本文根據(jù)高原高寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，采用某型直升機(jī)實(shí)際使用的橡膠和密封劑材料，編制直升機(jī)高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速環(huán)境試驗(yàn)和自然環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)所編制的加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜進(jìn)行驗(yàn)證，為其在直升機(jī)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性考核中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

在考核直升機(jī)環(huán)境適應(yīng)性能力時(shí)，為了縮短周期、減少費(fèi)用、提高時(shí)效性，有些國(guó)家采用加速試驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行研究。20世紀(jì)80年代，北大西洋公約組織（NATO）開(kāi)展了相關(guān)的腐蝕疲勞試驗(yàn)研究 。而美國(guó)國(guó)防部制定了涂層加速試驗(yàn)環(huán)境譜及試驗(yàn)程序（CASS譜），并闡述其加速試驗(yàn)環(huán)境譜的編制方法。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也對(duì)直升機(jī)加速試驗(yàn)環(huán)境譜開(kāi)展了相關(guān)研，但是研究主要集中在對(duì)海洋腐蝕環(huán)境的分析及加速環(huán)境譜的構(gòu)建，而針對(duì)高原高寒環(huán)境的加速試驗(yàn)方法研究較少。直升機(jī)在高原高寒地區(qū)服役時(shí)，將暴露于低溫、高紫外的嚴(yán)酷環(huán)境中，對(duì)非金屬材料的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。尤其是橡膠、密封劑等材料在高原高寒環(huán)境下的性能，對(duì)直升機(jī)密封、隔離效果起著重要的作用。本文針對(duì)直升機(jī)非金屬材料高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)進(jìn)行研究。

加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜設(shè)計(jì)

01 試驗(yàn)對(duì)象的環(huán)境失效模式

橡膠、密封劑、有機(jī)涂層、膠粘劑等均屬于有機(jī)高分子材料，它們?cè)谧匀淮髿猸h(huán)境中的損傷主要是由太陽(yáng)輻射、高溫、低溫、濕熱以及機(jī)械作用等引起的老化，高分子材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化，物理性能也會(huì)相應(yīng)變差，如發(fā)硬、發(fā)黏、變脆、變色、失去強(qiáng)度等。

02 加速腐蝕老化試驗(yàn)譜的譜塊結(jié)構(gòu)

雖然完全模擬直升機(jī)停放、飛行順序中的環(huán)境、載荷歷程的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法是最可信的，但在技術(shù)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)實(shí)際溫度、濕度、紫外輻照、載荷等的時(shí)間歷程分別進(jìn)行加速而得到溫濕度、紫外老化、加載等環(huán)境譜塊，則可以較為容易地解釋和評(píng)定各個(gè)譜塊試驗(yàn)結(jié)果以及各個(gè)譜塊的疊加效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的有效評(píng)價(jià)。

最早提出環(huán)境譜概念的是美國(guó)海軍航空兵，編制了針對(duì)F-18飛機(jī)帶涂層結(jié)構(gòu)的加速試驗(yàn)環(huán)境譜（簡(jiǎn)稱(chēng)CASS譜）。該譜主要模擬F-18在亞熱帶沿海地區(qū)服役的環(huán)境，1個(gè)加速試驗(yàn)周期包含濕熱暴露、紫外照射、熱沖擊、低溫疲勞、鹽霧等5個(gè)環(huán)境譜塊，可認(rèn)為一個(gè)試驗(yàn)周期可當(dāng)量外場(chǎng)使用1年。其作用順序與使用情況基本相符，主要反映了飛機(jī)停放時(shí)，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(shí)際情況。在編制直升機(jī)高原高寒加速試驗(yàn)環(huán)境譜時(shí)，參考了CASS譜，并根據(jù)直升機(jī)的高原高寒環(huán)境特點(diǎn)和環(huán)境效應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以建立適用于直升機(jī)典型非金屬材料的實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)環(huán)境譜，具體譜塊構(gòu)成如下圖1所示。

圖1 直升機(jī)高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜的譜塊結(jié)構(gòu)

