空空导弹和发射装置非金属结构及功能材料的适海性分析

肖 军，廖志忠，余治民，程 功

(1.中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009；2.空装驻洛阳地区第一军事代表室，河南 洛阳 471009)

0 引 言

非金属材料绝缘、透波、防腐蚀、烧蚀防热、弹性密封等特性使其在空空导弹和发射装置的红外透镜、透波窗口和天线罩等部位, 以及金属腐蚀防护、绝缘、密封、防热、减重、隐身等方面发挥着金属材料无法替代的作用，是产品不可或缺的一部分。

高湿、高温、盐雾和强紫外线等海洋环境因素促使金属腐蚀[1-2]的同时，也加速了非金属结构和功能材料性能的劣化、老化失效，由此产生的吸潮、变色、起泡、开裂、分层、脱粘等异常现象和理化、力学、电性能故障，严重影响了产品的正常使用；霉菌滋生易引起绝缘和透波性能劣化；虽然空空导弹和发射装置的主体结构多为钛/铝/镁合金、高强不锈钢和超高强度钢[1-2]，但防护金属腐蚀和异种金属电偶腐蚀，实现透波、绝缘、防热、减重、隐身等功能离不开非金属材料，产品的适海性因结构、材料和制造、使用维护、海洋环境的差异而大相径庭，关系到装备的使用、维修保障、部署和作战效能发挥[1-17]。

长期以来，材料老化/抗老化研究推动技术进步，海洋环境的老化与防护技术仍是世界范围的研究热点[3-18]。近年来，各种载荷、环境等因素引起非化学反应的有机高分子聚态结构改变，由水、油、腐蚀性或化学物质等环境中介质引发的溶胀、渗透、环境应力开裂、增塑剂和添加剂迁移、应力松弛/蠕变等介质老化备受关注。产品上的非金属结构和功能部件，如陶瓷头锥、陶瓷窗口等也涂覆了有机或无机-有机复合的三防漆。本文主要分析海洋环境性能劣化、老化、失效等对常用非金属结构和功能材料的影响，讨论其适海性的问题。

1 非金属材料

1.1 材料及特点

非金属材料通常指除金属以外的各种工程材料，在本文中主要指空空导弹和发射装置中起结构承载或发挥主要功能的非金属结构材料、功能材料和辅助材料。非金属辅助材料指连接产品结构、器件或附于上述结构，辅助其实现预定功能的导线、热塑套管、胶带等材料, 以及生产过程消耗性材料。

多数非金属材料属于电绝缘体。一些具有透光、透波、介电特性的非金属材料用于导弹天线罩、透镜或窗口结构，如蓝宝石红外透镜、氮化硅雷达天线罩和聚酰亚胺透波窗口等；有机非金属弹性体100%～1 000%的高弹性用于结构密封和阻尼减震，如各种结构密封件和密封胶；非金属无机陶瓷具有数千度的高熔点，碳/碳、碳/碳化硅和碳/酚醛烧蚀防热复合材料，以及防热涂层、隔热瓦或毡等材料被用于宇航飞行器和导弹热防护；三防漆、绝缘漆、隐身涂层广泛应用于金属结构的腐蚀防护、电器绝缘和隐身；润滑和防锈油/脂、MoS2干膜等用于减摩与防锈。有机非金属材料通常属于有老化、失效倾向的有寿材料。

1.2 分类及使用概况

空空导弹和发射装置使用的非金属材料的形态和性能各异，可分为9类：(1)无机和有机窗口、罩体等功能材料；(2)工程塑料和绝缘材料；(3)结构复合材料；(4)橡胶与密封材料；(5)防热材料；(6)封装与粘接材料；(7)防护涂层材料；(8)润滑与防锈材料；(9)辅助材料。

非金属材料应用广泛，如蓝宝石红外头罩和透镜、SCFS和氮化硅陶瓷天线罩、石英/聚酰亚胺透波窗口；PEEK或聚酯等绝缘件、承载框架和保护套，环氧树脂或PTFE或氰酸酯的PCB电路板；树脂基复合材料整流罩、气动面、支架，碳/酚醛发动机喷管；有机硅或氟-硅橡胶等密封圈、垫，结构封装与粘接用各种环氧胶、螺纹胶、硅橡胶，各种防护、隐身涂层，以及胶带、热塑套管等辅助材料。

