直升机非金属材料高原高寒加速腐蚀老化试验研究

季佳，高蒙，崔腾飞，张晓娟，孙志华

（1.中国直升机设计研究所 通用技术部，景德镇 333001；2.中国航发北京航空材料研究院，航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095）

引言

直升机在运输、救援、医疗救护等领域有着十分广泛的应用，其使用场景多变，服役区域复杂，会面临各种复杂环境条件[1]。尤其是沿海环境、砂尘环境、低温环境、高太阳辐射环境[2]，对直升机的损伤尤为突出，随着直升机的服役环境越来越恶劣，对直升机的环境适应性也提出了更高的要求[3]，要能在综合严酷环境中保持其飞行和任务使命要求，并在服役期内具有持续稳定的环境适应性，保持优良的出勤率和任务效能[4,5]。

在考核直升机环境适应性能力时，为了缩短周期、减少费用、提高时效性，有些国家采用加速试验的方法来进行研究[6-8]。20世纪80年代，北大西洋公约组织（NATO）开展了相关的腐蚀疲劳试验研究[9,10]。而美国国防部制定了涂层加速试验环境谱及试验程序（CASS谱），并阐述其加速试验环境谱的编制方法[11]。国内一些学者也对直升机加速试验环境谱开展了相关研究[12,13]，但是研究主要集中在对海洋腐蚀环境的分析及加速环境谱的构建，而针对高原高寒环境的加速试验方法研究较少。直升机在高原高寒地区服役时，将暴露于低温、高紫外的严酷环境中，对非金属材料的性能会产生很大的影响[14,15]。尤其是橡胶、密封剂等材料在高原高寒环境下的性能，对直升机密封、隔离效果起着重要的作用。

本文根据高原高寒地区的环境特点，采用某型直升机实际使用的橡胶和密封剂材料，编制直升机高原高寒加速腐蚀老化试验环境谱，进行实验室加速环境试验和自然环境试验，对所编制的加速腐蚀老化试验环境谱进行验证，为其在直升机高原高寒环境适应性考核中的应用提供技术支撑。

1 加速腐蚀老化试验环境谱的设计

1.1 试验对象的环境失效模式

橡胶、密封剂、有机涂层、胶粘剂等均属于有机高分子材料，它们在自然大气环境中的损伤主要是由太阳辐射、高温、低温、湿热以及机械作用等引起的老化，高分子材料的化学组成和结构会发生一系列变化，物理性能也会相应变差，如发硬、发黏、变脆、变色、失去强度等。

1.2 加速腐蚀老化试验谱的谱块结构

虽然完全模拟直升机停放、飞行顺序中的环境、载荷历程的实验室试验方法是最可信的，但在技术上无法实现。通过对实际温度、湿度、紫外辐照、载荷等的时间历程分别进行加速而得到温湿度、紫外老化、加载等环境谱块，则可以较为容易地解释和评定各个谱块试验结果以及各个谱块的叠加效果，从而实现对研究对象的有效评价。

最早提出环境谱概念的是美国海军航空兵，编制了针对F-18飞机带涂层结构的加速试验环境谱（简称CASS谱）。该谱主要模拟F-18在亚热带沿海地区服役的环境，1个加速试验周期包含湿热暴露、紫外照射、热冲击、低温疲劳、盐雾等5个环境谱块，可认为一个试验周期可当量外场使用1年。其作用顺序基本与使用情况基本相符，主要反映了飞机停放时，早晚多受高湿、盐雾作用，白天受紫外辐射、热冲击及载荷作用的实际情况。在编制直升机高原高寒加速试验环境谱时，参考了CASS谱，并根据直升机的高原高寒环境特点和环境效应特点进行相应调整，以建立适用于直升机典型非金属材料的实验室加速试验环境谱，具体谱块构成如图1所示。

2 加速腐蚀老化试验环境谱编制

2.1 低温试验谱块

典型高原、高寒环境的年平均最低温度为-14.7 ℃，且在12月、1月、2月等三个月月平均最低温度达到了-35 ℃以下，历史数据中，漠河地区出现极寒天气时的温度更达到了-52.3 ℃，考虑到诱发效应，本项目取整在-55 ℃下进行低温试验。由典型非金属材料的老化机理环境失效模式可知，对于典型橡胶、密封剂和连接件来说，它们的低温环境效应并不具备显著的累积效应，因此，参考GJB 150.4A-2009中的相关规定，选择进行72 h（3天）的低温贮存试验。

图1 直升机高原高寒加速腐蚀老化试验环境谱的谱块结构

2.2 湿热暴露试验谱块

由表实际环境参数可知，典型高原、高寒环境地面停放环境谱的月平均温度仅在4月份至10月份期间略在10 ℃以上，湿热环境效应才起作用，因此，取4月份至10月份期间的平均温度13.8 ℃和平均相对湿度61.3 %作为典型高原、高寒环境的平均温度和平均相对湿度。

