典型非金屬材料海洋環境適應性技術研究

王哲，雍興躍，范林，段婷婷

?

典型非金屬材料海洋環境適應性技術研究

王哲1，雍興躍2，范林1，段婷婷1

（1.中航工業第一飛機設計研究院，西安 710089；2.北京化工大學，北京 100000）

目的研究海洋環境對典型非金屬腐蝕的影響。方法首先編制加速腐蝕試驗環境譜進行腐蝕試驗，以及自然暴曬試驗，最后對試驗進行數據分析。結果丁晴橡膠、硅橡膠、有機玻璃及密封膠在經過熱沖擊、鹽霧、紫外暴曬、紫外-周浸和萬寧站暴曬試驗之后，其斷裂強度、屈服強度和斷裂伸長率等力學性能雖然都有一定程度降低，但是其力學性能的保持率仍然達到85%。這表明丁晴橡膠、硅橡膠、有機玻璃及密封膠總體上是耐蝕的。結論丁晴橡膠和密封膠的耐腐蝕性強于硅橡膠和有機玻璃。

非金屬；海洋環境；環境適應性

海上飛機服役環境苛刻，不但導致金屬材料腐蝕，更會造成橡膠、密封劑、有機玻璃、復合材料等高分子材料的吸濕、開裂、老化、體積膨脹、組織疏松、表面模糊和起泡等現象，造成彈性、塑性改變和強度降低。同時，導致部件功能失效，降低武器裝備的可靠性。另外，霉菌的破壞作用隨溫度和濕度而變化，造成非金屬功能材料的霉變，致使這些材料的物理性能發生明顯惡化，危及武器裝備的安全性。海上飛機結構中的非金屬功能材料變質、結構強度降低、系統和附件功能失效，這不但影響和降低了海上飛機的出勤率、安全性和使用壽命，而且增加了海上飛機的使用維護成本。國內對海上飛機材料，特別是非金屬功能材料體系的環境適應性研究基礎不足，影響了飛機非金屬功能材料的正確選用、合適防護和正確維護。通過開展橡膠、密封劑、有機玻璃、復合材料等非金屬功能材料海洋環境中適應性研究，掌握相應的腐蝕老化特性評價方法，獲取相關腐蝕老化特性參考數據，為型號研制和使用維護階段提供腐蝕防護技術支持[1]。

1 新型密封材料環境適應性研究

非金屬密封材料主要應用部位有風擋窗戶區域、口框區域、結構縫隙、盥洗室區域、艙蓋等[2]。典型結構件如艙門密封橡膠帶、防腐蝕和氣密的密封劑、口蓋及風擋密封橡膠件等。環境參考現役服役的飛機腐蝕情況。

密封劑主要用于飛機的密封結構中，如整體油箱、氣密座艙、設備氣密艙等?？梢詫崿F氣密、油密和水密，防止漏油、漏氣、漏水功能，同時還可以起到防腐、氣動整流、防火、防水等作用。由于海上飛機工作環境特殊性，對橡膠材料的三防性能要求較高。空氣系統中使用耐空氣老化、長壽命的有機硅橡膠和乙丙橡膠；接觸各種油汽部位和后機身耐高溫部位采用氟硅橡膠；液壓油、滑油、燃油介質中使用丁腈橡膠、氟醚橡膠、氟橡膠。透明件主要用于座艙風擋、觀察窗等有視線要求的部位，交聯型YB-DM-10有機玻璃具有高強度、高韌性、抗銀紋及裂紋擴展能力。

通過調研機場環境數據，掌握機場外部自然環境，結合所考察腐蝕損傷關鍵部位與外部環境之間的聯系，分析關鍵部位局部環境的腐蝕因素。參考國外經過驗證的行之有效的加速試驗環境譜，綜合考慮造成飛機結構腐蝕/失效的各種環境因素，選取主要環境因素制定加速試驗環境譜塊，并組合為可實施的、具有模擬性的加速試驗環境譜。環境譜考慮因素、環境譜編制流程、環境譜的基本構成參考CASS譜環境譜[3—8]。

