濕熱、鹽霧和霉菌對氧化鋁納米隔熱材料的性能影響

王曉艷 胡子君 孫陳誠 王曉婷 宋兆旭

0 引言

導彈作為一種高可靠性武器裝備，必須在發射前采取各種措施在地面把潛在的缺陷減至最少［1］，貯存環境中的可靠性尤為重要［2］。氧化鋁納米隔熱材料以其耐高溫能力強、熱導率低、結構質量輕等優點有望作為熱防護系統的隔熱材料應用于導彈上［3－9］，但長期貯存中，環境因素如：溫度、濕度、腐蝕介質、氣壓、霉菌等可能導致材料性能發生變化［10－13］。其中，文獻［14－15］認為貯存環境的溫度或濕度均會對產品的固有貯存失效率產生重要影響。本文探討氧化鋁納米隔熱材料在國內貯存典型環境，包括溫度、濕度、腐蝕介質和霉菌種類，對材料性能影響主要涉及隔熱和力學性能的變化，并分析變化原因，進一步開展材料組織結構優化，旨在通過優化材料自身的組織結構，將貯存環境對材料熱力性能的不利影響，降至最低，從而為決策部門提供訂購生產、儲存布局和使用維護的決策數據［16－17］。

1 實驗

1.1 原料

氧化鋁納米隔熱材料（自制，主要成分為納米氧化鋁、陶瓷纖維和遮光劑）和防潮試劑（自制，主要成分為硅烷）。

1.2 試樣制備

試驗材料為纖維增強Al2O3納米隔熱材料，樣品密度分別為 0.45 g／cm3和 0.60 g／cm3，尺寸為 150 mm×150 mm×20 mm。防潮改進試驗件，是通過引入防潮試劑，在材料表面連接有機基團的方式，并通過超臨界干燥進行防潮處理，尺寸不變。

1.3 測試表征

采用掃描電鏡觀察試樣的微觀形貌（型號A?POLLO 300－INCA ENERGY 350／SCG620）；采用日本EKO，根據熱流計法測試材料的室溫熱導率。

依據GJB150.9A—2009標準進行濕熱試驗研究。其濕熱變化曲線如圖1所示，全程濕度控制在（95±5）%。本試驗以24 h為一個循環周期，共進行了10個周期。

圖1 濕熱測試圖（1個周期24 h內）Fig.1 Chart of moist heat test in a period of 24 h

根據GJB150.11A—2009進行鹽霧試驗，試驗使用交替進行的24 h噴鹽霧和24 h干燥兩種狀態共96 h（2個噴霧濕潤階段和2個干燥階段）的試驗程序。試驗溫度（35±2）℃。調節鹽霧的沉降率，使每個收集器在80 cm2的水平收集區內（直徑10 cm）的收集量為（1～3） mL／h溶液。

根據GJB150.10A—2009開展霉菌試驗。采用的菌種及編號分別為：黃曲霉 Aspergillus flavus（編號：AS3.3950）、雜色曲霉 Aspergillus versicolor（編號：AS3.3885）、繩狀青霉 Penicillium funiculosum（編號：AS3.3875）、球毛殼霉 Chactomium globosum（編號：AS3.4254）、黑曲霉 Aspergillus niger（編號：AS3.3928），持續時間為 28 d。

上述的濕熱、鹽霧和霉菌試驗，均在國家機械電子產品環境與可靠性質量監督檢驗中心的步入式環境試驗箱中進行。

2 結果與討論

2.1 濕熱試驗

在進行濕熱試驗之前，先初步測試了不同密度樣品在 40℃、90%濕度，160 h 后的增重率。 0.45 g／cm3的 Al2O3納米隔熱復合材料增重率為 4.5%，0.6 g／cm3的Al2O3納米隔熱復合材料增重率為4.6%，均有比較明顯的增重現象。分析原因：氧化鋁納米隔熱材料是由納米顆粒和納米孔隙構成的具有特殊的三維網絡結構，氧化鋁顆粒表面含有大量—OH功能團，吸潮后會在表面形成一層“水膜”，大氣中的CO2、SO2等氣體會溶解在水膜中形成電解質，使材料性能下降。對于納米隔熱材料，一旦吸潮后，毛細管凝結，在與金屬接觸時，會使金屬的臨界濕度下降，從而促進金屬的腐蝕。為了避免濕熱給材料的儲存等帶來不確定的因素，需要對材料進行防潮處理。于是通過在材料表面連接有機基團—（CH3）n，以實現防潮疏水的目的。防潮后樣品的疏水效果非常明顯，接觸角均超過90°，且水滴不易在材料表面停留，水滴滾落處基本無肉眼可見痕跡。

濕熱試驗前后材料的性能變化如表1中所示。以0.45 g／cm3的材料為例可以看出，材料未經防潮處理的情況下，增重8.5%，熱導率明顯增加至0.047 W／（m·K），增長了 51