直升機非金屬材料高原高寒加速腐蝕老化試驗研究

季佳，高蒙，崔騰飛，張曉娟，孫志華

（1.中國直升機設計研究所 通用技術部，景德鎮 333001；2.中國航發北京航空材料研究院，航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095）

引言

直升機在運輸、救援、醫療救護等領域有著十分廣泛的應用，其使用場景多變，服役區域復雜，會面臨各種復雜環境條件[1]。尤其是沿海環境、砂塵環境、低溫環境、高太陽輻射環境[2]，對直升機的損傷尤為突出，隨著直升機的服役環境越來越惡劣，對直升機的環境適應性也提出了更高的要求[3]，要能在綜合嚴酷環境中保持其飛行和任務使命要求，并在服役期內具有持續穩定的環境適應性，保持優良的出勤率和任務效能[4,5]。

在考核直升機環境適應性能力時，為了縮短周期、減少費用、提高時效性，有些國家采用加速試驗的方法來進行研究[6-8]。20世紀80年代，北大西洋公約組織（NATO）開展了相關的腐蝕疲勞試驗研究[9,10]。而美國國防部制定了涂層加速試驗環境譜及試驗程序（CASS譜），并闡述其加速試驗環境譜的編制方法[11]。國內一些學者也對直升機加速試驗環境譜開展了相關研究[12,13]，但是研究主要集中在對海洋腐蝕環境的分析及加速環境譜的構建，而針對高原高寒環境的加速試驗方法研究較少。直升機在高原高寒地區服役時，將暴露于低溫、高紫外的嚴酷環境中，對非金屬材料的性能會產生很大的影響[14,15]。尤其是橡膠、密封劑等材料在高原高寒環境下的性能，對直升機密封、隔離效果起著重要的作用。

本文根據高原高寒地區的環境特點，采用某型直升機實際使用的橡膠和密封劑材料，編制直升機高原高寒加速腐蝕老化試驗環境譜，進行實驗室加速環境試驗和自然環境試驗，對所編制的加速腐蝕老化試驗環境譜進行驗證，為其在直升機高原高寒環境適應性考核中的應用提供技術支撐。

1 加速腐蝕老化試驗環境譜的設計

1.1 試驗對象的環境失效模式

橡膠、密封劑、有機涂層、膠粘劑等均屬于有機高分子材料，它們在自然大氣環境中的損傷主要是由太陽輻射、高溫、低溫、濕熱以及機械作用等引起的老化，高分子材料的化學組成和結構會發生一系列變化，物理性能也會相應變差，如發硬、發黏、變脆、變色、失去強度等。

1.2 加速腐蝕老化試驗譜的譜塊結構

雖然完全模擬直升機停放、飛行順序中的環境、載荷歷程的實驗室試驗方法是最可信的，但在技術上無法實現。通過對實際溫度、濕度、紫外輻照、載荷等的時間歷程分別進行加速而得到溫濕度、紫外老化、加載等環境譜塊，則可以較為容易地解釋和評定各個譜塊試驗結果以及各個譜塊的疊加效果，從而實現對研究對象的有效評價。

最早提出環境譜概念的是美國海軍航空兵，編制了針對F-18飛機帶涂層結構的加速試驗環境譜（簡稱CASS譜）。該譜主要模擬F-18在亞熱帶沿海地區服役的環境，1個加速試驗周期包含濕熱暴露、紫外照射、熱沖擊、低溫疲勞、鹽霧等5個環境譜塊，可認為一個試驗周期可當量外場使用1年。其作用順序基本與使用情況基本相符，主要反映了飛機停放時，早晚多受高濕、鹽霧作用，白天受紫外輻射、熱沖擊及載荷作用的實際情況。在編制直升機高原高寒加速試驗環境譜時，參考了CASS譜，并根據直升機的高原高寒環境特點和環境效應特點進行相應調整，以建立適用于直升機典型非金屬材料的實驗室加速試驗環境譜，具體譜塊構成如圖1所示。

