浮空器蒙皮材料老化后透氦率實驗研究

劉帥，朱仁勝，張金奎，魯國富,2b，王國棟，趙紅玲

（1. 合肥工業大學 a. 機械工程學院；b. 汽車與交通工程學院，合肥 230009；2. 中航工業特種飛行器研究所 a. 浮空器與地效飛行研究中心；b. 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

目前浮空器蒙皮材料多采用層合多功能復合材料，這種材料的綜合性能（面密度、強度、氣體阻隔性能等）比較好。由于浮空器的工作環境十分惡劣，工作環境溫度低（最低溫度約為-55 ℃），晝夜溫差大，大氣密度稀薄，約為0.0889 kg/m3，僅為地表的1/14，紫外輻射作用和臭氧作用強[1-2]。在這種環境下工作，其各項性能指標會發生很大的變化，會嚴重影響浮空器的單次工作時長、使用壽命和安全性能等。因此，要求蒙皮材料須具有較強耐候性[3-5]。Liu[6]等實驗研究了紫外線對蒙皮材料強度的影響，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）檢測了蒙皮材料的表面形態。Yao[7-8]等通過研究柔性復合材料不同損傷模式的氦氣泄漏模型，得到了內部損傷是主要泄漏源的結論。Tomohiro[9-10]提出了一種包括損傷和載荷組合效應的擴散模型，并驗證了其正確性。因此為驗證各種老化因素對蒙皮材料性能指標的影響，進行老化實驗很有必要。

浮空器蒙皮材料的氦氣阻隔性能（透氦率）對浮空器的單次工作時長有很大影響，是評價蒙皮材料的一項重要指標。馬寅佶[11]等研究了氦氣透過柔性蒙皮材料的微觀機制，驗證了溶解擴散模型和多層滲透模型的正確性。李天騏[12]等研究了溫度對平流層浮空器蒙皮透氦率的影響，得到了透氦率關于溫度的數學模型。然而，目前老化因素對蒙皮材料透氦率影響的研究較為匱乏，因此開展材料老化實驗并測試材料老化后的透氦率對保障浮空器結構安全具有重要意義。文中對不同老化因素的蒙皮材料及新的蒙皮材料進行了透氦率實驗，為浮空器設計中蒙皮材料的選擇和改進提供了依據。

1 蒙皮材料結構及實驗件的制備

浮空器蒙皮材料一般由以下幾部分組成，如圖1所示。耐候層位于蒙皮的最外層，主要用來防止太陽輻射作用、臭氧作用等復雜環境作用帶來的老化問題，同時具有一定的氣體阻隔性。阻氦層能夠有效地阻止氦氣泄漏，提高浮空器的單次工作時長。粘接層一般在纖維基布上粘接薄膜材料，同樣具有一定的氣體阻隔性。承力層一般采用高強度織物，以滿足蒙皮材料較高比強度的要求。

實驗材料為某型號浮空器研制中采用的蒙皮材料URETEK-3216LV。該材料由美國URETEK公司生產，其耐候層材料為 Polyurethane，承力層材料為Vectran，密度為205 g/m2。由于浮空器在大氣飛行過程中大部分外表面會直接受到紫外輻射作用，所以為了驗證紫外輻射作用對蒙皮材料透氦率的影響，將實驗件的老化方式分為陽面老化和陰面老化兩種。

以某型號浮空器的使用環境為依據，實驗前進行1個月和3個月的自然老化實驗，其中老化方式又分為兩種，即陽面老化和陰面老化。具體實施方式為，將一件實驗件（陽面實驗件）耐候層朝上置于實驗架上，另一件實驗件（陰面實驗件）耐候層朝上置于前一件的下方，待到1個月和3個月后將上下兩層分別取樣[13]，即為陽面老化實驗件和陰面老化實驗件，如圖2所示。用這種方法確保在其他條件（溫度，濕度等）相同的情況下，陽面老化實驗件能受到紫外線照射，陰面老化實驗件不能受到紫外線照射。待老化1個月和3個月后，將老化后的實驗件和沒有老化的實驗件用取樣器裁成直徑97 mm的圓形，如圖3所示。實驗條件見表1。

2 實驗

2.1 實驗原理

透氦率測試屬于一種氣體透過率測試 ，也稱作氣體阻隔性測試或透氣性測試，主要是考察薄膜、薄片對常見無機性氣體的阻隔性能。氦氣阻隔性能的測試方法采用 GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性實驗方法——壓差法》。

如圖 4所示，把實驗件置于低壓室和高壓室中間，密封后用真空泵將低壓室和高壓室進行抽真空，達到一定真空度后，高壓室充入1.0133×105Pa的實驗氣體。氣體在壓差梯度的作用下，由高壓室向低壓室滲透，通過對低壓室內壓強的監測處理，從而得出所測試樣的氣體透過率。

氣體透過率計算公式為：

式中：Qg為材料的氣體透過率，cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)；為在穩定透過時，單位時間內低壓室氣體壓力變化的算術平均值，Pa/h；V為低壓室體積，cm3；S為試樣的實驗面積，m2；T為實驗溫度，K；p1，p2為實驗兩側的壓差，Pa；T0，p0為標準狀態下的溫度（273.15 K）和壓力（1. 0133×105Pa）。

2.2 實驗方法

依據實驗原理，開發了壓差法透氣測試裝置，主要由溫度控制系統、透氣性測試系統、數據采集和處理系統組成，如圖5所示。實驗方法根據 GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性實驗方法——壓差法》，實驗步驟如下：

1）將儲有氦氣的儲氣瓶打開，并將出口壓力調到0.5 MPa，依次打開溫度控制系統（調節到23 ℃），透氣性測試系統，真空泵。

2）將實驗件放置到測試下腔上，并用真空油脂做好密封，之后旋緊測試上腔。

3）在透氣性測試系統上根據實驗要求修改實驗參數，設定抽真空時間為12 h，以達到測試腔壓力小于27 Pa。

4）實驗結束后，記錄相關數據。

3 結果分析

材料的實驗測量結果見表2。

表2 實驗數據

由實驗數據可得：未經老化處理的新材料平均透氦率為 486.807 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)；老化 1 個月的陰面老化實驗件平均透氦率為497.022 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)；老化 1 個月的陽面老化實驗件平均透氦率為 508.762 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)；老化 3個月的陰面老化實驗件平均透氦率為 653.915 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)；老化 3個月的陽面老化實驗件平均透氦率為 670.055 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)。

由此可以得到以下結論。

1）新材料的透氦率略低于老化1個月的材料，明顯低于老化3個月的材料。這說明此種浮空器的蒙皮材料 URETEK-3216LV經過紫外線照射和自然老化1個月內，透氦率變化不大，但是在1～3個月過程中，透氦率有一個快速上升的過程。

2）比較陰面老化和陽面老化材料的透氦率可以發現，陽面老化的透氦率略高于陰面，但是差別不大，并且這種差別隨時間變化不大。可以判斷紫外線照射對蒙皮材料的透氦率性能有一定影響，但是在照射1個月和3個月條件下，透氦率上升不明顯。