2 海洋环境影响分析

2.1 海洋环境

高湿、高温、高盐雾、强紫外线(“三高一强”)，以及上述因素与霉菌的综合作用是海洋环境的主要特征[1]。海洋环境的湿度、温度、降雨量、日照辐射量等普遍高于内陆，见图1。如海南试验站[19]的年平均温度为24.7 ℃，年均相对湿度87%，年日照时数为2 425 h，45°年辐射总量为5 190 MJ/m2, 年降水量1 899 mm。

图1 内陆与沿海地区环境气候条件比较

2.2 对结构和产品的影响

2.2.1 海洋环境因素及作用

高湿、高温、强紫外线、强盐雾、多霉菌是热带和亚热带海洋有别于内陆之处[1-2]，这些因素叠加对非金属材料，尤其是有机非金属材料性能的劣化、老化、失效的影响更大，在更短的时间内即可产生外观、理化、力学、电性能或功能性故障。

与金属结构不同，非金属构件通常含吸潮或亲水性填料、组分，导致材料本身的吸潮率较高。海洋高湿环境会在物体表面形成水膜，水汽通过表面的微细孔隙、裂纹、破损等快速渗入，吸潮膨胀并产生内应力。海洋环境干/湿交替加速了这一过程，随水一起渗入的盐会进一步削弱、破坏材料界面之间的物理或化学结合力。强紫外线可引起三防漆、绝缘漆、防热和隐身涂层、树脂基复合材料、密封胶等材料中有机高分子链段或基团发生光致老化降解和水解老化降解反应。总的来说，高温、高湿有利于水汽渗透、溶胀，强紫外线、强盐雾则促进光致老化和水解老化降解。

海洋环境温度上升，湿度随之增大，材料分子化学反应的能量、速率增加，装备故障率加大。调查发现[12]，环境因素导致的故障约占故障总量60%。根据化学反应动力学原理，非金属老化反应速率K与环境温度T符合动力学关系：

K=Ae-(E/RT)

(1)

式中：A为有机非金属材料相关系数；R为气体常数；E为化学反应活化能；T为环境温度，单位为K。

由式(1)可知，温度越高，材料性能劣化、老化速率越快。不同于箱式/筒装导弹，空空导弹和发射装置在服役期内挂机值班期间直接暴露于风、砂、雨、雪、雹和海洋湿热、盐雾、强紫外线等严酷的大气环境中，承受挂飞巡航和起降过程振动、冲击、过载等动力学环境，温度交变冲击以及雨水、盐雾和砂石的冲蚀磨损，除此之外，还有多次挂弹和卸弹磨损、交变温度冲击、海面突防水雾冲刷等多重因素[1-2]叠加效应，因而故障频发。海洋暖湿环境(20～50 ℃/90%～100%)霉菌滋生产生霉变、腐蚀，带来光学透镜、透波窗口等非金属结构的性能劣化和故障隐患。

2.2.2 对产品的影响

(1)防护涂层

涂层在导弹和发射装置金属和非金属结构的三防、绝缘、防腐蚀、防热、隐身等防护和功能方面发挥着重要作用。持续暴露于“三高一强”的海洋环境中，潮气、盐雾渗透可引起涂层附着力下降，内应力、破损和缺陷增加，导致鼓包、开裂、脱粘等故障；强紫外线的光致老化与高温、高湿、水解老化降解等多因素的叠加，加速涂层的老化、失效进程，见图2。一项海洋环境涂层老化行为的研究[13]认为，海洋环境对聚氨酯涂层的光泽和力学性能影响大，失效机理与紫外线、温度、介质、潮气等因素有关，紫外线是失效主因。在另一项试验研究中[14]，海洋大气暴露的涂层出现失光-变色-粉化现象。试验第2年粉化5级、失光率大于90%；第3年附着力下降40%，涂层基本丧失防护作用。该研究认为紫外线光致降解和水解降解协同作用是失效主因，产生各种宏观和微观缺陷直至剥落失效。海洋大气暴露试验[1-2]表明，强紫外线和高湿、高温对挂机值班导弹和发射装置的三防漆、防热涂层的性能劣化作用显著，出现变色、失光、起泡、剥落等故障；涂层向阳面比背光面变化大；涂层破损部位的金属腐蚀比裸金属更严重[1-2]。其他有防潮涂层的外露结构、功能部件，如陶瓷头锥、陶瓷透波罩等亦有类似现象。