2 加速腐蝕老化試驗環境譜編制

2.1 低溫試驗譜塊

典型高原、高寒環境的年平均最低溫度為-14.7 ℃，且在12月、1月、2月等三個月月平均最低溫度達到了-35 ℃以下，歷史數據中，漠河地區出現極寒天氣時的溫度更達到了-52.3 ℃，考慮到誘發效應，本項目取整在-55 ℃下進行低溫試驗。由典型非金屬材料的老化機理環境失效模式可知，對于典型橡膠、密封劑和連接件來說，它們的低溫環境效應并不具備顯著的累積效應，因此，參考GJB 150.4A-2009中的相關規定，選擇進行72 h（3天）的低溫貯存試驗。

圖1 直升機高原高寒加速腐蝕老化試驗環境譜的譜塊結構

2.2 濕熱暴露試驗譜塊

由表實際環境參數可知，典型高原、高寒環境地面停放環境譜的月平均溫度僅在4月份至10月份期間略在10 ℃以上，濕熱環境效應才起作用，因此，取4月份至10月份期間的平均溫度13.8 ℃和平均相對濕度61.3 %作為典型高原、高寒環境的平均溫度和平均相對濕度。

對于金屬來說，目前多以溫度T=40 ℃、濕度R.H.=95 %的潮濕空氣作為標準潮濕空氣，然后依據電化學腐蝕反應中腐蝕電量Q相等的準則，引入基于腐蝕電流比較的折算系數概念，計算不同溫度和濕度潮濕空氣之間的折算系數；而本項目加速腐蝕老化試驗譜主要針對典型非金屬材料及連接件的自然老化效應進行再現，因此對于橡膠、密封劑、復合材料、防護涂層、膠接結構等聚合物來說，主要根據不同濕熱環境下的吸濕擴散速率或不同濕熱環境下的濕熱效應試驗給出加速吸濕（老化）的經驗公式來計算加速因子，見式（1），這種方法對本項目的研究對象來說較為適用。

式中：

K—時間加速系數；

t1—實際暴露時間；

t2—加速后的時間；

T1φ1—實際暴露的溫度（℃）和相對濕度（%）；

T2φ2—加速環境的溫度（℃）和相對濕度（%）；

C—試驗系數，當T2≤60 ℃時，C=46.1。

取實際暴露的溫度T1為典型高原、高寒環境的平均溫度13.8 ℃，取實際暴露的相對濕度φ1為典型高原、高寒環境的年平均相對濕度為61.3 % R.H.，根據經驗選擇加速環境溫度T2=38 ℃、加速環境相對濕度φ2=85 % R.H.的濕熱暴露試驗條件，則根據式（1）計算得到的時間加速系數K=55.8，即：在典型高原、高寒環境中暴露7個月（4月份至10月份期間，t1=5 136 h）的濕熱環境效應需要通過溫度為30 ℃、相對濕度為95 %R.H.加速濕熱試驗t2= t1/K=5 136 h/55.8=92 h來進行再現，出于加嚴考慮，實際進行濕熱試驗時可將92 h取整為4天。

2.3 紫外照射試驗譜塊

典型高原、高寒環境年平均太陽總輻照量為7 459.1 MJ/m2，在全國各地區中處于較高水平，按拉薩地區年平均紫外輻射量占太陽總輻射量的比例η=4 %計算，典型高原、高寒環境的年平均紫外輻射量Qz=7 459.1 MJ/m2×4 %=298.4 MJ/m2。假設每次飛行所接受的太陽輻射量占全天太陽輻射量的二分之一，那么在典型高原、高寒環境中暴露1年的紫外輻射效應需要通過輻照強度為60 W/m2的紫外照射試驗Qz×106/(60×3 600) ×150/365×1/2=284 h（約12天）來進行再現。

