李毓鎮(zhèn)，李莊，李凌飛，楊緒帥

民機蒙皮材料紫外老化加速環(huán)境譜研究

李毓鎮(zhèn)1，李莊2，李凌飛1，楊緒帥1

（1.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191；2.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

研究紫外輻射環(huán)境對蒙皮材料的性能退化影響，進而對民機的紫外輻射防護設(shè)計提供重要依據(jù)，并依據(jù)其使用環(huán)境編制加速環(huán)境譜。通過分析民機的任務(wù)特點和使用環(huán)境，基于民機巡航高度下紫外輻射強度的仿真結(jié)果和相關(guān)紫外環(huán)境試驗標(biāo)準，提出了適用于民機蒙皮材料的紫外老化加速環(huán)境譜，給出了各試驗條件的確定方法，以及加速環(huán)境譜與外場實際使用環(huán)境的當(dāng)量加速關(guān)系。以民機機身部位蒙皮試樣為例，初步開展了若干周期的紫外老化試驗，蒙皮表面材料的形貌改變和性能退化驗證了所提出的加速環(huán)境譜的可行性。

民用飛機；蒙皮材料；紫外輻射；環(huán)境試驗；加速環(huán)境譜；當(dāng)量加速關(guān)系

當(dāng)飛機處于巡航高度時，大氣的紫外輻射環(huán)境對蒙皮涂層的影響較為突出。民機蒙皮表面的涂層屬于高分子材料，在紫外線的長期照射下，化學(xué)鍵容易被破壞，從而發(fā)生老化分解，最終影響涂層對基體金屬的保護作用，為民機高空飛行的安全性帶來隱患[1-3]。因此，必須研究紫外輻射對民機蒙皮材料性能退化的影響，為開展民機的紫外輻射防護設(shè)計提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

民機的實際使用年限較長，通常超過25 a，在外場實際使用環(huán)境下，觀察其特性的改變，時間過長。為了減少試驗時間，需要通過加速試驗的方法加速材料的損傷老化過程，在較短的試驗時間內(nèi)達到民機使用一定時間后的材料老化效果。因此，加速環(huán)境譜的編制和加速環(huán)境譜與外場實際使用環(huán)境當(dāng)量加速關(guān)系的確定則是實施加速試驗的重要前提。

目前，橡膠、涂層、玻璃等高分子材料的紫外老化試驗已經(jīng)得到了廣泛研究[4-14]，現(xiàn)有的紫外輻射標(biāo)準的試驗對象也多為橡膠、涂層、塑料等非金屬材料[15]?？紤]到民機復(fù)雜的民機系統(tǒng)和任務(wù)環(huán)境，以民機為試驗對象的紫外輻射標(biāo)準還未制定。同時，以民機典型材料為試驗對象的紫外輻射研究，試驗方法也各不相同，輻射量和結(jié)果大相徑庭。本文在分析民機任務(wù)特點和使用環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合巡航高度下紫外輻射強度的仿真結(jié)果和已有的國內(nèi)外研究成果，提出了適用于民機蒙皮材料的紫外老化加速環(huán)境譜，以及相應(yīng)的當(dāng)量加速關(guān)系，并通過典型蒙皮材料的紫外老化試驗，驗證了加速環(huán)境譜的可行性。

1 民機任務(wù)特點和使用環(huán)境分析

1.1 民機任務(wù)特點

在民機的使用壽命期內(nèi)，實際飛行時間所占的比例不可忽視，民用客機或運輸機平均每天的飛行時間為6～10 h，與地面停放時間之比為0.35～0.7[16]。民機在巡航飛行和地面停放時，其紫外輻射環(huán)境存在較大的不同。因此，在編制民機加速環(huán)境譜時，要同時考慮民機巡航環(huán)境和地面停放環(huán)境對蒙皮材料的紫外老化影響。不同飛機飛行時達到的最大高度不同，除了公務(wù)機的飛行高度可以達到15 km外，一般情況下，民機的飛行高度不會超過13 km。

