楊慶功、張?jiān)鲫?、陳衛(wèi)娜、敬毅超、王闖 /中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

非金屬材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、高韌性、耐燒蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，是航天材料體系的重要組成部分。航天非金屬材料中的有機(jī)材料，其性能受溫度、壓力、濕度等環(huán)境因素的影響較大，長(zhǎng)期暴露或接觸高溫、高濕以及高壓環(huán)境，極易造成材料失效；非金屬材料失效呈現(xiàn)出影響因素復(fù)雜、材料性能隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低直至喪失以及失效過程不易被察覺等特點(diǎn)，常常對(duì)航天產(chǎn)品研制造成較大影響，因此非金屬材料質(zhì)量保證始終是航天產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要內(nèi)容。

為從源頭有效控制航天非金屬材料常見質(zhì)量問題的發(fā)生，確保航天產(chǎn)品質(zhì)量，有必要從生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、交付、驗(yàn)收等各階段對(duì)航天非金屬材料可能發(fā)生的失效模式進(jìn)行歸納總結(jié)和分析，提前辨識(shí)航天非金屬材料潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)，制定有針對(duì)性的預(yù)防措施，這既有利于全面掌握航天非金屬材料質(zhì)量控制薄弱環(huán)節(jié)，也有利于從根本上提高航天非金屬材料質(zhì)量水平與可靠性。構(gòu)建航天非金屬材料失效模式庫，可以為航天非金屬材料質(zhì)量問題分析與定位提供技術(shù)支撐，有效降低非金屬材料失效分析難度，輔助快速解決航天非金屬材料質(zhì)量問題。本文以航天非金屬材料常見失效模式為基礎(chǔ)，在充分考慮航天非金屬材料功能與結(jié)構(gòu)的條件下，按照航天非金屬材料產(chǎn)品類別，對(duì)各類航天非金屬材料的失效模式進(jìn)行分析和研究，建立了航天非金屬材料失效模式基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

一、航天非金屬材料失效模式的構(gòu)建流程

航天非金屬材料失效模式庫構(gòu)建流程見圖1。由于航天非金屬材料的失效模式與材料類別具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，如橡膠及橡膠制品常見的失效模式為夾雜和老化，而膠粘劑和涂料等常見的失效模式則是性能超差，因此在構(gòu)建航天非金屬材料失效模式過程中，首先按照航天非金屬材料的產(chǎn)品特點(diǎn)和用途對(duì)其進(jìn)行分類，在產(chǎn)品類別確定后，對(duì)各類非金屬材料的失效模式進(jìn)行系統(tǒng)梳理，一是對(duì)各類歷史質(zhì)量問題信息進(jìn)行進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，二是組織專業(yè)技術(shù)人員結(jié)合航天非金屬材料的成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及服役環(huán)境等開展技術(shù)分析，統(tǒng)計(jì)分析和技術(shù)分析應(yīng)覆蓋航天非金屬材料生產(chǎn)、加工、包裝、運(yùn)輸、貯存以及交付使用等各個(gè)環(huán)節(jié)。梳理完成后，按照產(chǎn)品類別分別形成各類非金屬材料的失效模式清單，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬材料歷史質(zhì)量問題“歸零”和舉一反三情況，從材料組成、結(jié)構(gòu)與性能等方面針對(duì)各種失效模式開展機(jī)理分析，明確各類失效模式的失效原因應(yīng)對(duì)措施，編制完成非金屬材料失效模式庫，經(jīng)專家審查后正式發(fā)布用于指導(dǎo)非金屬材料的質(zhì)量管控，并在后續(xù)工作對(duì)其不斷迭代，持續(xù)提高失效模式庫的科學(xué)性和覆蓋性。

圖1 航天非金屬材料失效模式庫構(gòu)建流程

二、航天非金屬材料常見失效模式及機(jī)理

航天非金屬材料的性能受原材料、生產(chǎn)加工、使用環(huán)境等一系列因素的綜合影響，因此當(dāng)航天非金屬材料發(fā)生失效時(shí)，其失效模式的表現(xiàn)形式往往并非以單一現(xiàn)象呈現(xiàn)，常常伴隨多種現(xiàn)象，如橡膠及橡膠制品，當(dāng)其發(fā)生老化失效時(shí)，在材料性能降低的同時(shí)，還伴隨有外觀龜裂，尺寸變形等問題。因此，在開展非金屬材料失效分析過程中應(yīng)對(duì)非金屬材料的失效特征進(jìn)行綜合分析，各類常見非金屬材料的失效模式及其表現(xiàn)形式如下。