2.4 加速腐蝕老化試驗環境譜

根據以上分析，最終編制的直升機高原高寒加速腐蝕老化試驗環境譜如圖2所示。

3 試樣材料及試驗方法

3.1 試驗材料及尺寸

選用8360三元乙丙橡膠和HM119室溫硫化聚硫密封劑作為試驗材料，進行加速腐蝕老化試驗，試樣尺寸如圖3所示。

圖2 直升機高原高寒加速腐蝕老化試驗環境譜

3.2 試驗方法

采用所編制的加速腐蝕老化試驗環境譜對橡膠板和密封劑板進行1周期的加速腐蝕試驗，對試驗后材料的形貌和性能進行檢測。

3.2.1 外觀

參考 GB/T 1766對試驗件表面的光澤、顏色、粉化，開裂、斑點等缺陷的形態、分布和程度進行評價和記錄。

3.2.2 檢測項目

硬度、拉伸強度、扯斷伸長率、T型剝離強度、剪切強度等力學性能的檢測按照表1所列的檢測條件進行。

4 試驗結果

4.1 8360三元乙丙橡膠試驗結果

圖4所示為試驗前及加速腐蝕老化試驗、拉薩站暴露試驗、漠河站暴露試驗后，8360橡膠的宏觀形貌。從圖中可以看出，試驗前后外觀形貌變化不大，整個表面較為完整，均無明顯的環境損傷。但是，經過外場暴露試驗后，試樣表面顏色更淺，這可能跟紫外強度變化有關。

8360 材料試樣經過加速腐蝕老化試驗、拉薩站暴露試驗、漠河站暴露試驗后，按ASTM D2240-15進行硬度測試，每種材料包含3個平行試樣，每個試樣測量3個點，結果取平均值，試驗結果如圖5所示。從圖中可以看出，經過1周期的加速試驗和漠河外場暴露后，8360的硬度基本沒有變化，拉薩外場暴露后硬度略有降低，但是降低的程度不大。

8360 材料試樣經過加速腐蝕老化試驗、拉薩站暴露試驗、漠河站暴露試驗后，按照ASTM D412-16進行拉伸強度測試，每種材料包含3個平行試樣，每個試樣測量3個點，結果取平均值，試驗結果如圖6所示。從圖中可以看出，經過1周期的加速試驗，8360的拉伸強度基本沒有變化；經過拉薩外場暴露和漠河外場暴露后拉伸強度略有升高，但是升高的程度不大。

8360 材料試樣經過加速腐蝕老化試驗、拉薩站暴露試驗、漠河站暴露試驗后，按照ASTM D412-16進行扯斷伸長率測試，每種材料包含3個平行試樣，每個試樣測量3個點，結果取平均值，試驗結果如圖7所示。從圖中可以看出，經過1周期的加速試驗，8360的扯斷伸長率基本沒有變化；經過拉薩外場暴露和漠河外場暴露后扯斷伸長率略有升高，但是升高的程度不大。

4.2 HM119室溫硫化聚硫密封劑試驗結果

圖8所示為試驗前及加速腐蝕老化試驗、拉薩站暴露試驗、漠河站暴露試驗后，8360橡膠的宏觀形貌。從圖中可以看出，試驗前后外觀形貌變化不大，整個表面較為完整，均無明顯的環境損傷。

圖3 試驗件尺寸

表1 試樣力學性能檢測條件

圖4 8360三元乙丙橡膠試驗前后宏觀形貌

圖5 8630典型橡膠材料試驗前后硬度

圖6 8630典型橡膠材料試驗前后拉伸強度

圖7 8630典型橡膠材料試驗前后扯斷伸長率

HM119材料試樣經過加速腐蝕老化試驗、拉薩站暴露試驗、漠河站暴露試驗后，按ASTM D2240-15進行硬度測試，每種材料包含3個平行試樣，每個試樣測量3個點，結果取平均值，試驗結果如圖9所示。從圖中可以看出，經過1周期的加速試驗、漠河外場暴露、拉薩外場暴露后，HM119的硬度略有上升，加速試驗后的硬度略高與外場暴露試驗后，但是總體差距不大。