通過適當的當量關系確定方法來確定各環境譜塊的參數，確定飛機結構件加速試驗環境譜實施的具體試驗條件，使環境譜同時具備“加速性”和“再現性”。對新型橡膠、密封劑、有機玻璃等非金屬材料進行環境試驗，以便掌握這些材料腐蝕情況。

2 密封材料環境適應性評估方法研究

1）失重法。計算樣品在實驗后的累積質量變化，紫外暴曬與周期浸潤聯合實驗每個循環后樣品的質量變化量。

2）失光率。紫外暴曬與周期浸潤聯合實驗每個循環后樣品的光澤度變化量。

3）力學性能測試。使用微機控制電子萬能試驗機對試驗前后的樣品進行力學性能測試。

4）表面形貌觀察。使用XD30M金相顯微鏡、SZ45-ST1變焦體視顯微鏡及照相機觀察實驗前后樣品的表面形貌變化。

3 試驗

3.1 環境箱當量環境譜下的加速腐蝕

3.1.1 試驗步驟

按照如圖1所示試驗步驟進行2個周期循環。

3.1.2 試驗結果

3.1.2.1 質量損失分析

丁晴橡膠的質量損失結果見表1，表面形貌如圖2所示。

表1 丁晴橡膠的質量損失結果

a 45×

b 200×

圖2 丁晴橡膠表面形貌

硅橡膠的質量損失結果見表2，表面形貌如圖3所示。

表2 硅橡膠的質量損失結果

a 45×

b 200×

圖3 硅橡膠表面形貌

有機玻璃的質量損失結果見表3。

表3 有機玻璃的質量損失結果

由表1—3可知，三種材料的質量損失規律并不明顯，但均有微小的質量損失，是紫外光照射導致材料表面粉化所致。由圖2和圖3可知，放大45倍的情況下，橡膠件表面并無明顯特征，但放大200倍的情況下，可明顯發現丁晴橡膠表面出現了大量細紋及斑點，硅橡膠表面也有少許斑點。證明紫外照射及浸潤使其發生了一定程度的老化。玻璃沒有明顯的變化。

3.1.2.2 失光率分析

5860丁晴橡膠的失光量見表4。

表4 丁晴橡膠失光量 Gs

G198硅橡膠的失光量見表5。

表5 硅橡膠失光量 Gs

YB-DM-10有機玻璃的失光量見表6。

表6 有機玻璃失光量 Gs

通過上述表中數據分析，由于紫外光照射及周期浸泡，丁晴橡膠和硅橡膠的表面光澤度總體上出現一定的下降，且丁晴橡膠的失光率高于硅橡膠，而有機玻璃的光澤度有了一定的上升。

3.1.2.3 力學性能分析

對丁晴橡膠、硅橡膠、有機玻璃的空白試樣及試驗后試樣分別進行了拉伸試驗，結果見表7和圖4。

表7 拉伸試驗結果

3.1.2.4 斷口形貌

為了更加直觀地觀察環境對材料的影響，針對力學測試后的試樣進行了斷口截面的形貌分析。三種材料的斷口截面如圖5—7所示。

a 空白試樣

b 試驗后試樣

圖5 丁晴橡膠斷口截面

a 空白試樣

b 試驗后試樣

圖6 硅橡膠斷口截面

a 空白試樣

b 試驗后試樣

圖7 有機玻璃斷口截面

3.2 自然曝曬腐蝕試驗

海洋大氣環境試驗在海南萬寧大氣暴曬站進行，暴曬時間為2年，位置為東經110°05′、北緯18°58′，海拔高度為12.3 m，平均溫度為24.6 ℃，平均相對濕度為86 %，年總輻射量為4826 MJ/m2，年總日照時數為2154 h，年降水總量為1515 mm，降水pH值為5.4。 YB-DM-10有機玻璃試件尺寸為35 mm×150 mm；5860丁晴橡膠試件尺寸為25 mm×120 mm；G198硅橡膠試件尺寸為25 mm×120 mm；JLG-103密封劑試件尺寸為35 mm×150 mm。用電子掃描顯微鏡對紫外-周浸試驗下的材料進行了微觀形貌分析，并與萬寧站試驗結果作了對比。從有機玻璃斷口已經能看出層片狀形態，證明試樣經受紫外-周浸試驗及萬寧站試驗后，韌性降低，容易發生脆性開裂。對丁晴橡膠斷口略有影響，但都不明顯。對硅橡膠和有機玻璃影響比較顯著，可以明顯發現材料韌性降低。對于密封膠則幾乎沒有影響。

