专题 | 复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱及当量化研究
2018-01-03 14:42:13
作者：刘成臣 金涛 王浩伟 廖圣智（中国特种飞行器研究所 , 结构 来源：《腐蚀防护之友》
引言
加速腐蚀试验是飞机结构日历寿命评定的重要方法，加速环境谱的编制则是开展加速试验的前提。目前大多数的环境谱研究是针对金属裸材和涂层结构[1-4] , 但是随着复合材料在飞机上的用量越来越大，复合材料的腐蚀问题也不容忽视。由于复合材料的老化不是基于电化学反应，并且与涂层的老化机理也有较大区别，故适合于金属基材和涂层的加速环境谱不再适合用于复合材料的加速试验。为进行日历寿命评定，必须建立针对复合材料的加速试验环境谱。本文以护航直升机典型复合材料为研究对象，在分析影响复合材料环境因素的基础上，提出了一种适合复合材料的加速环境谱并预计了加速关系，随后开展了舰上自然暴露试验和试验室加速腐蚀试验，用腐蚀程度对比法对估算的当量关系进行了验证，为处于海洋环境下服役的飞机的日历寿命评定奠定了基础。
1 复合材料腐蚀影响因素
环境要素对复合材料性能的影响主要通过树脂基体、纤维以及树脂 / 纤维粘接界面的破坏引起性能改变[5] 。自然环境下复合材料腐蚀归结为湿热老化和光照老化两种形式。
（1）湿热的影响
温度和湿度的协同作用对复合材料结构的性能的影响主要通过复合材料的吸湿效应实现。树脂基复合材料的吸湿量主要通过基体吸湿，基体的耐湿热性很大程度上反映了复合材料的耐湿热性。由于基体和纤维吸湿量不同，产生的体积膨胀不匹配，高温下热膨胀系数差异产生内应力，在基体与纤维界面上产生裂纹，导致界面结合力下降。在界面上的水介质还会导致界面结合力降低，界面的传递载荷能力下降。
（2）光照的影响
光照环境下复合材料中的聚合物基体材料易出现老化，导致性能显著下降，但对纤维材料性能基本无影响。聚合物高分子基体因吸收紫外光而发生一系列复杂而有害的过程，其外在表现为材料外观变色、表面龟裂、失去光泽和力学变坏等方面。
2 加速试验环境谱
（1）加速环境谱
组成到目前为止还没有一种能完全计及自然环境各因素的人工加速腐蚀方法。在研究复合材料加速腐蚀问题上，只能选定影响腐蚀的几个关键因素进行考虑。根据复合材料腐蚀影响因素分析，选取湿度、温度和光照三个主要环境因素对复合材料进行考察。为了研究温度和湿度对复合材料老化的影响，通常进行湿热加速老化试验。为了考虑光照对复合材料的老化影响，采用紫外照射试验加速老化。
（2）环境谱各模块试验条件
a） 温湿老化试验环境条件
由于聚合物高分子的降质主要是其吸湿后的水解作用，根据加速老化原则和加速原理应选择高温、高湿环境，其中湿度在95%以上，可用溶液浸泡代替。
结合以往研究成果，选择湿热加速老化环境为：
温度：T=60℃；溶液：蒸馏水；试验设备：电热恒温水浴锅。
试验采用 60℃蒸馏水浸泡，可认为 T 2 为 60℃，Φ 2 为 100%。据此将课题组实测的某海域不同温度和湿度的作用时间[7]等效为 60℃蒸馏水浸泡的时间为 638.4 小时，对应飞机在该海域服役一年。
b） 紫外照射试验环境条件
紫外线照射试验采用 UR2600 紫外老化试验箱，试验箱中紫外线辐射强度：60W/m 2 ；温度：T=55℃；根据课题组实测某海域日照情况及其紫外线年辐射量[7]即可得到紫外照射加速试验的时间为 798 小时，798 小时对应飞机在该海域服役一年。
3 腐蚀试验与结果分析
（1）复合材料吸湿量统计
复合材料裸材在潮湿环境下吸湿增重，且吸湿量的多少直接影响复合材料的力学性能，因此，复合材料裸材的吸湿量是评估其腐蚀的重要指标。复合材料裸材自然环境暴露后增重的数据见表1，表 2 为数据统计处理结果。
复合材料裸材增重数据分为6区间，计算得到均值为 0.033，方差为 0.0048，2χ =2.094 ＜2χ0.05 7.815，故显著度水平 0.05 情况下复合材料裸材增重符合正态分布。
表 3 为复合材料裸材加速腐蚀 6 周期后增重数据，表 4 为数据统计处理结果。复合材料加速腐蚀吸湿增重点数分为 6 区间，计算得到均值为 0.033，方差为 0.0053，2χ =5.18 ＜2χ0.05 7.815，故显著度水平 0.05 情况下复合材料裸材吸湿增重符合正态分布。
（2）复合材料腐蚀形貌分形维数统计
