朱辰，邢新俠，蔡舒陽，李云仲

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

光老化試驗(yàn)是一種人工模擬的加速老化環(huán)境試驗(yàn)。它模擬產(chǎn)品在地面或較低大氣層中使用或無遮蓋儲(chǔ)存期間暴露在日輻射條件下受到的影響[1]。溫度、濕度等各種氣候和太陽輻射是導(dǎo)致高分子材料老化的主要因素。高分子材料老化的表現(xiàn)主要有失光、黃變、粉化、力學(xué)性能下降等。用于飛艇蒙皮材料連接的縫線，其材料為高分子聚乙烯纖維。由于蒙皮縫線的抗老化性能，將直接影響到飛艇的功能性和安全性，因此有必要對(duì)其開展光老化試驗(yàn)，研究其抗老化性能。

文中選取了飛艇實(shí)際中應(yīng)用的蒙皮縫線進(jìn)行氙燈加速老化試驗(yàn)，測試蒙皮縫線光老化試驗(yàn)前后的斷裂強(qiáng)力，計(jì)算斷裂強(qiáng)力下降率，評(píng)定蒙皮縫線的抗老化性能。為飛艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 光老化試驗(yàn)

溫度、濕度和太陽能的綜合作用對(duì)材料產(chǎn)生老化作用[2]，因此光老化試驗(yàn)需要確定的參數(shù)主要有：輻照光源、輻照強(qiáng)度、輻照時(shí)間、黑板溫度、箱內(nèi)濕度等。

1.1 輻照光源

光源的選擇對(duì)于光老化試驗(yàn)是至關(guān)重要的。當(dāng)前市場上主要有氙燈、熒光紫外燈、碳弧燈等3種類型的試驗(yàn)設(shè)備。分析比較3種光源的模擬性和經(jīng)濟(jì)性，其中氙燈為全光譜光源，其譜能分布最為接近于太陽光，定位準(zhǔn)確性較好，且壽命長于碳弧燈，設(shè)備維護(hù)簡單，故光老化試驗(yàn)的最佳光源為氙燈。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)AATTC169-2003《紡織品的耐氣候性：氙燈曝曬》試驗(yàn)測試方法，結(jié)合飛艇的使用環(huán)境來確定試驗(yàn)條件[3]。

1.2.1 輻照強(qiáng)度

根據(jù)飛艇的總體設(shè)計(jì)要求，確定飛艇服役的環(huán)境主要在溫帶地區(qū)的濕熱氣候下，大部分時(shí)間的光照強(qiáng)度屬于中等。0.35W/m2@340nm相當(dāng)于春、秋季節(jié)的太陽光強(qiáng)度，適合普通測試和較低輻照強(qiáng)度測試。

1.2.2 溫度

溫度能加速光氧化過程，對(duì)光老化試驗(yàn)起到催化作用。飛艇外場儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，飛艇蒙皮在實(shí)際中可能達(dá)到最高溫度為70℃，環(huán)境溫度為49℃。考慮到不可預(yù)料的升溫因素，飛艇蒙皮縫線的光老化試驗(yàn)選擇黑板溫度（77±1）℃和箱內(nèi)溫度（55±1）℃。

1.2.3 濕度

濕度也會(huì)加速光老化作用。濕氣的表現(xiàn)形式主要有：濕度、凝露、雨等3種，對(duì)飛艇蒙皮縫線會(huì)產(chǎn)生表面效應(yīng)和熱沖擊作用，因此試驗(yàn)過程中也要考慮濕度和適當(dāng)?shù)膰娝疂櫇駚砟M降雨效果。根據(jù)飛艇服役地區(qū)氣象部門的環(huán)境數(shù)據(jù)，確定環(huán)境試驗(yàn)的相對(duì)濕度為70%和模擬降雨的時(shí)間為每2 h噴淋30 min。

1.2.4 試驗(yàn)時(shí)間

由于該次試驗(yàn)的目的是研究飛艇蒙皮縫線的光老化規(guī)律并確定其有效期，且在飛艇初步設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定蒙皮縫線的力學(xué)性能下降到20%時(shí)，就確定為失效。試驗(yàn)總時(shí)間初步確定為30天，試驗(yàn)過程中如果縫線的力學(xué)性能下降率小于20%則延長試驗(yàn)時(shí)間。

1.2.5 試驗(yàn)條件的確定

采用控制點(diǎn)波長為340 nm的氙燈光源進(jìn)行光老化試驗(yàn)。試驗(yàn)的具體參數(shù)及時(shí)間見表1[4]。

表1 光老化試驗(yàn)參數(shù)及時(shí)間Table 1 Lightaging testparameterand time

1.3 試樣的制備

根據(jù)光照試驗(yàn)箱的試驗(yàn)空間和拉力試驗(yàn)機(jī)確定試驗(yàn)件的尺寸為300mm。選取同一批次的蒙皮縫線制作平行試樣18件，3件用于測定原始斷裂強(qiáng)力，15件用于試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中定期取樣，每次取3件試樣進(jìn)行觀察和測試。