1.2 紫外輻射環(huán)境分析

太陽輻射波中，波長在200～400 nm范圍內(nèi)的非可見光叫作紫外線，其中長波紫外線（320～400 nm）有超過98%的能量能夠穿過臭氧層和云層；中波紫外線（280～320 nm）的穿透力較弱，臭氧層可以吸收大部分的輻射能量，只有不足2%能夠穿過臭氧層；短波紫外線（200～280 nm）的穿透能力最弱，其全部的輻射能量基本被平流層的臭氧吸收[17]。因此，造成高分子材料化學(xué)鍵斷裂的紫外輻射波長在280～400 nm，其輻照能量在整個光譜能量中占比為6.8%。

表1 光譜能量分布

Tab.1 Spectral energy distribution

2 加速環(huán)境譜的編制

通過分析民機實際使用地區(qū)的環(huán)境資料和使用時間，確定加速環(huán)境譜中的試驗條件。本文以海南地區(qū)為例，編制針對民機蒙皮材料的紫外老化加速環(huán)境譜。在編制過程中應(yīng)注意，加速環(huán)境譜既要反映民機的實際使用情況，又要縮短試驗時間，節(jié)約試驗成本，且易于操作，能夠在實驗室中實現(xiàn)對應(yīng)的試驗技術(shù)。

2.1 試驗條件

2.1.1 紫外輻射量

為了計算民機1 a地面接受的紫外輻射量，可以從民機停放紫外輻射與軍機所接受輻射量對比估計得到。文獻[18]通過紫外照射試驗結(jié)果與多架飛機外場使用不同年限涂層情況對比，確定了軍機每年接受的紫外輻射量是5.18 MJ/m2，對應(yīng)接受照射的天數(shù)是120 d。對于民機蒙皮而言，其全年365 d均接受光照，因此民機1 a地面接受的紫外輻射量為15. 8 MJ/m2。

對于巡航高度下的紫外輻射量，采用輻射傳輸?shù)挠嬎隳Ｊ?，考慮傳輸過程中的主要影響因素計算巡航高度下紫外輻射強度。紫外輻射在空氣中的傳輸過程受到許多因素的影響，大氣臭氧、太陽高度、云量和氣溶膠是影響紫外傳輸?shù)闹饕蛩豙19]。

1）氣溶膠對紫外線的散射和吸收是引起紫外輻射強度改變的重要原因，不同厚度的氣溶膠對紫外強度的衰減有不同的影響，而且氣溶膠的尺度、時間和空間都有很大的變化，增加了傳輸計算的難度。同時氣溶膠的散射遵從Mie散射，散射的橫截面積隨波長變化[20]。因此，氣溶膠是影響巡航紫外輻射的一個重要因素。

2）一般情況下，云高為2 500～8 000 m，飛機巡航高度一般在10 000 m左右，所以云對巡航高度下紫外輻射的影響較小。

3）臭氧主要分布在平流層中，吸收紫外線的能力較強，臭氧的垂直分布是影響紫外傳輸?shù)闹匾?。由?3 000 m巡航高度處的臭氧濃度明顯小于30 000 m處的臭氧濃度，所以此時臭氧對紫外線有一定的吸收效果，但不是主要影響因素。

4）民機處于巡航飛行時，天頂角在不斷變化，所以不考慮此因素對紫外輻射的影響。

5）地表的反射對大氣吸收紫外有一定的影響。大多地表的紫外輻射的反射率在0.01～0.1。除了新雪的反射率可以達到83.5%外，其余地表的反射率均很小，對紫外輻射的影響有限[21]，不考慮其對巡航高度下紫外輻射的影響。