4 結論

由測試結果和斷口截面可推論：丁晴橡膠試樣斷口處的裂紋較少，說明其斷裂時受力較小，其硬度及韌性均有所下降，在一定程度上受到了環境的影響。試驗后的硅橡膠試樣的斷口較為平整，說明其韌性及硬度均有下降，在一定程度上受到了環境的影響。對于有機玻璃試樣，實驗前后斷口截面圖的差別并不明顯，說明環境對其影響相對較小。丁腈橡膠、硅橡膠在分別經過熱沖擊、鹽霧、紫外暴曬和紫外-周浸試驗之后，其力學性能雖然有所降低，但是除了硅橡膠的斷裂伸長率略大于20%之外，其他都在15%的范圍內。這表明這些材料受熱沖擊、鹽霧、紫外暴曬和紫外-周浸環境因素的影響較小，可以使用。各材料試驗結果與實地萬寧站暴曬試驗下的試驗結果接近，證明紫外-周浸試驗能在加速的條件下通過一定當量關系良好地模擬實際情況，具有極大參考價值。

[1] BAKER A A. Repair of Cracked or Defective Metallic Aircraft Components with Advanced Fibre Composites[J]. Composites Structure, 1984, 2(2): 153—234.

[2] 中國航空研究院. 飛機設計手冊第2冊[M]. 北京: 航空工業出版社, 2010.

[3] 劉文珽, 李玉海. 飛機結構日歷壽命體系評定技術[M]. 北京: 航空工業出版社, 2004.

[4] 楊曉華, 姚衛星, 陳躍良. 考慮日歷環境影響的結構日歷壽命研究[J]. 應用力學學報, 2002, 19(3): 157—159.

[5] 李東帆. 飛機結構的腐蝕與防護[J]. 裝備環境工程, 2016, 13(1): 57—61.

[6] LI S, TANG H, ZHANG X, et al. Fatigue Behavior of Precorrosion Deformed Bars[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2014, 26(9): 646—649.

[7] MA S, HUI L, ZHOU S, et al. Influence of Corrosion Environments on Corrosion Fatigue Property of Pre-corroded Aluminum Alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(2): 91—95.

[8] 陳群志, 李喜明. 飛機結構典型環境腐蝕當量關系研究[J]. 航空學報, 1998, 19(4): 414—418.

Technical Research on Ocean Environmental Adaptability of Typical Nonmetal Materials

WANG Zhe1, YONG Xing-yue2, FAN Lin1, DUAN Ting-ting1

(1.AVIC The First Aircraft Institute, Xi′an 710089, China;2.Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100000, China)

Objective To study influences of ocean environment on corrosion of typical nonmetal materials. Methods A environment spectrum for accelerated corrosion test was drawled up to carry out corrosion test, atmospheric exposure test and data analysis. Results Mechanical properties such as breaking strength, yield strength and elongation at break of nitrile rubber buna, silicon rubber, organic glass and sealant decreased to a certain extent after tests of thermal shock, salt fog, ultraviolet exposure, ultraviolet-immersion and exposure in Wanning Station, but their mechanical properties were still kept at 85%. This means that nitrile rubber buna, silicon rubber, organic glass and sealant were corrosion resistant. Conclusion The corrosion resistance of nitrile rubber buna and sealant is better than that of silicon rubber and organic glass.

nonmetal; ocean environment; environmental adaptability

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.012

TJ04；TG172

A

1672-9242(2017)03-0060-05

2016-12-28；

2017-01-11

王哲（1963—），男，陜西西安人，研究員，主要從事飛機結構、機構設計與研究。