典型大氣環境下新型纖維增強復合材料環境適應性分析

肖敏, 楊萬均, 周漪, 楊華明, 龍仕騰, 陳建瓊

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.國防科技工業自然環境試驗研究中心，重慶 400039；3.海南萬寧大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，萬寧 571000；4.黑龍江漠河大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，漠河 165300；5.西藏拉薩大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，拉薩 850100；6.重慶江津大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，江津 402200）

引言

在現代高技術戰爭和反恐防突中，武器裝備的輕量化是實現快速反應、高機動突防和火力機動的重要條件之一。如何達到高的作戰效能和裝備重量之間的完美結合，采用更加輕質的材料是目前裝備有效減重的首選途徑之一。為了滿足裝備部件物理機械性能和輕量化的要求，具有密度低、比強度高、比剛度大、比模量突出、耐腐蝕等優良的性能的纖維增強復合材料已經逐步在輕武器研制中獲得應用[1-12]。但是，裝備擬采用的纖維增強復合材料及部件的環境適應性如何、貯存壽命有多長、性能隨時間的劣化規律和各種環境應力對其的影響效果怎樣，目前尚是困擾纖維增強復合材料在武器裝備上廣泛應用的一個系列關鍵問題，針對這一問題，我們對某型槍械系統擬采用的新型碳纖維和玻璃纖維增強復合材料在我國典型大氣自然環境中的環境適應性進行了分析研究，為某槍械系統選材提供了技術支撐，為兩類纖維增強復合材料在武器裝備上的推廣應用，實現武器裝備的有效輕量化起到了積極的推動作用。

1 試驗與測試

試驗采用的樣品為某槍械系統擬采用的某牌號新型高強度碳纖維增強復合材料A，其主要成分為尼龍6+碳纖，以及某牌號新型高強度玻璃纖維增強復合材料B，其主要成分為尼龍6+玻纖。

為研究這兩種新型纖維增強復合材料在我國典型大氣自然環境中的環境適應性，達到滿足某型槍械系統全天候全地域服役的要求，我們分別在代表熱帶海洋氣候的海南試驗站、代表寒帶寒冷氣候的黑龍江試驗站和代表高原高太陽輻射的西藏試驗站采用兩種材料制成的拉伸樣與沖擊樣，開展了為期兩年的戶外暴露環境試驗[13-20]，以期對其環境適應性進行分析研究。兩種復合材料在三個典型環境中的戶外暴露試驗狀態如圖1所示。表1為海南試驗站、黑龍江試驗站、西藏試驗站三個典型大氣自然環境試驗站的氣候類型與有關環境數據。

試驗樣品于6月份完成投試工作，經過2年的戶外暴露試驗，共獲得9個周期的試驗檢測數據。

2 測試結果

檢測獲得的試驗數據通過統計分析與處理后，采用圖表分析法獲得了A、B兩類新型纖維增強復合材料樣品在海南、黑龍江和西藏三個典型大氣自然環境下的拉伸與沖擊性能隨時間的變化規律，如圖2～4所示。

3 分析與討論

3.1 環境濕度對樣品性能的影響分析

圖1 兩種復合材料試樣戶外暴露試驗狀態

表1 三典型試驗站氣候類型與有關環境數據[21,22]

從圖2～4我們可以看出，A、B兩類試驗材料，在海南試驗站的樣品性能變化波動幅度最小，基本無大的上下波動情況出現，在黑龍江試驗站次之，其性能變化上下波動范圍在上下約（10～20）%以內（拉伸強度的波動幅度略小），在西藏試驗站的樣品性能變化波動幅度最大，其性能變化上下波動范圍在上下約（20～30）%以內（拉伸強度的波動幅度略小）。對比分析三個試驗站點的月平均相對濕度變化規律，如圖5所示，可以看出，海南試驗站的月平均相對濕度波動幅度最小，其環境相對濕度常年在80 %左右；黑龍江試驗站次之，其環境相對濕度年相對濕度基本在（40～80）%之間波動，表現為春秋低，夏冬高；西藏試驗站月平均相對濕度波動幅度最大，其環境相對濕度年相對濕度基本在（20～60）%之間波動，表現為夏高冬低。

圖2 海南試驗站拉伸與沖擊強度保留率變化規律圖

圖3 黑龍江試驗站拉伸與沖擊強度保留率變化規律圖

圖4 西藏試驗站拉伸與沖擊強度保留率變化規律圖

圖5 三站月平均相對濕度變化規律圖

上述對比分析表明：樣品的性能變化波動幅度大小與試驗環境的相對濕度波動大小相關，環境相對濕度的波動越大，樣品的性能波動幅度越大。這也表明，環境濕度是引起兩種材料力學性能波動的主要因素，且環境濕度對于樣品性能的影響在試驗站點與試驗周期內具有可逆性。當夏季西藏和黑龍江兩地的相對濕度升高時，樣品的沖擊強度也隨之升高，而拉伸強度與沖擊強度相反，隨濕度的升高而降低；當西藏的冬季和黑龍江的春季兩地的相對濕度降低時，樣品的沖擊強度也隨之降低，而拉伸強度則隨相對濕度的降低而升高。