HM119材料試樣經過加速腐蝕老化試驗、拉薩站暴露試驗、漠河站暴露試驗后，按照ASTM D412-16進行拉伸強度測試，每種材料包含3個平行試樣，每個試樣測量3個點，結果取平均值，試驗結果如圖10所示。從圖中可以看出，經過1周期的加速試驗、拉薩外場暴露和漠河外場暴露后，HM119的拉伸強度均下降，而且加速試驗和暴露試驗后的拉伸強度基本相當。

HM119材料試樣經過加速腐蝕老化試驗、拉薩站暴露試驗、漠河站暴露試驗后，按照ASTM D412-16進行 扯斷伸長率測試，每種材料包含3個平行試樣，每個試樣測量3個點，結果取平均值，試驗結果如圖11所示。從圖中可以看出，經過1周期的加速試驗、拉薩外場暴露和漠河外場暴露后，HM119的扯斷伸長率有所下降，但是下降的程度基本相當，拉薩站試驗件的扯斷伸長率略低。

圖8 HM119室溫硫化聚硫密封劑試驗前后宏觀形貌

圖9 HM119室溫硫化聚硫密封劑試驗前后硬度

圖10 HM119室溫硫化聚硫密封劑試驗前后拉伸強度

圖11 HM119室溫硫化聚硫密封劑后扯斷伸長率

5 結果分析

橡膠、密封劑等均屬于有機高分子材料，它們在自然大氣環境中的損傷主要包括太陽輻射、高溫、低溫、濕熱以及機械作用等，會發生硬化、發黏、變脆、變色、失去強度等。因此，在編制時主要關注了低溫、太陽輻射、濕熱的影響，忽略了其他他非關鍵因素。采用直升機典型橡膠材料和密封劑材料進行實驗室加速腐蝕老化試驗。8360三元乙丙橡膠與HM119硫化聚硫密封劑經過實驗室加速腐蝕老化試驗與自然環境暴露試驗露天暴露1年后，橡膠和密封劑試樣的表面未出現鼓泡、裂紋、發粘等外觀變化，材料硬度、拉伸強度及扯斷伸長率等力學性能指標基本相同，2種材料目前對高原高寒環境適應性良好。8630典型橡膠材料和HM119室溫硫化聚硫密封材料經過試驗室加速試驗后硬度、拉伸強度、扯斷伸長率與外場實際暴露后基本相同、變換規律一致。

6 結論

1）編制的高原高寒腐蝕老化加速試驗環境譜包含低溫、濕熱、紫外三個譜塊，材料性能退化加速試驗與外場暴露試驗差別控制在8 %以內，涵蓋高原高寒地區環境損傷的關鍵要素，加速試驗環境譜構建基本合理；

2）8630 典型橡膠材料經過試驗室加速試驗和外場暴露試驗后，基本沒有發生老化、腐蝕現象，表面形貌變化不大，且硬度、拉伸強度、扯斷伸長率基本保持不變，該材料目前對高原高寒環境適應性良好；

3）HM119室溫硫化聚硫密封材料經過試驗室加速試驗和外場暴露試驗后，基本沒有發生老化、腐蝕現象，表面形貌變化不大，且硬度略有上升、拉伸強度和扯斷伸長率略有下降，但變化較小不影響材料性能，該材料目前對高原高寒環境適應性良好；

4）編制的高原高寒腐蝕老化加速試驗環境譜包含低溫、濕熱、紫外三個譜塊，涵蓋高原高寒地區環境損傷的關鍵要素，加速試驗環境譜構建基本合理；8630典型橡膠材料和HM119室溫硫化聚硫密封材料經過試驗室加速試驗后硬度、拉伸強度、扯斷伸長率與外場實際暴露后基本相同、變換規律一致。