复合材料裸材表面存在着大量的微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等，随着自然环境暴露或实验室加速环境的作用时间的延长，复合材料表面的裂纹或缺陷不断增大，其表面腐蚀老化形貌越来越粗糙复杂，如图 2-3 所示试验室加速腐蚀不同周期复合材料裸材表面微观形貌。故复合材料表面腐蚀老化图像包含着大量的腐蚀信息。物体表面形貌图像分形维数能度量物体表面的粗糙度和复杂度，表面越复杂越粗糙，分形维数越大，可作为评估复合材料腐蚀的指标。
表 5-6 为利用分形维数计算程序计算的自然暴露和试验室加速腐蚀后复合材料裸材表面分形维数，表 7-8 为对应的数据统计处理结果。根据表 5 的数据，可算得均值为2.631，方差为0.025.2χ =6.247 ＜2χ0.05 =7.815， 故 显 著度水平 0.05 情况下复合材料裸材分形维数符合正态分布。根据表 6 数据，可得其均值为 2.640，方差为 0.028，2χ=5.758 ＜2χ0.05 7.815，故显著度水平0.05 情况下复合材料裸材分形维数符合正态分布。
4 当量关系验证
（1）吸湿量验证
通过对比自然环境暴露与实验室加速腐蚀 6 周期试验（浸泡与紫外线照射）后试验件的吸湿量，利用概率分析验证其腐蚀程度的一致性。
其中 σ A 为试验室加速试验后吸湿量统计方差，σ B 为自然暴露试验后吸湿量统计方差，μ A 为试验室加速试验后吸湿量均值，μ B 为自然暴露试验后吸湿量均值，n A 为试验室加速试验后吸湿量数据样本量，n B 为自然暴露试验后吸湿量数据样本量。
通过 t 检验，两组复合材料裸材增重量（试验室加速试验与自然环境暴露试验）在显著度为0.05情况下均值相同。
结果通过 F 分布和 t 分布检验，可得出两组数据来的方差和均值在 95%置信度下一致，即复合材料裸材加速腐蚀 6 周期对增重参数的影响相当于舰上自然暴露一年的时间。
（2）微观腐蚀形貌验证
其中 σ A 为试验室加速试验后分形维数统计方差，σ B 为自然暴露试验后分形维数统计方差，μ A 为试验室加速试验后分形维数均值，μ B 为自然暴露试验后分形维数均值，n A 为试验室加速试验后分形维数数据样本量，n B 为自然暴露试验后分形维数数据样本量。
通过 t 检验，两组复合材料裸材分形维数（实验室加速试验与自然环境暴露试验）在显著度为 0.05 情况下均值相同。
结果通过 F 分布和 t 分布检验，可得出两组数据的方差和均值在 95% 置信度下相同，故在两种腐蚀环境 - 时间历程条件下，复合材料表面的分形维数再次验证了复合材料裸材结构的腐蚀当量关系，即复合材料裸材加速腐蚀 6 周期对其表面分形维数的影响相当于舰上自然环境暴露一年。
5 结论
本文建立的复合材料在海洋大气环境的环境谱由“紫外照射”和“湿热老化”两个环境块组成。从吸湿量和微观形貌两个方面对比，舰面暴露一年和实验室加速腐蚀 1434 小时试验件腐蚀程度在95% 置信度下一致。
● 作者简介
刘成臣，男，1984 年 12 月生，硕士，高级工程师，2010 年毕业于北京航空航天大学材料专业。工作以来，长期致力于飞机防腐蚀设计和腐蚀损伤评估技术研究工作。2010 年曾担任“某型机环境谱及当量化技术”课题负责人，2011 年担任“某型机舰上腐蚀损伤评估及防护技术”课题负责人，并负责蛟龙 600 的机身防腐蚀设计，2014 年负责陕飞公司某型号疲劳定寿及腐蚀防护技术项目负责人，国内首次开展了全尺寸机翼盒段密封耐久性试验，2015 年担任“通用飞机水上使用的新型密封及防腐蚀监测技术”专题负责人，创新性的提出了用于替代飞机湿装配的微胶囊新型密封技术。2017 年担任兄弟单位某型飞机腐蚀防护专业主任设计师，负责该型号腐蚀防护与控制系统工程。独立 / 参加编写各类的技术资料文件（项目建议书、论证报告、合同、技术文件等）百余份，荣获集团公司科技进步三等奖 2 项，荣立中航工业集团公司个人三等功 1 次，参与编写海军标 1 项，发表核心论文 10 余篇。2013 年，荣获中国特种飞行器研究所“青年立功标兵”称号，2016 年，荣获中国特种飞行器研究所“十大杰出青年”称号；2017 年，被选拔为中航工业“环境试验与分析”专业技术领军人才后备。
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