經(jīng)以上分析可知，民機巡航飛行時，影響紫外傳輸過程的主要因素是氣溶膠，利用Disort傳輸模型和Libratran計算軟件計算巡航高度下的紫外輻射強度[22-23]。將氣溶膠設(shè)為默認值，暫不考慮其他因素，波長設(shè)置為280～400 nm，海拔高度為13 000 m，差值為1.5，計算模型為Disort。巡航高度的水平輻照度和擴散向下輻照度如圖1所示，總向下輻照度為兩者之和。為了快速分析高分子材料的耐紫外性能，基于兩者的峰值進行計算總輻照度，故民機巡航高度處的紫外輻照強度為1.68 W/m2。由于我國民機的平均飛行時間約為8 h，所以巡航高度處的紫外輻射總量為17.66 MJ/m2。因此，民機機載產(chǎn)品的典型材料1 a內(nèi)接受的紫外輻射總量近似為33.46 MJ/m2。

圖1 巡航高度的輻照度

2.1.2 紫外照射時間

不同的試驗?zāi)康?，高分子材料的紫外照射時間也各不相同。ISO的紫外試驗標(biāo)準中，1個試驗周期為24 h，按照試驗方法，紫外照射時間分為8、20、24 h。8 h是為了盡可能模擬實際情況，20 h是為了考察光效應(yīng)，考慮到民機高分子材料失效主要原因也是光效應(yīng)，所以照射時間應(yīng)在20 h左右。我國海南地區(qū)紫外線最嚴重時，1 d有光的照射時間在14 h左右，故將照射時間暫定為14 h。

2.1.3 試驗溫度

高溫會加劇高分子材料的紫外老化進程，已有標(biāo)準均推薦了紫外老化試驗各階段的黑板溫度值，通常是參考高分子材料使用地區(qū)的夏季最高地面溫度確定黑板溫度的量值。參考GB 2423.24[24]等相關(guān)標(biāo)準，我國海南地區(qū)的平均溫度是21.9 ℃，1年的溫度峰值是37.7 ℃，1 d中該峰值溫度持續(xù)時間約為4 h。民機的材料接受紫外輻射后，實際溫度會比最高溫度高出10 ℃，所以把試驗條件中的溫度暫定為(55±10) ℃。

2.1.4 燈源的選擇

大部分的測試中都采用UVA-340燈源，可以很好地模擬太陽光的紫外線部分，UVA-351用于模擬穿透材料后的紫外輻射情況。若要用于人工加速試驗，可選用UVB-313燈源[25]，其發(fā)射的短波波長更短，破壞性更強。為了紫外輻射試驗?zāi)茏畲蟪潭鹊丶铀俨牧侠匣?，快速分析材料的耐紫外輻射性能，本文采用UVB-313燈。

2.2 加速環(huán)境譜

根據(jù)以上分析，最終得到的加速環(huán)境譜如圖2所示。以24 h為1個循環(huán)，紫外照射時間為14 h，高溫持續(xù)時間為4 h，增溫和降溫均為2 h，相對濕度是65%。根據(jù)試驗具體要求，設(shè)計紫外試驗箱，本文使用UVB-313燈，在310 nm波長的輻射強度為0.66 W/m2，轉(zhuǎn)化為總輻照度的轉(zhuǎn)換系數(shù)為47.91。根據(jù)紫外環(huán)境模擬需求和紫外輻射的特點設(shè)計紫外輻射試驗箱，紫外老化試驗箱（8臺燈）中暴露1循環(huán)的輻射總量為12.7 MJ/m2。

圖2 加速環(huán)境譜

3 當(dāng)量加速關(guān)系

基于紫外輻射總量計算加速環(huán)境譜的加速因子a，以相同輻射量為理論基礎(chǔ)，計算紫外輻射試驗箱產(chǎn)生民機z時間段內(nèi)接受的紫外輻射量所需要的時間r，z和r的比值即是加速因子a[26]。因此，紫外老化試驗箱產(chǎn)生民機1 a接受的紫外輻射量的時間2.63 d，則加速因子為138。

目前的紫外輻射環(huán)境試驗的研究中，對加速因子的范圍沒有明確的要求。為了節(jié)約時間和成本，在短時間內(nèi)分析材料的性能變化，加速因子在100左右可以接受。

