濕熱、鹽霧和霉菌對(duì)氧化鋁納米隔熱材料的性能影響

王曉艷 胡子君 孫陳誠(chéng) 王曉婷 宋兆旭

0 引言

導(dǎo)彈作為一種高可靠性武器裝備，必須在發(fā)射前采取各種措施在地面把潛在的缺陷減至最少［1］，貯存環(huán)境中的可靠性尤為重要［2］。氧化鋁納米隔熱材料以其耐高溫能力強(qiáng)、熱導(dǎo)率低、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)有望作為熱防護(hù)系統(tǒng)的隔熱材料應(yīng)用于導(dǎo)彈上［3－9］，但長(zhǎng)期貯存中，環(huán)境因素如：溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)、氣壓、霉菌等可能導(dǎo)致材料性能發(fā)生變化［10－13］。其中，文獻(xiàn)［14－15］認(rèn)為貯存環(huán)境的溫度或濕度均會(huì)對(duì)產(chǎn)品的固有貯存失效率產(chǎn)生重要影響。本文探討氧化鋁納米隔熱材料在國(guó)內(nèi)貯存典型環(huán)境，包括溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)和霉菌種類，對(duì)材料性能影響主要涉及隔熱和力學(xué)性能的變化，并分析變化原因，進(jìn)一步開(kāi)展材料組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，旨在通過(guò)優(yōu)化材料自身的組織結(jié)構(gòu)，將貯存環(huán)境對(duì)材料熱力性能的不利影響，降至最低，從而為決策部門提供訂購(gòu)生產(chǎn)、儲(chǔ)存布局和使用維護(hù)的決策數(shù)據(jù)［16－17］。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

氧化鋁納米隔熱材料（自制，主要成分為納米氧化鋁、陶瓷纖維和遮光劑）和防潮試劑（自制，主要成分為硅烷）。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)材料為纖維增強(qiáng)Al2O3納米隔熱材料，樣品密度分別為 0.45 g／cm3和 0.60 g／cm3，尺寸為 150 mm×150 mm×20 mm。防潮改進(jìn)試驗(yàn)件，是通過(guò)引入防潮試劑，在材料表面連接有機(jī)基團(tuán)的方式，并通過(guò)超臨界干燥進(jìn)行防潮處理，尺寸不變。

1.3 測(cè)試表征

采用掃描電鏡觀察試樣的微觀形貌（型號(hào)A?POLLO 300－INCA ENERGY 350／SCG620）；采用日本EKO，根據(jù)熱流計(jì)法測(cè)試材料的室溫?zé)釋?dǎo)率。

依據(jù)GJB150.9A—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行濕熱試驗(yàn)研究。其濕熱變化曲線如圖1所示，全程濕度控制在（95±5）%。本試驗(yàn)以24 h為一個(gè)循環(huán)周期，共進(jìn)行了10個(gè)周期。

圖1 濕熱測(cè)試圖（1個(gè)周期24 h內(nèi)）Fig.1 Chart of moist heat test in a period of 24 h

根據(jù)GJB150.11A—2009進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)使用交替進(jìn)行的24 h噴鹽霧和24 h干燥兩種狀態(tài)共96 h（2個(gè)噴霧濕潤(rùn)階段和2個(gè)干燥階段）的試驗(yàn)程序。試驗(yàn)溫度（35±2）℃。調(diào)節(jié)鹽霧的沉降率，使每個(gè)收集器在80 cm2的水平收集區(qū)內(nèi)（直徑10 cm）的收集量為（1～3） mL／h溶液。

根據(jù)GJB150.10A—2009開(kāi)展霉菌試驗(yàn)。采用的菌種及編號(hào)分別為：黃曲霉 Aspergillus flavus（編號(hào)：AS3.3950）、雜色曲霉 Aspergillus versicolor（編號(hào)：AS3.3885）、繩狀青霉 Penicillium funiculosum（編號(hào)：AS3.3875）、球毛殼霉 Chactomium globosum（編號(hào)：AS3.4254）、黑曲霉 Aspergillus niger（編號(hào)：AS3.3928），持續(xù)時(shí)間為 28 d。

上述的濕熱、鹽霧和霉菌試驗(yàn)，均在國(guó)家機(jī)械電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的步入式環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕熱試驗(yàn)

在進(jìn)行濕熱試驗(yàn)之前，先初步測(cè)試了不同密度樣品在 40℃、90%濕度，160 h 后的增重率。 0.45 g／cm3的 Al2O3納米隔熱復(fù)合材料增重率為 4.5%，0.6 g／cm3的Al2O3納米隔熱復(fù)合材料增重率為4.6%，均有比較明顯的增重現(xiàn)象。分析原因：氧化鋁納米隔熱材料是由納米顆粒和納米孔隙構(gòu)成的具有特殊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氧化鋁顆粒表面含有大量—OH功能團(tuán)，吸潮后會(huì)在表面形成一層“水膜”，大氣中的CO2、SO2等氣體會(huì)溶解在水膜中形成電解質(zhì)，使材料性能下降。對(duì)于納米隔熱材料，一旦吸潮后，毛細(xì)管凝結(jié)，在與金屬接觸時(shí)，會(huì)使金屬的臨界濕度下降，從而促進(jìn)金屬的腐蝕。為了避免濕熱給材料的儲(chǔ)存等帶來(lái)不確定的因素，需要對(duì)材料進(jìn)行防潮處理。于是通過(guò)在材料表面連接有機(jī)基團(tuán)—（CH3）n，以實(shí)現(xiàn)防潮疏水的目的。防潮后樣品的疏水效果非常明顯，接觸角均超過(guò)90°，且水滴不易在材料表面停留，水滴滾落處基本無(wú)肉眼可見(jiàn)痕跡。

濕熱試驗(yàn)前后材料的性能變化如表1中所示。以0.45 g／cm3的材料為例可以看出，材料未經(jīng)防潮處理的情況下，增重8.5%，熱導(dǎo)率明顯增加至0.047 W／（m·K），增長(zhǎng)了 51