图2 海洋环境中涂层老化失效故障现象

(2)密封与胶粘

导弹和发射装置舱内器/组件、仪器仪表和接插件可靠性要求高，为避免潮气和盐雾渗入、长时间聚集而产生持续的腐蚀、短路等故障，常常需要密封防护。研究发现众多故障和事故与密封失效有关，世界范围内航空器40%～60%的故障与橡胶密封材料有关[20]。如1986年挑战者号航天飞机爆炸，7名宇航员丧生；1971年联盟11号飞船3名航天员牺牲。“O”型或异型硅橡胶等材料的密封圈、垫或密封胶广泛用于导弹和发射装置结构密封、防潮和防热[16]，舱段连接楔块和窗口接缝等密封部位暴露于海洋环境中, 容易产生渗漏和腐蚀，锈蚀又会促进密封失效、盐雾渗入，使舱内铝/镁合金框架、PCB和接插口腐蚀，导致承载与短路、信号异常等故障隐患。

光、热、水分、臭氧、化学介质等因素可造成橡胶弹性密封件在加工和使用过程中分子结构改变，导致外观和性能劣化、寿命缩短。物理老化和化学老化是橡胶密封常见现象[15]。结构密封效果取决于密封圈、垫或密封胶的弹性及保持率，长期接触润滑防锈油/脂、燃油等介质，介质中的小分子会渗入密封结构，引起分子链解缠、滑移，产生尺寸和质量增大、溶胀，以及弹性下降和渗漏故障。硅橡胶耐老化性能优良，但长期暴露于海洋高湿、高温、应力和介质环境, 会加速其性能劣化、老化失效[16]。观察发现[2]，海洋环境老化的硅橡胶出现变色、龟裂、疏松、多孔、力学性能劣化等现象；其微观结构发生改变；老化前后Si-O、Si-C键和基团出现变化。密封失效速率与环境条件有关，温/湿/盐是失效主因，霉菌滋生是另一诱因。王哲等人[11]编制加速试验环境谱开展海洋环境试验，发现丁腈橡胶、硅橡胶密封件经过热冲击、盐雾、紫外暴晒、紫外-周浸试验后，断裂强度和伸长率等力学性能劣化，保持率约85%。王雯霏等[18]研究认为，海洋湿、热、载荷、紫外线和化学介质等多因素交互协同作用，加速材料理化和力学性能劣化直至失效，温度是失效主因，热氧老化是主要形式。王伟伟等[21]对8种橡胶密封材料海洋典型环境研究发现，海洋高湿环境加速材料降解、缩短使用寿命。周鑫等[22]对乙丙、丁腈、氯丁、硅橡胶和氟橡胶等6种运载火箭常用密封材料加速老化试验表明，除硅橡胶外，其他材料老化机理以热氧老化为主，评估寿命趋近于自然老化寿命；而硅橡胶因水解断链导致弹性下降、压缩永久变形增大。在海洋环境试验[1-2]中，部分弹体外涂抹密封胶的钢结构、螺钉端部的硅橡胶变色、弹性下降，外置硅橡胶密封圈表面龟裂、变硬，比产品舱内的密封圈变化显著。