4 實例

為驗證上述加速環(huán)境譜的可行性，選取民機機身部位的蒙皮試樣在上述加速環(huán)境譜下試驗若干周期。試驗件以LY12作為基材，以H06-27鋅黃底漆和S04-81聚氨酯面漆作為防護涂層。制備6個尺寸大小為25 mm×25 mm的試樣（其中1個作為對照試樣），如圖3所示。

經(jīng)紫外輻照若干周期后，試樣的光學(xué)顯微照片（從左至右輻射時間逐漸增加）如圖4所示。可以看出，在經(jīng)過紫外照射若干周期后，試樣表面局部出現(xiàn)不同程度的起泡現(xiàn)象。

圖3 蒙皮試樣

圖4 紫外輻照后試樣照片

機身蒙皮試樣的UV-vis表面反射光譜如圖5所示。在經(jīng)過紫外照射后，蒙皮表面的反射率有輕微的下降，其原因主要有2方面：一方面，蒙皮接收紫外輻照后表面鼓泡，形貌改變引起反射率的下降；另一方面，蒙皮表面涂層材料性能的改變造成反射率的下降。

圖5 蒙皮試樣表面反射光譜

5 結(jié)論

1）本文在Libradtran紫外輻射強度仿真和其他相關(guān)紫外輻射標(biāo)準的基礎(chǔ)上，結(jié)合民機的使用特點和任務(wù)環(huán)境，提出了針對民機蒙皮材料的紫外老化加速環(huán)境譜的編制方法。加速環(huán)境譜中的試驗參數(shù)可根據(jù)民機具體的使用地區(qū)和使用時間進行調(diào)整，具有較好的普適性。

2）基于紫外輻射總量確定當(dāng)量加速關(guān)系，利用試驗時間可以對蒙皮材料實際使用時間進行分析，進而為民機的紫外輻射防護設(shè)計提供重要依據(jù)。

3）以民機機身蒙皮材料為例，進行若干周期的紫外老化試驗，試樣出現(xiàn)明顯的鼓泡現(xiàn)象，并且表面反射率出現(xiàn)輕微下降，試驗結(jié)果證明了所提出的加速環(huán)境譜的可行性。

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Accelerated Environmental Spectrum of Ultraviolet Aging for Civil Aircraft Envelop Material

LI Yu-zhen1, LI Zhuang2, LI Ling-fei1, YANG Xu-shuai1

(1. School of Reliability and Systems Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. AVIC China Aero-polytechnology Establishment, Beijing 100028, China)

The work aims to study the effect of ultraviolet radiation environment on the performance degradation of envelop material to provide an important basis for the ultraviolet radiation protection design of civil aircraft and compile the accelerated environmental spectrum according to its use environment. By analyzing the task characteristics and use environment of civil aircraft, the accelerated environmental spectrum of ultraviolet aging for civil aircraft envelop material was proposed based on the simulation results of ultraviolet radiation intensity at cruising altitude of civil aircraft and relevant ultraviolet environmental test standards. Then, the determination method of each environmental parameter and the equivalent acceleration relationship between the accelerated environmental spectrum and the actual application environment in the external field were given. Several cycles of ultraviolet aging tests were carried out on envelop material samples of civil aircraft body parts. The surface morphological changes and performance degradation of the envelop material verified the feasibility of the proposed accelerated environmental spectrum.

civil aircraft; envelop material; ultraviolet radiation; environmental test; accelerated environmental spectrum; equivalent acceleration relationship

2022-09-12；

2023-02-17

LI Yu-zhen (1998-), Male, Postgraduate.

李莊（1988—），女，碩士。

LI Zhuang (1988-), Female, Master.

李毓鎮(zhèn), 李莊, 李凌飛, 等.民機蒙皮材料紫外老化加速環(huán)境譜研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(6): 043-048.

V216

A

1672-9242(2023)06-0043-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.006

2022–09–12；

2023–02–17

李毓鎮(zhèn)（1998—），男，碩士研究生。

LI Yu-zhen, LI Zhuang, LI ling-fei, et al.Accelerated Environmental Spectrum of Ultraviolet Aging for Civil Aircraft Envelop Material[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 043-048.

責(zé)任編輯：劉世忠