典型非金属材料海洋环境适应性技术研究

王哲，雍兴跃，范林，段婷婷



典型非金属材料海洋环境适应性技术研究

王哲1，雍兴跃2，范林1，段婷婷1

（1.中航工业第一飞机设计研究院，西安 710089；2.北京化工大学，北京 100000）

目的研究海洋环境对典型非金属腐蚀的影响。方法首先编制加速腐蚀试验环境谱进行腐蚀试验，以及自然暴晒试验，最后对试验进行数据分析。结果丁晴橡胶、硅橡胶、有机玻璃及密封胶在经过热冲击、盐雾、紫外暴晒、紫外-周浸和万宁站暴晒试验之后，其断裂强度、屈服强度和断裂伸长率等力学性能虽然都有一定程度降低，但是其力学性能的保持率仍然达到85%。这表明丁晴橡胶、硅橡胶、有机玻璃及密封胶总体上是耐蚀的。结论丁晴橡胶和密封胶的耐腐蚀性强于硅橡胶和有机玻璃。

非金属；海洋环境；环境适应性

海上飞机服役环境苛刻，不但导致金属材料腐蚀，更会造成橡胶、密封剂、有机玻璃、复合材料等高分子材料的吸湿、开裂、老化、体积膨胀、组织疏松、表面模糊和起泡等现象，造成弹性、塑性改变和强度降低。同时，导致部件功能失效，降低武器装备的可靠性。另外，霉菌的破坏作用随温度和湿度而变化，造成非金属功能材料的霉变，致使这些材料的物理性能发生明显恶化，危及武器装备的安全性。海上飞机结构中的非金属功能材料变质、结构强度降低、系统和附件功能失效，这不但影响和降低了海上飞机的出勤率、安全性和使用寿命，而且增加了海上飞机的使用维护成本。国内对海上飞机材料，特别是非金属功能材料体系的环境适应性研究基础不足，影响了飞机非金属功能材料的正确选用、合适防护和正确维护。通过开展橡胶、密封剂、有机玻璃、复合材料等非金属功能材料海洋环境中适应性研究，掌握相应的腐蚀老化特性评价方法，获取相关腐蚀老化特性参考数据，为型号研制和使用维护阶段提供腐蚀防护技术支持[1]。

1 新型密封材料环境适应性研究

非金属密封材料主要应用部位有风挡窗户区域、口框区域、结构缝隙、盥洗室区域、舱盖等[2]。典型结构件如舱门密封橡胶带、防腐蚀和气密的密封剂、口盖及风挡密封橡胶件等。环境参考现役服役的飞机腐蚀情况。

密封剂主要用于飞机的密封结构中，如整体油箱、气密座舱、设备气密舱等。可以实现气密、油密和水密，防止漏油、漏气、漏水功能，同时还可以起到防腐、气动整流、防火、防水等作用。由于海上飞机工作环境特殊性，对橡胶材料的三防性能要求较高。空气系统中使用耐空气老化、长寿命的有机硅橡胶和乙丙橡胶；接触各种油汽部位和后机身耐高温部位采用氟硅橡胶；液压油、滑油、燃油介质中使用丁腈橡胶、氟醚橡胶、氟橡胶。透明件主要用于座舱风挡、观察窗等有视线要求的部位，交联型YB-DM-10有机玻璃具有高强度、高韧性、抗银纹及裂纹扩展能力。

通过调研机场环境数据，掌握机场外部自然环境，结合所考察腐蚀损伤关键部位与外部环境之间的联系，分析关键部位局部环境的腐蚀因素。参考国外经过验证的行之有效的加速试验环境谱，综合考虑造成飞机结构腐蚀/失效的各种环境因素，选取主要环境因素制定加速试验环境谱块，并组合为可实施的、具有模拟性的加速试验环境谱。环境谱考虑因素、环境谱编制流程、环境谱的基本构成参考CASS谱环境谱[3—8]。