加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜編制

01 低溫試驗(yàn)譜塊

典型高原、高寒環(huán)境的年平均最低溫度為-14.7℃，且在12月、1月、2月等三個(gè)月月平均最低溫度達(dá)到了-35℃以下，歷史數(shù)據(jù)中，漠河地區(qū)出現(xiàn)極寒天氣時(shí)的溫度更達(dá)到了-52.3℃，考慮到誘發(fā)效應(yīng)，本項(xiàng)目取整在-55℃下進(jìn)行低溫試驗(yàn)。由典型非金屬材料的老化機(jī)理環(huán)境失效模式可知，對(duì)于典型橡膠、密封劑和連接件來(lái)說(shuō)，它們的低溫環(huán)境效應(yīng)并不具備顯著的累積效應(yīng)，因此，參考GJB 150.4A-2009中的相關(guān)規(guī)定，選擇進(jìn)行72h（3天）的低溫貯存試驗(yàn)。

02 濕熱暴露試驗(yàn)譜塊

由實(shí)際環(huán)境參數(shù)可知，典型高原、高寒環(huán)境地面停放環(huán)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(huán)境效應(yīng)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(duì)濕度61.3%作為典型高原、高寒環(huán)境的平均溫度和平均相對(duì)濕度。

對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，目前多以溫度T=40℃、濕度R.H.=95%的潮濕空氣作為標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣，然后依據(jù)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中腐蝕電量Q相等的準(zhǔn)則，引入基于腐蝕電流比較的折算系數(shù)概念，計(jì)算不同溫度和濕度潮濕空氣之間的折算系數(shù)；而本項(xiàng)目加速腐蝕老化試驗(yàn)譜主要針對(duì)典型非金屬材料及連接件的自然老化效應(yīng)進(jìn)行再現(xiàn)，因此對(duì)于橡膠、密封劑、復(fù)合材料、防護(hù)涂層、膠接結(jié)構(gòu)等聚合物來(lái)說(shuō)，主要根據(jù)不同濕熱環(huán)境下的吸濕擴(kuò)散速率或不同濕熱環(huán)境下的濕熱效應(yīng)試驗(yàn)給出加速吸濕（老化）的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算加速因子，見(jiàn)下式（1），這種方法對(duì)本項(xiàng)目的研究對(duì)象來(lái)說(shuō)較為適用。

取實(shí)際暴露的溫度T1為典型高原、高寒環(huán)境的平均溫度13.8℃，取實(shí)際暴露的相對(duì)濕度φ1為典型高原、高寒環(huán)境的年平均相對(duì)濕度為61.3% R.H.，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇加速環(huán)境溫度T2=38℃、加速環(huán)境相對(duì)濕度φ2 =85% R.H.的濕熱暴露試驗(yàn)條件，則根據(jù)式（1）計(jì)算得到的時(shí)間加速系數(shù)K=55.8，即：在典型高原、高寒環(huán)境中暴露7個(gè)月（4月份至10月份期間，t1 =5136h）的濕熱環(huán)境效應(yīng)需要通過(guò)溫度為30℃、相對(duì)濕度為95%R.H.，加速濕熱試驗(yàn)t2= t1 /K=5136h/55.8=92h來(lái)進(jìn)行再現(xiàn)，出于加嚴(yán)考慮，實(shí)際進(jìn)行濕熱試驗(yàn)時(shí)可將92h取整為4天。

03 紫外照射試驗(yàn)譜塊

典型高原、高寒環(huán)境年平均太陽(yáng)總輻照量為7459.1MJ/m2，在全國(guó)各地區(qū)中處于較高水平，按拉薩地區(qū)年平均紫外輻射量占太陽(yáng)總輻射量的比例η=4%計(jì)算，典型高原、高寒環(huán)境的年平均紫外輻射量Qz=7459.1MJ/m2×4%=298.4MJ/m2。假設(shè)每次飛行所接受的太陽(yáng)輻射量占全天太陽(yáng)輻射量的二分之一，那么在典型高原、高寒環(huán)境中暴露1年的紫外輻射效應(yīng)需要通過(guò)輻照強(qiáng)度為60W/m2的紫外照射試驗(yàn)Qz×106/(60×3600) ×150/365×1/2=284h（約12天）來(lái)進(jìn)行再現(xiàn)。

04 加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜

根據(jù)以上分析，最終編制的直升機(jī)高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜如下圖2所示。

圖2 直升機(jī)高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜

引用

季佳，高蒙，崔騰飛，張曉娟，孫志華.直升機(jī)非金屬材料高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)研究[J].環(huán)境技術(shù)，2021，229(1):36-41.