1）氙燈老化試驗(yàn)箱：Xe-3-HSC型（美國Q-Lab公司生產(chǎn)），光輻照度為0.25～0.68W/m2。樣品架尺寸為451mm×718mm。

2）電子拉伸試驗(yàn)機(jī)：AG-X250KN型（日本島津公司生產(chǎn)），試驗(yàn)速度0.0005～500mm/min，試驗(yàn)空間為595mm。

1.4 試驗(yàn)判定

1）外觀。采用三維體式顯微鏡檢查并拍照，觀察蒙皮縫線的變色、粉化、剝落、長霉、斑點(diǎn)等變化。

2）力學(xué)性能。試樣取出后，自然干燥24 h。按FZ 65002-1995《特種工業(yè)用繩帶物理機(jī)械性能試驗(yàn)方法》，測定縫線的拉伸斷裂強(qiáng)力。加載速度為2 mm/min[5—6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀檢查

光老化試驗(yàn)過程中每5天取出3件試樣進(jìn)行檢查，自然干燥24 h，然后使用三維體式顯微鏡放大150倍進(jìn)行微觀拍照。試樣試驗(yàn)前和試驗(yàn)30天的微觀照片分別如圖1和圖2所示。與圖1相比，圖2中的蒙皮縫線絲束出現(xiàn)了失光和明顯的硬化裂紋。

圖1 試驗(yàn)前試樣Fig.1 Imageofspecimen before test

圖2 試驗(yàn)后試樣(30天)Fig.2 Imageofspecimen after test（thirty days）

2.2 力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)記錄了試樣老化試驗(yàn)前后的拉伸斷裂強(qiáng)力，取3件平行試樣的平均斷裂強(qiáng)力值。拉伸斷裂強(qiáng)力下降率按下列方法進(jìn)行計(jì)算：

式中：r為斷裂強(qiáng)力下降率；F前為老化前拉伸斷裂強(qiáng)力；F后為老化后拉伸斷裂強(qiáng)力；

飛艇蒙皮縫線斷裂強(qiáng)力下降率隨試驗(yàn)時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 斷裂強(qiáng)力下降率隨試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.3 Variation in breaking strength decline ratewith time

3 結(jié)論

1）飛艇蒙皮縫線絲束在試驗(yàn)的第30天取出檢測時(shí)，表面出現(xiàn)了明顯的硬化裂紋，此時(shí)縫線的拉伸力學(xué)性能也下降了將近80%。隨試驗(yàn)時(shí)間的增加，飛艇蒙皮縫線的力學(xué)性能下降的速率逐步增大。

2）通過對(duì)斷裂強(qiáng)力下降率隨試驗(yàn)時(shí)間變化的分析，光老化試驗(yàn)16天，飛艇蒙皮縫線的斷裂強(qiáng)力下降率達(dá)20%，根據(jù)設(shè)計(jì)要求即可確定為失效。

3）由于飛艇蒙皮縫線在工作時(shí)處于受力狀態(tài)，后期將制作試驗(yàn)件模擬飛艇工作時(shí)的受力狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室光老化試驗(yàn)，并開展外場暴露試驗(yàn)，以確定其相關(guān)性，建立試驗(yàn)室加速老化模型。

[1] 夏越美.太陽輻射試驗(yàn)及其標(biāo)準(zhǔn)分析[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2001（5）：33. XIA Yue-mei.Solar Radiation Testing and Analysis of Its Standards[J].Aeronautic Standardization&Quality，2001（5）：33.

[2]張恒.QUV和Q-Sun兩種有效耐候性和光穩(wěn)定性測試方法的比較[J].分析與測試，2002，35（6）：126—128. ZHANGHeng.Comparison ofQuv and Q-Sun Two Kinds of Effective Weather Resistance and Light Stability Test Method[J].Analysisand Testing，2002，35（6）：126—128.

[3]AATCC 169-2003，紡織品的耐氣候性氙燈曝曬[S]. AATCC 169-2003，Weather Resistance of Texiles：Xenon Lamp Exposure[S].

[4]ASTM G155-01a，非金屬材料曝曬用氙弧燈設(shè)備操作規(guī)程[S]. ASTM G155-01a，Standard Practice for Operating Xenon Arc Light Apparatus for Exposure ofNon-Metallic Materials [S].

[5]FZ 65002-1995，特種工業(yè)用繩帶物理機(jī)械性能試驗(yàn)方法[S]. FZ 65002-1995，Test Method of the Physical Mechanical PropertiesofSpecial Industrial Belt[S].

[6]GB/T 8834-2006，繩索有關(guān)物理和機(jī)械性能的測定[S]. GB/T8834-2006，Ropes-determination of Certain Physical and MechanicalProperties[S].