通过适当的当量关系确定方法来确定各环境谱块的参数，确定飞机结构件加速试验环境谱实施的具体试验条件，使环境谱同时具备“加速性”和“再现性”。对新型橡胶、密封剂、有机玻璃等非金属材料进行环境试验，以便掌握这些材料腐蚀情况。

2 密封材料环境适应性评估方法研究

1）失重法。计算样品在实验后的累积质量变化，紫外暴晒与周期浸润联合实验每个循环后样品的质量变化量。

2）失光率。紫外暴晒与周期浸润联合实验每个循环后样品的光泽度变化量。

3）力学性能测试。使用微机控制电子万能试验机对试验前后的样品进行力学性能测试。

4）表面形貌观察。使用XD30M金相显微镜、SZ45-ST1变焦体视显微镜及照相机观察实验前后样品的表面形貌变化。

3 试验

3.1 环境箱当量环境谱下的加速腐蚀

3.1.1 试验步骤

按照如图1所示试验步骤进行2个周期循环。

3.1.2 试验结果

3.1.2.1 质量损失分析

丁晴橡胶的质量损失结果见表1，表面形貌如图2所示。

表1 丁晴橡胶的质量损失结果

a 45×

b 200×

图2 丁晴橡胶表面形貌

硅橡胶的质量损失结果见表2，表面形貌如图3所示。

表2 硅橡胶的质量损失结果

a 45×

b 200×

图3 硅橡胶表面形貌

有机玻璃的质量损失结果见表3。

表3 有机玻璃的质量损失结果

由表1—3可知，三种材料的质量损失规律并不明显，但均有微小的质量损失，是紫外光照射导致材料表面粉化所致。由图2和图3可知，放大45倍的情况下，橡胶件表面并无明显特征，但放大200倍的情况下，可明显发现丁晴橡胶表面出现了大量细纹及斑点，硅橡胶表面也有少许斑点。证明紫外照射及浸润使其发生了一定程度的老化。玻璃没有明显的变化。

3.1.2.2 失光率分析

5860丁晴橡胶的失光量见表4。

表4 丁晴橡胶失光量 Gs

G198硅橡胶的失光量见表5。

表5 硅橡胶失光量 Gs

YB-DM-10有机玻璃的失光量见表6。

表6 有机玻璃失光量 Gs

通过上述表中数据分析，由于紫外光照射及周期浸泡，丁晴橡胶和硅橡胶的表面光泽度总体上出现一定的下降，且丁晴橡胶的失光率高于硅橡胶，而有机玻璃的光泽度有了一定的上升。

3.1.2.3 力学性能分析

对丁晴橡胶、硅橡胶、有机玻璃的空白试样及试验后试样分别进行了拉伸试验，结果见表7和图4。

表7 拉伸试验结果

3.1.2.4 断口形貌

为了更加直观地观察环境对材料的影响，针对力学测试后的试样进行了断口截面的形貌分析。三种材料的断口截面如图5—7所示。

a 空白试样

b 试验后试样

图5 丁晴橡胶断口截面

a 空白试样

b 试验后试样

图6 硅橡胶断口截面

a 空白试样

b 试验后试样

图7 有机玻璃断口截面

3.2 自然曝晒腐蚀试验

海洋大气环境试验在海南万宁大气暴晒站进行，暴晒时间为2年，位置为东经110°05′、北纬18°58′，海拔高度为12.3 m，平均温度为24.6 ℃，平均相对湿度为86 %，年总辐射量为4826 MJ/m2，年总日照时数为2154 h，年降水总量为1515 mm，降水pH值为5.4。 YB-DM-10有机玻璃试件尺寸为35 mm×150 mm；5860丁晴橡胶试件尺寸为25 mm×120 mm；G198硅橡胶试件尺寸为25 mm×120 mm；JLG-103密封剂试件尺寸为35 mm×150 mm。用电子扫描显微镜对紫外-周浸试验下的材料进行了微观形貌分析，并与万宁站试验结果作了对比。从有机玻璃断口已经能看出层片状形态，证明试样经受紫外-周浸试验及万宁站试验后，韧性降低，容易发生脆性开裂。对丁晴橡胶断口略有影响，但都不明显。对硅橡胶和有机玻璃影响比较显著，可以明显发现材料韧性降低。对于密封胶则几乎没有影响。