1.橡膠及橡膠制品

外觀異常：橡膠制品在生產(chǎn)過程中因模具缺陷或人為因素造成產(chǎn)品外觀出現(xiàn)破損；因壓縮量、保壓時(shí)間控制不當(dāng)，導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸超差；因老化出現(xiàn)噴霜、龜裂、變色、發(fā)粘；因模具未對(duì)準(zhǔn)、模具設(shè)計(jì)不合理、壓力過小等造成飛邊、錯(cuò)位等缺陷。

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

內(nèi)部缺陷：工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生氣泡、分層、氣孔等。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)造成產(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。

斷裂：過載、疲勞斷裂，低溫脆性斷裂。

老化：在力、熱、光等作用下出現(xiàn)發(fā)粘、變脆、變硬、變色等。

2.塑料制品

外觀異常：在生產(chǎn)或貯存過程中因外力造成材料表面出現(xiàn)損傷。

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

內(nèi)部缺陷：工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)氣泡、裂紋等。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)造成產(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。

斷裂：塑料因過載、疲勞、應(yīng)力集中、內(nèi)部缺陷等原因發(fā)生斷裂。

開裂：塑料因熱處理工藝控制不當(dāng)或機(jī)械雜質(zhì)造成開裂。

變形：塑料受溫度、外力等影響發(fā)生變形。

老化：在力、熱、光等作用下出現(xiàn)發(fā)粘、變脆、變硬、變色等。

3.合成樹脂

外觀異常：產(chǎn)品因生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致顏色異常，貯存不當(dāng)形成結(jié)晶等。

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)造成產(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。

老化：在力、熱、光等作用下出現(xiàn)發(fā)粘、變脆、變硬、變色等。

4.膠粘劑

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

內(nèi)部缺陷：因溫度、壓力等工藝參數(shù)控制不當(dāng)或操作不當(dāng)，造成膠粘劑固化后內(nèi)部形成氣泡等缺陷。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)、固化條件控制不當(dāng)?shù)仍斐僧a(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。如高溫、高壓、輻射等導(dǎo)致的揮發(fā)、聚合、降解、水解、氧化等，使得膠粘劑不再具備粘接能力。

固化：厭氧膠因氧氣含量不足在使用前發(fā)生固化反應(yīng)。

5.涂料

外觀異常：顏料使用不當(dāng)、原料配比不合理、貯存不當(dāng)?shù)仍斐赏苛贤庥^異常。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)、貯存不當(dāng)?shù)仍斐僧a(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。

6.纖維及特種紡織品

外觀異常：因編織工藝控制不當(dāng)，導(dǎo)致跳線、斷絲、折疊、纏繞、扭曲等。

性能超差：紡絲工藝控制不合格導(dǎo)致性能指標(biāo)無法滿足使用要求。

斷裂：過載發(fā)生斷裂。

7.石油產(chǎn)品

性能超差：水分超標(biāo)、添加劑失效、高溫氧化導(dǎo)致酸值增加、降解、聚合或水解，從而使得傳熱性能、潤(rùn)滑性能、附著性能等指標(biāo)無法滿足使用要求。

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

8.基礎(chǔ)化學(xué)品

性能超差：生產(chǎn)工藝不當(dāng)，原材料質(zhì)量缺陷、儲(chǔ)存環(huán)境不當(dāng)導(dǎo)致性能指標(biāo)無法滿足使用要求。

9.碳、石墨材料及制品

內(nèi)部缺陷：因溫度、壓力、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生裂紋等缺陷。

性能超差：保溫時(shí)間、壓力等生產(chǎn)工藝不當(dāng)導(dǎo)致性能指標(biāo)無法滿足使用要求。

10.陶瓷材料及制品

內(nèi)部缺陷：因溫度、壓力、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、夾雜、分層、氣孔、疏松等缺陷。

