湿热、盐雾和霉菌对氧化铝纳米隔热材料的性能影响

王晓艳 胡子君 孙陈诚 王晓婷 宋兆旭

0 引言

导弹作为一种高可靠性武器装备，必须在发射前采取各种措施在地面把潜在的缺陷减至最少［1］，贮存环境中的可靠性尤为重要［2］。氧化铝纳米隔热材料以其耐高温能力强、热导率低、结构质量轻等优点有望作为热防护系统的隔热材料应用于导弹上［3－9］，但长期贮存中，环境因素如：温度、湿度、腐蚀介质、气压、霉菌等可能导致材料性能发生变化［10－13］。其中，文献［14－15］认为贮存环境的温度或湿度均会对产品的固有贮存失效率产生重要影响。本文探讨氧化铝纳米隔热材料在国内贮存典型环境，包括温度、湿度、腐蚀介质和霉菌种类，对材料性能影响主要涉及隔热和力学性能的变化，并分析变化原因，进一步开展材料组织结构优化，旨在通过优化材料自身的组织结构，将贮存环境对材料热力性能的不利影响，降至最低，从而为决策部门提供订购生产、储存布局和使用维护的决策数据［16－17］。

1 实验

1.1 原料

氧化铝纳米隔热材料（自制，主要成分为纳米氧化铝、陶瓷纤维和遮光剂）和防潮试剂（自制，主要成分为硅烷）。

1.2 试样制备

试验材料为纤维增强Al2O3纳米隔热材料，样品密度分别为 0.45 g／cm3和 0.60 g／cm3，尺寸为 150 mm×150 mm×20 mm。防潮改进试验件，是通过引入防潮试剂，在材料表面连接有机基团的方式，并通过超临界干燥进行防潮处理，尺寸不变。

1.3 测试表征

采用扫描电镜观察试样的微观形貌（型号A⁃POLLO 300－INCA ENERGY 350／SCG620）；采用日本EKO，根据热流计法测试材料的室温热导率。

依据GJB150.9A—2009标准进行湿热试验研究。其湿热变化曲线如图1所示，全程湿度控制在（95±5）%。本试验以24 h为一个循环周期，共进行了10个周期。

图1 湿热测试图（1个周期24 h内）Fig.1 Chart of moist heat test in a period of 24 h

根据GJB150.11A—2009进行盐雾试验，试验使用交替进行的24 h喷盐雾和24 h干燥两种状态共96 h（2个喷雾湿润阶段和2个干燥阶段）的试验程序。试验温度（35±2）℃。调节盐雾的沉降率，使每个收集器在80 cm2的水平收集区内（直径10 cm）的收集量为（1～3） mL／h溶液。

根据GJB150.10A—2009开展霉菌试验。采用的菌种及编号分别为：黄曲霉 Aspergillus flavus（编号：AS3.3950）、杂色曲霉 Aspergillus versicolor（编号：AS3.3885）、绳状青霉 Penicillium funiculosum（编号：AS3.3875）、球毛壳霉 Chactomium globosum（编号：AS3.4254）、黑曲霉 Aspergillus niger（编号：AS3.3928），持续时间为 28 d。

上述的湿热、盐雾和霉菌试验，均在国家机械电子产品环境与可靠性质量监督检验中心的步入式环境试验箱中进行。

2 结果与讨论

2.1 湿热试验

在进行湿热试验之前，先初步测试了不同密度样品在 40℃、90%湿度，160 h 后的增重率。 0.45 g／cm3的 Al2O3纳米隔热复合材料增重率为 4.5%，0.6 g／cm3的Al2O3纳米隔热复合材料增重率为4.6%，均有比较明显的增重现象。分析原因：氧化铝纳米隔热材料是由纳米颗粒和纳米孔隙构成的具有特殊的三维网络结构，氧化铝颗粒表面含有大量—OH功能团，吸潮后会在表面形成一层“水膜”，大气中的CO2、SO2等气体会溶解在水膜中形成电解质，使材料性能下降。对于纳米隔热材料，一旦吸潮后，毛细管凝结，在与金属接触时，会使金属的临界湿度下降，从而促进金属的腐蚀。为了避免湿热给材料的储存等带来不确定的因素，需要对材料进行防潮处理。于是通过在材料表面连接有机基团—（CH3）n，以实现防潮疏水的目的。防潮后样品的疏水效果非常明显，接触角均超过90°，且水滴不易在材料表面停留，水滴滚落处基本无肉眼可见痕迹。

湿热试验前后材料的性能变化如表1中所示。以0.45 g／cm3的材料为例可以看出，材料未经防潮处理的情况下，增重8.5%，热导率明显增加至0.047 W／（m·K），增长了 51