4 结论

由测试结果和断口截面可推论：丁晴橡胶试样断口处的裂纹较少，说明其断裂时受力较小，其硬度及韧性均有所下降，在一定程度上受到了环境的影响。试验后的硅橡胶试样的断口较为平整，说明其韧性及硬度均有下降，在一定程度上受到了环境的影响。对于有机玻璃试样，实验前后断口截面图的差别并不明显，说明环境对其影响相对较小。丁腈橡胶、硅橡胶在分别经过热冲击、盐雾、紫外暴晒和紫外-周浸试验之后，其力学性能虽然有所降低，但是除了硅橡胶的断裂伸长率略大于20%之外，其他都在15%的范围内。这表明这些材料受热冲击、盐雾、紫外暴晒和紫外-周浸环境因素的影响较小，可以使用。各材料试验结果与实地万宁站暴晒试验下的试验结果接近，证明紫外-周浸试验能在加速的条件下通过一定当量关系良好地模拟实际情况，具有极大参考价值。

[1] BAKER A A. Repair of Cracked or Defective Metallic Aircraft Components with Advanced Fibre Composites[J]. Composites Structure, 1984, 2(2): 153—234.

[2] 中国航空研究院. 飞机设计手册第2册[M]. 北京: 航空工业出版社, 2010.

[3] 刘文珽, 李玉海. 飞机结构日历寿命体系评定技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 2004.

[4] 杨晓华, 姚卫星, 陈跃良. 考虑日历环境影响的结构日历寿命研究[J]. 应用力学学报, 2002, 19(3): 157—159.

[5] 李东帆. 飞机结构的腐蚀与防护[J]. 装备环境工程, 2016, 13(1): 57—61.

[6] LI S, TANG H, ZHANG X, et al. Fatigue Behavior of Precorrosion Deformed Bars[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2014, 26(9): 646—649.

[7] MA S, HUI L, ZHOU S, et al. Influence of Corrosion Environments on Corrosion Fatigue Property of Pre-corroded Aluminum Alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(2): 91—95.

[8] 陈群志, 李喜明. 飞机结构典型环境腐蚀当量关系研究[J]. 航空学报, 1998, 19(4): 414—418.

Technical Research on Ocean Environmental Adaptability of Typical Nonmetal Materials

WANG Zhe1, YONG Xing-yue2, FAN Lin1, DUAN Ting-ting1

(1.AVIC The First Aircraft Institute, Xi′an 710089, China;2.Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100000, China)

Objective To study influences of ocean environment on corrosion of typical nonmetal materials. Methods A environment spectrum for accelerated corrosion test was drawled up to carry out corrosion test, atmospheric exposure test and data analysis. Results Mechanical properties such as breaking strength, yield strength and elongation at break of nitrile rubber buna, silicon rubber, organic glass and sealant decreased to a certain extent after tests of thermal shock, salt fog, ultraviolet exposure, ultraviolet-immersion and exposure in Wanning Station, but their mechanical properties were still kept at 85%. This means that nitrile rubber buna, silicon rubber, organic glass and sealant were corrosion resistant. Conclusion The corrosion resistance of nitrile rubber buna and sealant is better than that of silicon rubber and organic glass.

nonmetal; ocean environment; environmental adaptability

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.012

TJ04；TG172

A

1672-9242(2017)03-0060-05

2016-12-28；

2017-01-11

王哲（1963—），男，陕西西安人，研究员，主要从事飞机结构、机构设计与研究。