对于金属来说，目前多以温度T=40 ℃、湿度R.H.=95 %的潮湿空气作为标准潮湿空气，然后依据电化学腐蚀反应中腐蚀电量Q相等的准则，引入基于腐蚀电流比较的折算系数概念，计算不同温度和湿度潮湿空气之间的折算系数；而本项目加速腐蚀老化试验谱主要针对典型非金属材料及连接件的自然老化效应进行再现，因此对于橡胶、密封剂、复合材料、防护涂层、胶接结构等聚合物来说，主要根据不同湿热环境下的吸湿扩散速率或不同湿热环境下的湿热效应试验给出加速吸湿（老化）的经验公式来计算加速因子，见式（1），这种方法对本项目的研究对象来说较为适用。

式中：

K—时间加速系数；

t1—实际暴露时间；

t2—加速后的时间；

T1φ1—实际暴露的温度（℃）和相对湿度（%）；

T2φ2—加速环境的温度（℃）和相对湿度（%）；

C—试验系数，当T2≤60 ℃时，C=46.1。

取实际暴露的温度T1为典型高原、高寒环境的平均温度13.8 ℃，取实际暴露的相对湿度φ1为典型高原、高寒环境的年平均相对湿度为61.3 % R.H.，根据经验选择加速环境温度T2=38 ℃、加速环境相对湿度φ2=85 % R.H.的湿热暴露试验条件，则根据式（1）计算得到的时间加速系数K=55.8，即：在典型高原、高寒环境中暴露7个月（4月份至10月份期间，t1=5 136 h）的湿热环境效应需要通过温度为30 ℃、相对湿度为95 %R.H.加速湿热试验t2= t1/K=5 136 h/55.8=92 h来进行再现，出于加严考虑，实际进行湿热试验时可将92 h取整为4天。

2.3 紫外照射试验谱块

典型高原、高寒环境年平均太阳总辐照量为7 459.1 MJ/m2，在全国各地区中处于较高水平，按拉萨地区年平均紫外辐射量占太阳总辐射量的比例η=4 %计算，典型高原、高寒环境的年平均紫外辐射量Qz=7 459.1 MJ/m2×4 %=298.4 MJ/m2。假设每次飞行所接受的太阳辐射量占全天太阳辐射量的二分之一，那么在典型高原、高寒环境中暴露1年的紫外辐射效应需要通过辐照强度为60 W/m2的紫外照射试验Qz×106/(60×3 600) ×150/365×1/2=284 h（约12天）来进行再现。

2.4 加速腐蚀老化试验环境谱

根据以上分析，最终编制的直升机高原高寒加速腐蚀老化试验环境谱如图2所示。

3 试样材料及试验方法

3.1 试验材料及尺寸

选用8360三元乙丙橡胶和HM119室温硫化聚硫密封剂作为试验材料，进行加速腐蚀老化试验，试样尺寸如图3所示。

图2 直升机高原高寒加速腐蚀老化试验环境谱

3.2 试验方法

采用所编制的加速腐蚀老化试验环境谱对橡胶板和密封剂板进行1周期的加速腐蚀试验，对试验后材料的形貌和性能进行检测。

3.2.1 外观

参考 GB/T 1766对试验件表面的光泽、颜色、粉化，开裂、斑点等缺陷的形态、分布和程度进行评价和记录。

3.2.2 检测项目

硬度、拉伸强度、扯断伸长率、T型剥离强度、剪切强度等力学性能的检测按照表1所列的检测条件进行。

4 试验结果

4.1 8360三元乙丙橡胶试验结果

图4所示为试验前及加速腐蚀老化试验、拉萨站暴露试验、漠河站暴露试验后，8360橡胶的宏观形貌。从图中可以看出，试验前后外观形貌变化不大，整个表面较为完整，均无明显的环境损伤。但是，经过外场暴露试验后，试样表面颜色更浅，这可能跟紫外强度变化有关。

8360 材料试样经过加速腐蚀老化试验、拉萨站暴露试验、漠河站暴露试验后，按ASTM D2240-15进行硬度测试，每种材料包含3个平行试样，每个试样测量3个点，结果取平均值，试验结果如图5所示。从图中可以看出，经过1周期的加速试验和漠河外场暴露后，8360的硬度基本没有变化，拉萨外场暴露后硬度略有降低，但是降低的程度不大。

8360 材料试样经过加速腐蚀老化试验、拉萨站暴露试验、漠河站暴露试验后，按照ASTM D412-16进行拉伸强度测试，每种材料包含3个平行试样，每个试样测量3个点，结果取平均值，试验结果如图6所示。从图中可以看出，经过1周期的加速试验，8360的拉伸强度基本没有变化；经过拉萨外场暴露和漠河外场暴露后拉伸强度略有升高，但是升高的程度不大。

