飛艇蒙皮縫線光老化試驗研究

朱辰，邢新俠，蔡舒陽，李云仲

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

光老化試驗是一種人工模擬的加速老化環(huán)境試驗。它模擬產(chǎn)品在地面或較低大氣層中使用或無遮蓋儲存期間暴露在日輻射條件下受到的影響[1]。溫度、濕度等各種氣候和太陽輻射是導(dǎo)致高分子材料老化的主要因素。高分子材料老化的表現(xiàn)主要有失光、黃變、粉化、力學性能下降等。用于飛艇蒙皮材料連接的縫線，其材料為高分子聚乙烯纖維。由于蒙皮縫線的抗老化性能，將直接影響到飛艇的功能性和安全性，因此有必要對其開展光老化試驗，研究其抗老化性能。

文中選取了飛艇實際中應(yīng)用的蒙皮縫線進行氙燈加速老化試驗，測試蒙皮縫線光老化試驗前后的斷裂強力，計算斷裂強力下降率，評定蒙皮縫線的抗老化性能。為飛艇結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計提供依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 光老化試驗

溫度、濕度和太陽能的綜合作用對材料產(chǎn)生老化作用[2]，因此光老化試驗需要確定的參數(shù)主要有：輻照光源、輻照強度、輻照時間、黑板溫度、箱內(nèi)濕度等。

1.1 輻照光源

光源的選擇對于光老化試驗是至關(guān)重要的。當前市場上主要有氙燈、熒光紫外燈、碳弧燈等3種類型的試驗設(shè)備。分析比較3種光源的模擬性和經(jīng)濟性，其中氙燈為全光譜光源，其譜能分布最為接近于太陽光，定位準確性較好，且壽命長于碳弧燈，設(shè)備維護簡單，故光老化試驗的最佳光源為氙燈。

1.2 試驗條件

試驗參照標準AATTC169-2003《紡織品的耐氣候性：氙燈曝曬》試驗測試方法，結(jié)合飛艇的使用環(huán)境來確定試驗條件[3]。

1.2.1 輻照強度

根據(jù)飛艇的總體設(shè)計要求，確定飛艇服役的環(huán)境主要在溫帶地區(qū)的濕熱氣候下，大部分時間的光照強度屬于中等。0.35W/m2@340nm相當于春、秋季節(jié)的太陽光強度，適合普通測試和較低輻照強度測試。

1.2.2 溫度

溫度能加速光氧化過程，對光老化試驗起到催化作用。飛艇外場儲存試驗數(shù)據(jù)表明，飛艇蒙皮在實際中可能達到最高溫度為70℃，環(huán)境溫度為49℃。考慮到不可預(yù)料的升溫因素，飛艇蒙皮縫線的光老化試驗選擇黑板溫度（77±1）℃和箱內(nèi)溫度（55±1）℃。

1.2.3 濕度

濕度也會加速光老化作用。濕氣的表現(xiàn)形式主要有：濕度、凝露、雨等3種，對飛艇蒙皮縫線會產(chǎn)生表面效應(yīng)和熱沖擊作用，因此試驗過程中也要考慮濕度和適當?shù)膰娝疂櫇駚砟M降雨效果。根據(jù)飛艇服役地區(qū)氣象部門的環(huán)境數(shù)據(jù)，確定環(huán)境試驗的相對濕度為70%和模擬降雨的時間為每2 h噴淋30 min。

1.2.4 試驗時間

由于該次試驗的目的是研究飛艇蒙皮縫線的光老化規(guī)律并確定其有效期，且在飛艇初步設(shè)計時規(guī)定蒙皮縫線的力學性能下降到20%時，就確定為失效。試驗總時間初步確定為30天，試驗過程中如果縫線的力學性能下降率小于20%則延長試驗時間。

1.2.5 試驗條件的確定

采用控制點波長為340 nm的氙燈光源進行光老化試驗。試驗的具體參數(shù)及時間見表1[4]。

表1 光老化試驗參數(shù)及時間Table 1 Lightaging testparameterand time

1.3 試樣的制備

根據(jù)光照試驗箱的試驗空間和拉力試驗機確定試驗件的尺寸為300mm。選取同一批次的蒙皮縫線制作平行試樣18件，3件用于測定原始斷裂強力，15件用于試驗。試驗過程中定期取樣，每次取3件試樣進行觀察和測試。