不同于钉、铆、螺栓等机械连接，胶粘具有结构简捷、应力分散、无接触电偶腐蚀、密封不漏、无异种材料焊接限制等优点，然而，海洋环境对胶粘结构力学性能和可靠性可产生负面影响，如产品用刚性环氧胶、弹性聚氨酯灌封胶结构在海洋高温、高湿、强紫外线、强盐雾、多霉菌和介质综合作用下，产生物理和化学老化，在振动、冲击载荷作用下胶粘强度持续下降直至失效[3, 23-25]。试验发现，潮气和盐雾渗透引起胶粘结构裂纹、脱粘、腐蚀、电气性能等故障，如激光引信罩渗水、吸潮引起信号异常、雷达天线罩介电性能故障等。一份环境因素-胶粘结构老化进程研究[23]表明，1年大气暴露试验，环氧胶剪切强度保持率分别为46.9%，60.1%和50.61%。分析认为，温/湿度和降雨是力学性能劣化的失效主因，而日照紫外辐射是光泽变化的失效主因。

(3)防热材料

弹体外防热涂层或防/隔热复合材料结构件多以有机树脂为基体，添加各种防/隔热、增强填料和改性组分制备而成；舱体内隔热层主要有低密度超细纤维毡(如超细玻纤隔热棉)或轻质隔热涂层(如TR-37隔热涂层)等。多数防/隔热填料有吸潮倾向，因而添加大量防/隔热填料的防热涂层(颜/基比高)、复合材料的耐热湿性能远比普通涂层、胶粘剂差，其加工面、破损外露部位吸潮后容易出现溶胀、鼓包、变形、开裂、脱粘等故障，热防护性能劣化，见图3。低密度纤维毡/玻璃棉也有吸潮倾向，受潮后的隔热性能显著劣化。导弹发动机喷管、推力矢量防热部件通常采用碳/碳复合材料或高硅氧/酚醛烧蚀复合材料，防潮漆局部破损或缺陷部位存在吸潮变形、性能劣化隐患。

图3 非金属防热结构的开裂、脱粘现象

(4)结构与功能材料

常见非金属功能结构有透镜、透波窗口和罩体、隐身复合材料结构等。虽然无机非金属材料透镜或陶瓷窗口、罩体耐高温、抗氧化，吸潮、长霉可导致其介电、透光性能劣化；如海洋环境外露的无机SCFS头锥、窗口、石英/聚酰亚胺引信罩表面防潮漆失效,导致电性能、强/刚度性能劣化。近年来，树脂基复合材料(PMC)海洋环境老化行为是国内外研究热点，涉及PMC海洋环境吸湿率、力学性能变化及机理、溶胀、纤维脱粘微观形貌[17]等。王跃等[26]对复合材料-金属胶补结构研究表明, 海洋环境湿热老化降低了胶补结构粘合力，提前出现脱粘故障，由内聚破坏转变为界面破坏。此外，海上长期服役PMC风电叶片的研究表明：叶片质量随湿热老化时间呈现增-减-增-减变化，裂纹不断增加、扩展，抗拉强度、模量低于同期内陆地区。红外光谱分析表明材料发生老化降解、含水量变化。

(5)润滑与防锈材料

润滑油/脂、防锈油/脂、MoS2干膜、PTFE塑料等材料可降低产品的运动阻力、功耗和磨损，可防锈、延长使用寿命, 对防止导弹发射卡滞、不离轨故障、舵面操控等十分重要。在海洋环境试验中[2]，部分产品外露摩擦副出现润滑、防锈油/脂在海洋高湿、高温、摩擦磨损环境中腐蚀的现象；固体润滑/防护材料耐极压、海洋环境防护、减摩和耐久性较好；钢结构表面的防锈油/脂在不足1个月内出现干涩和锈蚀现象。此外，根据产品外露摩擦副使用工况的差异和特点，开展了防锈油、润滑脂、硬膜防锈油、难燃型防腐蚀润滑干膜等材料的产品适海性试验，获得大量有价值的数据。

(6)其他

胶带、绑扎带、海绵等常用非金属辅助材料属于易受海洋环境影响，是有老化、失效倾向的有寿材料。在海洋环境试验中，出现含棉织物吸潮、长霉以及压敏胶带失粘、脱粘或胶-带分离、胶层残留等异常情况，存在可靠性、维修性隐患。实施线缆固定，隔离、封装等结构优化措施；采用压块、卡夹替代临时固定胶带；选用防潮、阻燃辅助材料等措施取得良好效果，提升了产品的适海性和维修性。