11.礦物質(zhì)及其制品

內(nèi)部缺陷：因溫度、壓力、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、夾雜、分層、氣孔、疏松等缺陷。

12.聚合物基復(fù)合材料

外觀異常：因原材料質(zhì)量缺陷，生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀起皮、鼓包、裂紋等，材料在內(nèi)外力或其他因素作用下出現(xiàn)磕碰傷、劃傷、腐蝕、氧化等。

內(nèi)部缺陷：時(shí)間、溫度、壓力等工藝控制不當(dāng)，纖維和樹脂浸潤(rùn)性差等原因，造成孔隙、氣泡、氣孔、分層、脫粘、斷裂、相分離、相變、固化不完全產(chǎn)生應(yīng)力集中等。

夾雜：樹脂、纖維中存在夾雜物或在工藝過程中混入夾雜物。

性能超差：因高溫、高濕、輻照、腐蝕、溶劑等造成樹脂基體溶脹、開裂、降解使機(jī)械性能、耐燒蝕性能降低。

分層：因原料不合格、纖維體積含量控制不當(dāng)、鋪層順序或方向錯(cuò)誤、纖維排列錯(cuò)誤、固化工藝不合理、機(jī)械加工等導(dǎo)致材料承受載荷能力不足或因應(yīng)力集中而發(fā)生分層。

基體開裂：因基體、增強(qiáng)體性能指標(biāo)超差、鋪層工藝或順序不當(dāng)、環(huán)境溫濕度控制不當(dāng)、使用條件不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致基體開裂。

纖維斷裂：纖維性能超差、設(shè)計(jì)缺陷、使用不當(dāng)?shù)仍颍估w維在載荷（拉伸、壓縮、沖擊、彎曲、剪切等）作用下發(fā)生斷裂。

變形：復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中因生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致纖維或制品發(fā)生形變，或復(fù)合材料在外力作用下發(fā)生膨脹、扭曲等形變。

斷裂：材料因載荷過高、疲勞等發(fā)生斷裂。

三、非金屬原材料失效模式庫的應(yīng)用

當(dāng)航天非金屬材料發(fā)生質(zhì)量問題后，利用非金屬材料失效模式庫輔助開展質(zhì)量問題定位與分析工作，具體工作流程見圖2，通過對(duì)非金屬材料發(fā)生質(zhì)量問題的類型進(jìn)行準(zhǔn)確判定，并將其失效模式的表現(xiàn)形式與航天非金屬材料失效模式庫中的信息進(jìn)行對(duì)比，能夠快速找到問題線索，并結(jié)合失效材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對(duì)質(zhì)量問題發(fā)生的環(huán)境條件和表現(xiàn)形式進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，為質(zhì)量問題的快速定位提供技術(shù)支撐，進(jìn)而針對(duì)質(zhì)量問題制定解決措施。

圖2 非金屬材料失效模式庫指導(dǎo)非金屬質(zhì)量問題分析與解決流程

四、結(jié)束語

本文對(duì)航天非金屬材料的失效模式進(jìn)行了梳理分析，通過開展舉一反三工作，并結(jié)合航天非金屬材料結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，對(duì)航天非金屬材料的失效模式及故障機(jī)理進(jìn)行歸納和總結(jié)，初步建立航天非金屬材料失效模式庫，有助于更加全面的掌握航天非金屬材料質(zhì)量控制薄弱環(huán)節(jié)，提前采取針對(duì)性控制措施，為航天非金屬材料質(zhì)量問題分析和解決提供支撐。非金屬材料失效問題的發(fā)生不僅與材料本身質(zhì)量缺陷有關(guān)，還與其服役環(huán)境和使用條件有很大關(guān)系，因此，必須按照質(zhì)量管理體系計(jì)劃、實(shí)施、檢查、處理（PDCA）循環(huán)管理模式，構(gòu)建故障模式庫的動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，即隨著科研生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，對(duì)航天非金屬材料故障模式庫實(shí)施動(dòng)態(tài)完善，不斷提高失效模式庫的指導(dǎo)作用。后續(xù)，將進(jìn)一步研究通過信息化手段，將非金屬材料常見失效模式推送到設(shè)計(jì)選用桌面，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)師系統(tǒng)合理、正確的選用和使用非金屬材料。