蓋整個熱合區(qū)域,導致承力纖維暴露在紫外線環(huán)境中而受到損傷,使熱合試驗件剩余斷裂強力明顯下降。在飛艇研制過程中,需要考慮熱合工藝對蒙皮材料的損傷,改進設計,增強飛艇的耐候性能。

綜合環(huán)境加速老化試驗考慮了飛艇服役環(huán)境中高溫、高濕及溫濕交變對蒙皮材料的老化損傷,導致綜合環(huán)境老化后剩余斷裂強力下降明顯,下降率為40%左右。

2.3 HD-150本體/熱合件試驗結果分析

HD-150材料主要用于飛艇的副氣囊,無光照,且接觸外界環(huán)境較弱,故該材料不進行光加速、鹽霧及綜合環(huán)境老化試驗。

從圖4c和圖4d可以看出,HD-150本體和熱合件對高溫環(huán)境最敏感,尤其是熱合連接件表現(xiàn)明顯,其斷裂強力最大下降率為30.01%,平均下降率為28.78%。該材料對高濕環(huán)境的敏感度最低,其斷裂強力最大下降率為7.01%。單環(huán)境因素對HD-150材料老化的影響由大到小為高溫、濕熱交變、高濕環(huán)境。

從表3可知,HD-150在濕熱交變、高濕和高溫等3種單項環(huán)境中,斷裂強力下降高于URETEK-3216LV,說明環(huán)境因素對HD-150材料的影響大于URETEK-3216LV材料,HD-150材料耐候性較差。

表3 斷裂強力下降率對比Table 3 Comparison of breaking force descent rate %

2.4 工程應用分析

通過對URETEK-3216LV材料在6種環(huán)境中的老化試驗結果分析可知,綜合環(huán)境老化試驗對該蒙皮材料老化影響最大,且考慮了某飛艇服役環(huán)境中主要的環(huán)境因素,該試驗結果可作為評判該飛艇蒙皮材料加速老化性能的依據。光照對耐候層完好的本體件影響很小,可忽略,但對耐候層損傷的熱合件影響較大,在工程應用中采用防老化條設計彌補耐候層的損傷,因此,可采用不含光照的環(huán)境譜進行加速老化試驗。

HD-150材料對高溫環(huán)境最為敏感,濕熱交變影響也較大,且濕熱交變綜合考慮了濕度、溫度對蒙皮材料老化的影響。由于其在實際使用中要經歷濕熱環(huán)境,故在飛艇研制過程中可采用濕熱交變環(huán)境譜進行該材料的加速老化試驗研究其老化性能。

基于文中研究成果,可根據飛艇真實服役環(huán)境繼續(xù)開展綜合環(huán)境老化及環(huán)境譜研究,對比飛艇蒙皮材料的自然環(huán)境老化結果,驗證該研究方法的有效性,并最終得出飛艇蒙皮材料加速老化當量關系。

3 結論

1)URETEK-3216LV材料對高濕環(huán)境較為敏感,熱合工藝對熱合區(qū)的耐候層造成損傷,光照對熱合區(qū)域的老化影響較大,在結構設計中應考慮保護措施。

2)HD-150材料對高溫環(huán)境較為敏感,其耐候能力比URETEK-3216LV弱。

3)該研究結果可為飛艇設計中飛艇蒙皮材料的選擇提供參考。

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Research on Accelerated Aging Test of Airship Envelop Material

ZHANG Jin-kui1,LIU Tao2,LU Guo-fu1

(1.AVIC Special Vehicle Research Institute,Jingmen 448035,China; 2.Ordnace General Armament Representative Office of PLA,Beijing 100841,China)

ObjectiveTo study the aging property of envelop material for a certain type of airship and the effect of different environmental factors on the airship envelop material.MethodsBased on the operation environment of the airship, laboratory accelerated aging combination test was carried out for the two airship envelop materials URETEK-3216LV and HD-150.ResultsThe deterioration law of breaking force of the two airship envelop materials after accelerated aging in different environmental conditions was obtained.ConclusionThe test results showed that high-humidity environment had the greatest influence on the ageing performance of URETEK-3216LV,while high-temperature environment had the greatest influence on the ageing performance of HD-150.The weatherability of URETEK-3216LV was better than that of HD-150.

airship;envelop material;accelerated aging;accelerated environmental spectrum

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.018

V250.2

:A

1672-9242(2014)04-0093-05

2014-03-07;

2014-06-06

Received:2014-03-07;Revised:2014-06-06

張金奎(1983—),男,河北邢臺人,碩士,工程師,主要研究方向為飛行器結構損傷容限。

Biography:ZHANG Jin-kui(1983—),Male,from Xingtai,Hebei,Master,Engineer,Research focus:damage tolerance analysis of craft structure.