3 提升适海性

为满足空空导弹和发射装置适海性设计要求，产品设计首选适海性可靠的材料和有针对性的方案和技术路线；通过表面工程技术，结构优化设计，隔绝、减缓海洋环境对外露非金属结构及材料的不利影响，改善其服役环境；完善相关产品海洋环境维修保障措施。严控产品质量、降低缺陷可能带来的潜在风险。为此，开展了金属与非金属材料、典型结构与局部和完整产品，以及已有表面防护工艺和技术的海洋环境专项试验研究，获得了对材料体系、表面防护制造工艺技术适海性的认知；通过对改进方案相同条件下的平行试验，试验验证了结构优化设计、制造工艺和改进措施的有效性。从材料、表面防护工艺和质量改进的基础研究，以及产品工程技术创新同步推进。试验表明，提升防护层附着力和厚度、减少缺陷，对重要部位遮蔽防护等措施行之有效。

3.1 材料改进

采用适海性优良的材料体系、添加抗老化剂[1]、优化成型工艺，是改进材料适海性的有效途径，如共聚/共混改性，添加耐水解、抗老化填料，添加光稳定剂/紫外吸收剂降低光致老化，加防霉剂抑制霉菌，有机硅密封胶加CeO2提高耐油性和耐热性等[27]。

3.2 材料优选与优化设计

选用海洋环境工程应用成熟的非金属材料是保障产品适海性和可靠性的基础。如优选丙烯酸-聚氨酯或氟碳类涂层为三防漆，选用防水、防霉润滑防锈油/脂，在非金属结构表面涂三防漆或防潮涂料、镀金属防护层隔离海洋环境影响，完善舱段对接缝、外露窗口、测试口等缝隙和易受潮防热零件等结构的三防与密封设计，优化结构减少非金属结构直接暴露于三高一强海洋环境，避免水、盐、尘淤积的缝隙、死角等。

非金属结构与功能材料内部、相邻结构之间有众多宏观和微观界面，材料在海洋环境中性能劣化、老化、失效与上述界面两侧材料的属性、膨胀系数差异和物理化学相容性、使用工况等因素相关。导弹和发射装置非金属结构与功能材料往往处于各种载荷、湿、热、盐、油/脂等介质及海洋气候复杂环境中，这些因素的差异可导致性能劣化速率和老化失效机制显著不同，如外挂导弹的复合材料构件因巡航过程温度交变、水雾冲蚀作用，边缘部位容易分层、水/盐渗透而提前失效，可采用前/边缘包覆、层间缝合、防护涂层包覆等措施，有助于提升其适海性。

为减少海洋环境的不利影响，优化导弹和发射装置结构和材料、防潮密封、湿装配材料工艺，是结构兼容设计和生产制造不断研究与改进的工作。

3.3 制造工艺与质量

工程实践表明，材料选用与设计是产品适海性的基础，制造工艺和质量是保障。调研发现，舰载武器海洋环境的典型失效故障模式主要有：壳体金属腐蚀、表面三防漆起泡、接插件与活动部件锈蚀及卡滞等。海洋环境是诱发故障的失效外因，质量不严和缺陷是失效内因，如丙烯酸-聚氨酯、氟碳类蒙皮三防漆都满足1年以上海洋环境防护要求[1-2]，多数产品故障与清洗、喷涂(偏薄)、缺陷、密封渗漏等因素有关，图4为不洁净、漏包边和缺陷的故障。

图4 罩体三防漆脱粘、漆膜缺陷(×15)和边缘脱粘

成型、加工条件和历程的差异对非金属制品的质量和性能影响显著。影响因素有温/湿度、压力和历程，材料取向，切削速度和冷却液等。

各种防护漆/涂层是保护导弹和发射装置的金属和非金属结构免受海洋等环境因素损害的重要屏障，其破损、缺陷可引起外观差、渗漏等故障。为满足海洋环境服役需求，根据海洋环境试验发现的问题，开展制造工艺和质量控制技术攻关。其中，提升喷涂精度、质量和自动化程度，优化检测点和例试减少缺陷是重点的工作内容。

