梁曉凡 梁洪濤 張新蘭 鄒士文

(1 航天材料及工藝研究所,北京 100076)(2 海軍駐北京地區(qū)特種導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室,北京 100076)

國內(nèi)外非金屬材料加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀分析

梁曉凡1梁洪濤2張新蘭1鄒士文1

(1 航天材料及工藝研究所,北京 100076)(2 海軍駐北京地區(qū)特種導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室,北京 100076)

文 摘 非金屬材料及制品的老化是影響各型號武器貯存壽命的決定因素之一。本文介紹了現(xiàn)有的國內(nèi)外非金屬材料加速老化的試驗標(biāo)準(zhǔn)，分析了國內(nèi)外非金屬材料試驗標(biāo)準(zhǔn)的異同，并對加速老化試驗未來的發(fā)展方向提出了設(shè)想。

非金屬材料，加速老化，試驗標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

導(dǎo)彈武器裝備是一種較為特殊的產(chǎn)品，具有“長期貯存、一次使用”的特點，制成后的絕大多數(shù)時間都處于貯存、維護(hù)及檢修狀態(tài)，因此其貯存可靠性是一項重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。導(dǎo)彈武器中相當(dāng)一部分重要的結(jié)構(gòu)及功能部件為非金屬材料及其制品，較易老化，因此是導(dǎo)彈武器裝備等產(chǎn)品長期貯存過程中的薄弱環(huán)節(jié)，也是影響導(dǎo)彈武器貯存壽命的重要決定因素。

盡管非金屬材料較易老化，但老化周期較長，一般可達(dá)幾年或十幾年，因此在自然貯存條件下想要獲得其老化數(shù)據(jù)并不現(xiàn)實。在20世紀(jì)20年代，Gerr烘箱問世，熱空氣加速老化試驗方法隨之產(chǎn)生[1]，使得在較短期限內(nèi)獲得材料老化數(shù)據(jù)成為可能。在隨后近90年的發(fā)展過程中，逐漸出現(xiàn)了濕熱加速老化試驗法、臭氧加速老化試驗法、氧彈加速老化試驗法、人工氣候加速老化試驗法等，各種加速老化試驗方法也日趨成熟完善。本文簡要概述了國內(nèi)外非金屬材料加速老化的試驗標(biāo)準(zhǔn)，并對國內(nèi)外試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析。

1 加速老化試驗技術(shù)的理論基礎(chǔ)

對于橡膠、塑料等非金屬材料的熱氧老化來說，均假定其老化過程近似遵從一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律，這時老化反應(yīng)速率k與環(huán)境溫度T符合Arrhenius方程[2]：

式中,A0為指前因子，E為老化反應(yīng)活化能,R為理想氣體常數(shù)?？梢钥闯?環(huán)境溫度的升高會導(dǎo)致老化反應(yīng)速率增大,縮短老化數(shù)據(jù)獲取時間。

對于非金屬材料以力學(xué)松弛為機(jī)理的物理老化，根據(jù)時溫等效原理，溫度升高會使松弛時間變短，兩個溫度下的動力學(xué)曲線可以通過一個移動因子aT疊合起來[3]：

(2)

式中，τ和τs分別為溫度T和Ts下的松弛時間。而移動因子aT滿足WLF方程：

(3)

式中，C1和C2是與材料特性有關(guān)的常數(shù)。

對于溫度以外其他環(huán)境應(yīng)力(如濕熱，輻射強(qiáng)度等)決定的老化過程，也可以通過提高環(huán)境應(yīng)力的方法來加速老化過程，從而在較短時間內(nèi)獲得老化數(shù)據(jù)。

2 國外非金屬材料加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

由于非金屬材料在航空、航天、船舶、電子，尤其是兵器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以美俄為代表的軍工強(qiáng)國對非金屬材料加速老化試驗的設(shè)計及研究開展得很早，積累了大量經(jīng)驗，并制定了較為完善的相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)。