8360 材料试样经过加速腐蚀老化试验、拉萨站暴露试验、漠河站暴露试验后，按照ASTM D412-16进行扯断伸长率测试，每种材料包含3个平行试样，每个试样测量3个点，结果取平均值，试验结果如图7所示。从图中可以看出，经过1周期的加速试验，8360的扯断伸长率基本没有变化；经过拉萨外场暴露和漠河外场暴露后扯断伸长率略有升高，但是升高的程度不大。

4.2 HM119室温硫化聚硫密封剂试验结果

图8所示为试验前及加速腐蚀老化试验、拉萨站暴露试验、漠河站暴露试验后，8360橡胶的宏观形貌。从图中可以看出，试验前后外观形貌变化不大，整个表面较为完整，均无明显的环境损伤。

图3 试验件尺寸

表1 试样力学性能检测条件

图4 8360三元乙丙橡胶试验前后宏观形貌

图5 8630典型橡胶材料试验前后硬度

图6 8630典型橡胶材料试验前后拉伸强度

图7 8630典型橡胶材料试验前后扯断伸长率

HM119材料试样经过加速腐蚀老化试验、拉萨站暴露试验、漠河站暴露试验后，按ASTM D2240-15进行硬度测试，每种材料包含3个平行试样，每个试样测量3个点，结果取平均值，试验结果如图9所示。从图中可以看出，经过1周期的加速试验、漠河外场暴露、拉萨外场暴露后，HM119的硬度略有上升，加速试验后的硬度略高与外场暴露试验后，但是总体差距不大。

HM119材料试样经过加速腐蚀老化试验、拉萨站暴露试验、漠河站暴露试验后，按照ASTM D412-16进行拉伸强度测试，每种材料包含3个平行试样，每个试样测量3个点，结果取平均值，试验结果如图10所示。从图中可以看出，经过1周期的加速试验、拉萨外场暴露和漠河外场暴露后，HM119的拉伸强度均下降，而且加速试验和暴露试验后的拉伸强度基本相当。

HM119材料试样经过加速腐蚀老化试验、拉萨站暴露试验、漠河站暴露试验后，按照ASTM D412-16进行 扯断伸长率测试，每种材料包含3个平行试样，每个试样测量3个点，结果取平均值，试验结果如图11所示。从图中可以看出，经过1周期的加速试验、拉萨外场暴露和漠河外场暴露后，HM119的扯断伸长率有所下降，但是下降的程度基本相当，拉萨站试验件的扯断伸长率略低。

图8 HM119室温硫化聚硫密封剂试验前后宏观形貌

图9 HM119室温硫化聚硫密封剂试验前后硬度

图10 HM119室温硫化聚硫密封剂试验前后拉伸强度

图11 HM119室温硫化聚硫密封剂后扯断伸长率

5 结果分析

橡胶、密封剂等均属于有机高分子材料，它们在自然大气环境中的损伤主要包括太阳辐射、高温、低温、湿热以及机械作用等，会发生硬化、发黏、变脆、变色、失去强度等。因此，在编制时主要关注了低温、太阳辐射、湿热的影响，忽略了其他他非关键因素。采用直升机典型橡胶材料和密封剂材料进行实验室加速腐蚀老化试验。8360三元乙丙橡胶与HM119硫化聚硫密封剂经过实验室加速腐蚀老化试验与自然环境暴露试验露天暴露1年后，橡胶和密封剂试样的表面未出现鼓泡、裂纹、发粘等外观变化，材料硬度、拉伸强度及扯断伸长率等力学性能指标基本相同，2种材料目前对高原高寒环境适应性良好。8630典型橡胶材料和HM119室温硫化聚硫密封材料经过试验室加速试验后硬度、拉伸强度、扯断伸长率与外场实际暴露后基本相同、变换规律一致。

6 结论

1）编制的高原高寒腐蚀老化加速试验环境谱包含低温、湿热、紫外三个谱块，材料性能退化加速试验与外场暴露试验差别控制在8 %以内，涵盖高原高寒地区环境损伤的关键要素，加速试验环境谱构建基本合理；

2）8630 典型橡胶材料经过试验室加速试验和外场暴露试验后，基本没有发生老化、腐蚀现象，表面形貌变化不大，且硬度、拉伸强度、扯断伸长率基本保持不变，该材料目前对高原高寒环境适应性良好；

3）HM119室温硫化聚硫密封材料经过试验室加速试验和外场暴露试验后，基本没有发生老化、腐蚀现象，表面形貌变化不大，且硬度略有上升、拉伸强度和扯断伸长率略有下降，但变化较小不影响材料性能，该材料目前对高原高寒环境适应性良好；

4）编制的高原高寒腐蚀老化加速试验环境谱包含低温、湿热、紫外三个谱块，涵盖高原高寒地区环境损伤的关键要素，加速试验环境谱构建基本合理；8630典型橡胶材料和HM119室温硫化聚硫密封材料经过试验室加速试验后硬度、拉伸强度、扯断伸长率与外场实际暴露后基本相同、变换规律一致。