3.2 環境溫度與太陽輻射對樣品性能的影響分析

對比圖2～4我們可以得到，在海南和黑龍江，A樣品的性能變化幅度均較B樣品大，表明：B樣品在海南和黑龍江的環境適應性較A樣品好。在西藏，B樣品的性能變化幅度均較A樣品大，表明：A樣品在西藏的環境適應性較B樣品好。

結合表1列出的三典型試驗站氣候類型與有關環境數據分析，可以看出，海南試驗站年平均溫度為24.6 ℃，年平均相對濕度為86 %，為常年高溫高濕環境；黑龍江試驗站年平均溫度為-1.8 ℃，年平均相對濕度為66 %，為典型的低溫環境；而西藏試驗站的年平均溫度為4.5 ℃，年平均相對濕度為55 %，其和海南試驗站比，其溫度與相對濕度均沒有海南試驗站的高溫高濕嚴酷，其和黑龍江試驗站比，其環境溫度沒有黑龍江試驗站低，年溫差波動沒有黑龍江試驗站大（黑龍江試驗站極端低溫數據為-52.3 ℃，夏季高溫可達35 ℃以上，平均年溫差達到76.4 ℃，有明顯的夏烈冬寒特征[21]），和海南和黑龍江兩試驗站相比，西藏試驗站的年太陽輻射量較海南試驗站高出2 772 MJ/m2，較黑龍江試驗站高出3 678 MJ/m2，是典型的高輻射環境，由此分析可得：試驗所用該牌號新型高強度碳纖維增強復合材料樣品（A）對太陽輻射的環境適應性較好，對溫度與濕度的環境適應性較差。試驗所用該牌號新型高強度玻璃纖維增強復合材料樣品（B）對溫度與濕度的環境適應性較好，對太陽輻射的環境適應性較差。

圖6 ～7分別為A樣品與B樣品在海南、西藏、黑龍江三站的拉伸強度與沖擊強度保留率變化對比分析圖。

通過圖6～7的對比，我們可以看到：

圖6 A樣品三站拉伸強度與沖擊強度保留率變化對比分析圖

圖7 B樣品三站拉伸強度與沖擊強度保留率變化對比分析圖

A樣品在西藏其性能是圍繞原始值上下波動，除去環境濕度對其的影響，可以認為其性能大致在原始值附近變化，性能表現較為穩定，結果同樣表明：A樣品對西藏地區的環境有較好的環境適應性，對太陽輻射有較好的耐受性。

A樣品在海南試驗站其拉伸強度保留率低于原始值約30 %，沖擊強度保留率高于原始值約50 %，在黑龍江試驗站其拉伸強度保留率低于原始值約20 %，沖擊強度保留率高于原始值約30 %，結果表明：A樣品在黑龍江的環境適應性優于萬寧，其對高溫高濕環境的耐受性較差。

比較A樣品在三個典型環境下的性能穩定性為：西藏＞黑龍江＞海南。

B樣品在黑龍江其性能基本圍繞原始值上下波動，除去環境濕度對其的影響，在兩年的試驗期內，其拉伸強度呈現出極緩慢的下降趨勢，其沖擊強度則呈現出極緩慢的上升趨勢，可以認為其性能大致在原始值附近變化，性能表現較為穩定[23]，表明：B樣品對黑龍江地區的環境有較好的環境適應性，對低溫有較好的耐受性。

B樣品在海南試驗站其拉伸強度保留率低于原始值約20 %，沖擊強度保留率高于原始值約30 %，在西藏試驗站其拉伸強度保留率高于原始值約15 %，沖擊強度保留率低于原始值約20 %。從圖形和試驗數據可以看出，在兩年的試驗期內，海南地區與西藏地區對B樣品的性能影響是完全相反的。在海南試驗站受高溫高濕環境因素影響，其拉伸強度表現為低于原始性能值，且其拉伸強度保留率基本上保持在低于原始性能值20 %的穩定水平上，呈現出極緩慢的下降趨勢，其沖擊強度表現為高于原始性能值，除去沖擊強度測試數據的分散性影響，其沖擊強度保留率基本上高于原始性能值30 %的穩定水平上；在西藏試驗站受環境太陽輻射因素影響，以及環境濕度冬低夏高的周期性變化影響，其拉伸強度表現為高于原始性能值，其拉伸強度保留率基本上以高于原始性能值15 %為中線，隨環境濕度的波動呈現出上下波動的現象，其沖擊強度表現為低于原始性能值，其沖擊強度保留率基本上以低于原始性能值20 %為中線，隨環境濕度的波動呈現出與拉伸強度保留率相反的上下波動現象。