最早出現(xiàn)的加速老化試驗技術(shù)是熱空氣加速老化法。長時間的加速老化與自然老化試驗對比研究表明，熱空氣加速老化與自然老化最接近。因此，熱空氣加速老化是目前使用最為普遍的加速老化技術(shù)之一，如ISO188—1998[4]、DIN 53508[5]、NF T 46—004[6]、K 6301—1975[7]、BS 903:Part A19:1975[8]、ASTM D2307—01[9]、ASTM D3045—92(R03)[10]等分別規(guī)定了硫化橡膠及彈性體、塑料和絕緣電線等非金屬材料的熱空氣加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱空氣老化試驗均為在烘箱中較高溫度下使非金屬試樣老化一定時間，并測定試樣性能變化。

對于某些特定環(huán)境下的非金屬材料，其老化并非僅僅是材料與空氣中的氧反應(yīng)過程，水汽會滲透進(jìn)入材料結(jié)構(gòu)中，加速熱氧和臭氧老化；使材料中的添加劑擴(kuò)散損失；促進(jìn)含鹵素鏈釋放鹵化氫；甚至使材料發(fā)生水解反應(yīng)等。對于這種老化機(jī)理，國外也制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 4611—1987[11]、ГОСТ 9.045[12]等。

某些需要在戶外長期使用的非金屬材料，在自然氣候下經(jīng)歷了光、氧、濕、熱等因素的綜合作用，這種情況下，單一的應(yīng)力加速試驗已不能準(zhǔn)確地反映其老化過程。針對這種老化機(jī)理，國外也制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如ASTM G152[13]、ГОСТ 9.045[12]、ASTM G155[14]、SAE J1885[15]、ASTM G154[16]等，分別利用碳弧燈、氙燈及熒光紅外燈模擬并加速了材料的自然老化過程。

此外，對于一些特殊的工況或貯存環(huán)境，還制訂了諸如加壓熱空氣老化法、氧壓法、試管加熱老化法等加速老化方法的標(biāo)準(zhǔn)，如DIN 53508[5]、K 6301—1975[7]、ISO 188—1998[4]等。

3 國內(nèi)非金屬材料加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi)，經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，非金屬材料的加速老化試驗技術(shù)研究也取得了一定成果，并制訂了一些相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上滿足了測定非金屬材料老化數(shù)據(jù)及特性的需求。

3.1 針對不同環(huán)境應(yīng)力的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)

按加速應(yīng)力的不同來區(qū)分，國內(nèi)目前制定的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)中，有應(yīng)用最廣的熱空氣加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 3512—2001[17]、GB/T 7141—2008[18]及GB/T 464—2008[19]，根據(jù)硫化橡膠、塑料和紙板的不同特性，分別規(guī)定了三者在烘箱中常壓下進(jìn)行熱空氣老化試驗的試驗標(biāo)準(zhǔn)；有針對濕熱貯存環(huán)境的濕熱老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 15905—1995[20]及GB 2574—1989[21]，分別規(guī)定了硫化橡膠和玻璃纖維增強(qiáng)塑料在不同濕度環(huán)境下的濕熱老化試驗標(biāo)準(zhǔn)；也有針對橡膠、塑料、涂料等大部分非金屬材料的人工氣候加速老化試驗的標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 14522—2008[22]等。此外，還制定了一些綜合性的標(biāo)準(zhǔn)，對于某種或某些材料，規(guī)定了其在各種環(huán)境應(yīng)力下的加速老化試驗流程及技術(shù)細(xì)節(jié)。比如GB/T 24135—2009[23]就適用于評價橡膠或塑料涂覆織物分別在熱空氣、濕熱及試管加熱條件下的加速老化性能，GB/T 2951.12—2008[24]規(guī)定了絕緣和護(hù)套材料的熱空氣加速老化、空氣彈及氧彈老化的試驗標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 2573—2008[25]則規(guī)定了玻璃纖維增強(qiáng)塑料的大氣暴露試驗、濕熱老化試驗及耐水性浸泡試驗的試驗標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 針對不同材料的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)