1）氙燈老化試驗箱：Xe-3-HSC型（美國Q-Lab公司生產(chǎn)），光輻照度為0.25～0.68W/m2。樣品架尺寸為451mm×718mm。

2）電子拉伸試驗機：AG-X250KN型（日本島津公司生產(chǎn)），試驗速度0.0005～500mm/min，試驗空間為595mm。

1.4 試驗判定

1）外觀。采用三維體式顯微鏡檢查并拍照，觀察蒙皮縫線的變色、粉化、剝落、長霉、斑點等變化。

2）力學性能。試樣取出后，自然干燥24 h。按FZ 65002-1995《特種工業(yè)用繩帶物理機械性能試驗方法》，測定縫線的拉伸斷裂強力。加載速度為2 mm/min[5—6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀檢查

光老化試驗過程中每5天取出3件試樣進行檢查，自然干燥24 h，然后使用三維體式顯微鏡放大150倍進行微觀拍照。試樣試驗前和試驗30天的微觀照片分別如圖1和圖2所示。與圖1相比，圖2中的蒙皮縫線絲束出現(xiàn)了失光和明顯的硬化裂紋。

圖1 試驗前試樣Fig.1 Imageofspecimen before test

圖2 試驗后試樣(30天)Fig.2 Imageofspecimen after test（thirty days）

2.2 力學性能

拉伸試驗記錄了試樣老化試驗前后的拉伸斷裂強力，取3件平行試樣的平均斷裂強力值。拉伸斷裂強力下降率按下列方法進行計算：

式中：r為斷裂強力下降率；F前為老化前拉伸斷裂強力；F后為老化后拉伸斷裂強力；

飛艇蒙皮縫線斷裂強力下降率隨試驗時間的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 斷裂強力下降率隨試驗時間的變化Fig.3 Variation in breaking strength decline ratewith time

3 結(jié)論

1）飛艇蒙皮縫線絲束在試驗的第30天取出檢測時，表面出現(xiàn)了明顯的硬化裂紋，此時縫線的拉伸力學性能也下降了將近80%。隨試驗時間的增加，飛艇蒙皮縫線的力學性能下降的速率逐步增大。

2）通過對斷裂強力下降率隨試驗時間變化的分析，光老化試驗16天，飛艇蒙皮縫線的斷裂強力下降率達20%，根據(jù)設(shè)計要求即可確定為失效。

3）由于飛艇蒙皮縫線在工作時處于受力狀態(tài)，后期將制作試驗件模擬飛艇工作時的受力狀態(tài)，進行實驗室光老化試驗，并開展外場暴露試驗，以確定其相關(guān)性，建立試驗室加速老化模型。

[1] 夏越美.太陽輻射試驗及其標準分析[J].航空標準化與質(zhì)量，2001（5）：33. XIA Yue-mei.Solar Radiation Testing and Analysis of Its Standards[J].Aeronautic Standardization&Quality，2001（5）：33.

[2]張恒.QUV和Q-Sun兩種有效耐候性和光穩(wěn)定性測試方法的比較[J].分析與測試，2002，35（6）：126—128. ZHANGHeng.Comparison ofQuv and Q-Sun Two Kinds of Effective Weather Resistance and Light Stability Test Method[J].Analysisand Testing，2002，35（6）：126—128.

[3]AATCC 169-2003，紡織品的耐氣候性氙燈曝曬[S]. AATCC 169-2003，Weather Resistance of Texiles：Xenon Lamp Exposure[S].

[4]ASTM G155-01a，非金屬材料曝曬用氙弧燈設(shè)備操作規(guī)程[S]. ASTM G155-01a，Standard Practice for Operating Xenon Arc Light Apparatus for Exposure ofNon-Metallic Materials [S].

[5]FZ 65002-1995，特種工業(yè)用繩帶物理機械性能試驗方法[S]. FZ 65002-1995，Test Method of the Physical Mechanical PropertiesofSpecial Industrial Belt[S].

[6]GB/T 8834-2006，繩索有關(guān)物理和機械性能的測定[S]. GB/T8834-2006，Ropes-determination of Certain Physical and MechanicalProperties[S].