比較B樣品在三個典型環境下的性能穩定性為：黑龍江＞西藏＞海南。B樣品在西藏地區的性能穩定性略優于海南地區，但其在西藏和海南的拉伸強度和沖擊強度性能表現行為是完全相反的。這是典型的由于環境特征影響因素不同造成的材料性能變化完成不同的經典例證。因此，型號產品在選材時，應根據產品使用時對材料提出的具體性能指標要求，分服役環境有針對性的進行材料選擇。

4 結論

通過對某型槍械系統擬采用的A、B兩種新型高強度纖維增強復合材料，在我國熱帶海洋、寒帶寒冷和高原高輻射三種典型大氣自然環境下，開展為期兩年的戶外暴露試驗所獲得的環境試驗數據的對比分析，可以得出以下結論：

1）太陽輻射與環境溫度、濕度對碳纖維增強復合材料A和玻璃纖維增強復合材料B的拉伸強度與沖擊強度呈現相反的影響作用。在高太陽輻射的西藏地區，A、B兩類纖維增強復合材料表現為拉伸強度升高，沖擊強度降低，在高溫高濕的海南地區和低溫寒冷的黑龍江地區，A、B兩類纖維增強復合材料表現為拉伸強度降低，沖擊強度升高。

2）環境相對濕度是造成A和B兩種材料性能波動的主要環境因素，且其對A、B兩類材料的性能影響具有可逆性。隨著環境相對濕度的升高，A、B兩類材料的拉伸強度隨之降低，沖擊強度隨之升高，反之，隨著環境相對濕度的降低，A、B兩類材料的拉伸強度隨之升高，沖擊強度隨之降低。在兩年的試驗期內，在西藏地區，A、B兩類材料隨環境相對濕度的波動，其性能變化在性能檢測中值上下（20～30）%范圍內波動（拉伸強度的波動幅度略小），在黑龍江地區，A、B兩類材料隨環境相對濕度的波動，其性能變化在性能檢測中值上下（10～20）%范圍內波動（拉伸強度的波動幅度略小），在海南地區，環境相對濕度常年在80 %左右，A、B兩類材料在海南地區無大的性能變化波動情況。

3）在兩年的試驗期內，碳纖維增強復合材料A對太陽輻射有較好的耐受性，表現為其性能穩定，僅隨環境濕度的波動而在原始值附近上下波動，高溫高濕環境對其性能變化影響劇烈，低溫環境對其性能變化也有較大的影響。A類材料在兩年的試驗期內，在高溫高濕的海南環境中，其性能變化穩定表現為拉伸強度保留率低于原始值約30 %，沖擊強度保留率高于原始值約50 %；在低溫寒冷的黑龍江環境中，其性能變化表現為拉伸強度保留率低于原始值約20 %，沖擊強度保留率高于原始值約30 %；并隨環境相對濕度的變化在上述兩值附近上下波動。就三個典型試驗環境來說，其在西藏地區的環境適應性最好，其次是黑龍江地區，最后是海南地區。

4）在兩年的試驗期內，玻璃纖維增強復合材料B對低溫有較好的耐受性，表現為其性能穩定，僅隨環境濕度的波動而在原始值附近上下波動，對太陽輻射較為敏感，高溫高濕與太陽輻射對其性能變化均有較大的影響。B類材料在兩年的試驗期內，在高溫高濕的海南環境中，其性能變化穩定表現為拉伸強度保留率低于原始值約20 %，沖擊強度保留率高于原始值約30 %；在高原高輻射的西藏環境中，其性能變化表現為拉伸強度保留率高于原始值約15 %，沖擊強度保留率低于原始值約20 %；并隨環境相對濕度的變化在上述兩值附近上下波動。就三個典型試驗環境來說，其在黑龍江地區的環境適應性最好，西藏的環境適應性與萬寧相近，略優于萬寧。

綜上所述，建議型號選材時，一是，應充分考慮環境相對濕度對材料性能帶來的波動性影響，避免因濕度帶來的波動幅度過大造成的在特定環境中的特定季度出現的材料性能低于指標要求的風險。二是，應充分考慮太陽輻射與溫度、濕度等環境特征因素對材料性能影響的不同表現形式，針對型號規定的使用環境，綜合考慮環境主要特征因素對型號考核的材料主要性能指標的具體影響作用與表現形式，開展材料的篩選工作，避免出現在特定環境出現故障頻發的問題。