按材料的不同來區(qū)分，目前國內(nèi)的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)中較為普遍的是硫化橡膠和熱塑性橡膠的，如GB/T 20028—2005[26]、GB/T 3512—2001[17]及GB/T 15905—1995[20]等，分別是針對硫化及熱塑性橡膠的壽命推算和最高使用溫度、熱空氣老化和濕熱老化的試驗標(biāo)準(zhǔn)；其他材料的有塑料的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 7141—2008[18]和GB/T 7142—2002[27]；有復(fù)合材料的老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GB 2574—1989[21]為玻璃纖維增強(qiáng)塑料的濕熱老化試驗標(biāo)準(zhǔn)；有涂層加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 1766—2008[28]為色漆清漆涂層天然老化與人工加速老化性能評測標(biāo)準(zhǔn)；也有絕緣材料的老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 2951.12—2008[24]和GB/T 11026.1—2003[29]；此外還有潤滑油的老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 12709—91[30]。對于一些應(yīng)用較少的非金屬材料，如壓敏膠粘帶和紙板等，也有相應(yīng)的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 464—2008[19]和GB/T 17875—1999[31]等。

4 國內(nèi)外加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)分析比較

我國的非金屬材料加速老化及貯存壽命評估技術(shù)研究起步較晚，在加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)方面，有相當(dāng)一部分標(biāo)準(zhǔn)是參考國外或是國際標(biāo)準(zhǔn)制訂的，如GB/T 3512—2001[17]和GB/T 24135—2009[23]就是分別參考了ISO 188—1998[4]和ISO 1419—1995[32]。

在參考國外標(biāo)準(zhǔn)制訂國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的同時，也根據(jù)具體情況及產(chǎn)品要求做出了適當(dāng)調(diào)整，以使之更符合我國國情。例如ASTM D5510:1994(2001)[33]與GB/T 7141—2008[18]均規(guī)定了塑料在無載荷條件下的熱空氣老化試驗方法，但國標(biāo)在試驗箱的要求上，明確了是否帶有強(qiáng)制空氣循環(huán)，使得依標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行老化試驗的人員能合理選擇熱老化試驗箱的類型。又如GB/T 7123.2—2002[34]采用了ASTM D1337—1996[35]，二者的試驗內(nèi)容均為用黏度和膠接強(qiáng)度測定膠黏劑的貯存期，但前者將后者的溫度公差(23±1.1)℃修改為(23±2)℃，以適應(yīng)國內(nèi)的儀器精度。還有一些國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)僅僅部分借鑒了國外標(biāo)準(zhǔn)，試驗材料或技術(shù)內(nèi)容與之并不完全相同。如ISO 4611—1987[11]為濕熱、水霧、鹽霧作用對塑料性能影響的測定，GB/T 15905—1995[20]借鑒了其中濕熱老化試驗部分的內(nèi)容，制定了硫化橡膠的濕熱老化試驗標(biāo)準(zhǔn)。此外，國內(nèi)的一些標(biāo)準(zhǔn)由于其特定的應(yīng)用領(lǐng)域，在試驗材料或設(shè)備等方面與國外同類標(biāo)準(zhǔn)也存在一定差異，如ISO 188—1998[4]與GJB 92.1—86[36]均為橡膠的熱空氣加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)，但前者的適用范圍定為硫化橡膠或熱塑性橡膠，而后者則具體指定適用的硫化橡膠為天然、聚異戊二烯、丁苯、丁腈、氯丁、乙丙橡膠等幾種。國內(nèi)一些加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)性見表1。

表1 國內(nèi)一些加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.1 Comparisons between accelerated aging test standards