3.4 维修保障

鉴于海洋环境的显著影响，有必要对产品服役状况开展调研分析，找出结构和材料薄弱部位，制订适宜的有寿件清单和改进措施[28-29]。针对海洋环境对产品薄弱部位的影响、场站维修保障的特点，制订合理的检查、维修保障措施(调整备品备件材质和检查更换周期)，如定期检查、处置预案，易损备品备件准备[1-2, 11, 29]，提供外场便捷维修处理及方法等，写入产品使用说明书，加大培训和用户走访力度，对非金属透镜、窗口和天线罩等薄弱部位，如陶瓷头锥、聚酰亚胺引信窗口等结构，制作保护罩(帽)进行防护以及便捷维修处理。

4 试 验

4.1 试 验 件

非金属材料品种繁多、形态和性能各异，材料性能检测可参照本文分类，按材料规范和测试标准制样、检测，产品采用典型结构或模拟试验件、局部和整机产品[1-2]试验。试验件的形貌、加工、表面防护及应力等状况应能够表征产品实际状态。如聚酰亚胺引信罩试验件：(1)拉伸(GB/T 1040.4)、冲击(GB/T 1843)、电性能(GB/T 1408～1411)试样；(2)聚酰亚胺整流罩或局部舱段等。非金属试验件材料配制、热成型和加工工艺，复合材料试验件纤维取向、表面加工等差异，都会对适海性结果产生显著影响，采用经过振动、冲击等试验后的产品进行适海性试验更符合产品的实际情况。产品服役过程易划伤、碰撞破损的涂层、防热层等，还可制备预制破损、预制缺口试验件搭载适海性试验。

4.2 试验方法

(1)常用试验方法

适海性试验有自然与人工模拟海洋环境、自然老化与加速老化试验等方法。

不同于钢铁锈蚀，非金属结构和功能材料性能劣化过程外观上往往不易察觉，如复合材料电性能和强度/刚度变化，需要对比试验前后的测试数据,见图5。

图5 复合材料海洋环境试验件

以外观、性能及产品检测数据为依据进行试验评估，如防护涂层、功能/结构件要满足产品外观、结构完整性和功能性要求，无起皮、脱粘、开裂等需要返修的故障；不得出现转动和传动卡滞、摩擦系数过大、因锈蚀或承载下降影响使用；无难以拆卸、断裂等影响紧固件使用、维修保障的异常情况等。

(2)海洋大气暴露试验

不同海域环境对类别、品种和状态各异的非金属结构件影响的方式和程度不同，试验场地、周期和条件应与产品所处海洋环境、实际使用工况相符。非金属试验件海洋环境试验可出现变色、起皱、变脆、粉化、鼓包、水泡、脱粘等外观变化；性能劣化往往要通过涂层电阻抗、材料的力学和理化性能检测分析评判[3-8]；机理分析可借助红外光谱和红外显微镜、扫描电镜、热分析仪以及力学性能检测等手段。

(3)加速试验

加速试验[20, 22-32]有自然老化和加速老化试验方法。前者准确、可靠，但周期长、难以满足设计定型工程研制需要；后者通过强化主要环境影响因素，缩短试验周期。加速老化试验有单因素和多因素试验方法。由于加速老化试验简化了实际环境的影响因素，其结果与真实环境存在差异；为避免误差过大，仍需要开展真实的适海性试验对加速老化试验进行校正。鉴于海洋环境多因素综合影响的实际情况，采用不同加权因子的多因素加速试验方法逐渐为用户所接受，如温、湿、紫外光和应力综合试验等。空空导弹和发射装置的适海性试验应结合海洋环境、任务性质对已有试验方法剪裁、选用，才能获得工程应用。

非金属结构和功能材料的寿命加速试验方法将随着技术的发展和数据的积累逐步获得实际应用。

5 结 束 语

研究表明，海洋环境因素促使非金属结构和功能性材料的性能劣化、老化、失效，进而降低装备的可靠性及任务可靠度。通过适海性试验与研究，对发现的问题，优化制造工艺和质量、完善维修保障措施，可提升适海性；机载导弹和发射装置产品研发可借鉴适海性试验数据，通过完善材料优选、结构兼容优化设计和适海性试验验证，提升产品可靠性和使用寿命。