目前國內(nèi)外有關(guān)橡膠、塑料以及涂層的試驗標(biāo)準(zhǔn)較多，且覆蓋的范圍也較全面；而膠黏劑與復(fù)合材料的試驗標(biāo)準(zhǔn)較少，尤其是新近開發(fā)出的復(fù)合材料，基本上沒有與之對應(yīng)的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)。同時對于一些極端的應(yīng)用環(huán)境，如空間環(huán)境等，也缺乏相應(yīng)的較為成熟的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)。

5 非金屬材料加速老化試驗技術(shù)發(fā)展設(shè)想

經(jīng)過近90年的發(fā)展，加速老化試驗技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，對于各種非金屬材料和各種存貯環(huán)境或工況，都有與之相對應(yīng)的一套較為完善的加速試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，日益增多的材料種類及越來越復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境都對貯存壽命評估及加速老化技術(shù)提出了更高的要求。為滿足未來各型號武器尤其是導(dǎo)彈武器裝備研制、維護(hù)及檢修的需要，非金屬材料加速老化試驗技術(shù)未來應(yīng)向以下幾個方向發(fā)展。

(1)整機(jī)加速老化試驗技術(shù)

隨著導(dǎo)彈等武器裝備技術(shù)的發(fā)展，目前武器裝備的整機(jī)所含的材料種類繁多，應(yīng)用環(huán)境狀態(tài)和整機(jī)貯存失效機(jī)理也較為復(fù)雜， 因而整機(jī)狀態(tài)下的加速試驗技術(shù)尚存在較大的困難。應(yīng)當(dāng)深入研究各種非金屬材料的失效機(jī)理，開展整機(jī)加速老化試驗方法研究，從而建立起一套較為完善的整機(jī)加速老化試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體系。

(2)特殊應(yīng)用環(huán)境下的加速老化試驗技術(shù)

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，目前導(dǎo)彈武器裝備要適應(yīng)更加惡劣的極端環(huán)境(如空間環(huán)境)，多因素綜合作用的氣候環(huán)境及特殊介質(zhì)作用等應(yīng)用環(huán)境，這就要求開展諸如此類的特殊應(yīng)用環(huán)境下的加速老化試驗技術(shù)的研究，建立起相關(guān)的試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更好地為導(dǎo)彈武器裝備的應(yīng)用及發(fā)展服務(wù)。

(3)加速老化試驗與自然老化相關(guān)性研究

加速老化與自然老化的相關(guān)性研究涉及到加速老化試驗?zāi)芊裾鎸崪?zhǔn)確反映實際老化過程這一基本問題，因此是加速老化試驗技術(shù)研究的核心命題，也成為了當(dāng)前世界各國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究熱點。這一研究的核心是建立加速老化過程與實際老化過程的等效關(guān)系，但目前為止，相關(guān)的研究還處于初級階段，一些等效關(guān)系的研究成果適應(yīng)范圍很窄，難于推廣應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，相關(guān)性研究會愈加凸顯其重要性，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步開展對這一問題的研究，為建立更加合理完善的加速老化試驗技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)提供理論支撐。

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Analyses on Current Developments of Accelerated Aging Test Standards of Non-Metallic Materials

LIANG Xiaofan1LIANG Hongtao2ZHANG Xinlan1ZOU Shiwen1

(1 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology,Beijing 100076) (2 Beijing Special Missiles Representatives Department of Navy,Beijing 100076)

The aging of non-metallic materials and products was one of the determining factors of the weapons’ lifetime.The existing accelerated aging test standards of non-metallic materials are introduced in this article,and the similarities and differences between these test standards are analyzed.The conceptions of the development trends of accelerated aging tests are also proposed.

Non-metallic materials, Accelerated aging, Test standard

2016-11-22；

2017-03-06

梁曉凡，1983年出生，高級工程師，主要從事非金屬材料貯存與環(huán)境適應(yīng)性研究工作。E-mail：flo981@163.com

TB3

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.03.002