系留氣球囊體材料快速老化試驗(yàn)研究

張志富

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，合肥 230088）

系留氣球是一種無動力氣球飛行器，依靠球體內(nèi)輕于空氣的氣體懸浮空中，通過纜繩系留在地面系留設(shè)施上。具有研制周期短、成本低、留空時間長、安全性好、使用方便、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在預(yù)警、技術(shù)偵察與監(jiān)視等軍用領(lǐng)域[1-2]。由于系留氣球常年暴露在室外，經(jīng)歷風(fēng)吹日曬，受到各種自然環(huán)境的影響，同時還受到外部載荷作用，所以囊體材料需要具備良好的力學(xué)性能、低密度、耐環(huán)境好、氣密性好、低蠕變和良好的工藝性等性能。目前，系留氣球囊體材料是一種高分子復(fù)合材料涂層織物，由多層材料壓制而成，主要包括承力層、氣密層和防護(hù)層[3]。承力層是囊體材料的核心層，幾乎承受囊體的全部強(qiáng)度，均由織物構(gòu)成；氣密層既可以是一個涂層，也可能僅僅是一層薄膜，是阻隔氣體泄漏的中間層；防護(hù)層是設(shè)置在最外面的結(jié)構(gòu)薄膜層，用于防護(hù)紫外線輻射。

目前，國內(nèi)對系留氣球壽命的評估才剛剛起步，沒有一個系統(tǒng)的評估方法[4]。在系統(tǒng)服役過程中，系留氣球的壽命是由囊體材料的壽命決定的，而囊體材料的壽命又是由其拉伸強(qiáng)度決定的。文中通過對囊體材料本體開展太陽輻射快速老化試驗(yàn)，測試囊體材料試驗(yàn)前后拉伸強(qiáng)度的變化，確定其抗老化性能，間接評估系留氣球壽命。

1 環(huán)境因素分析

對系留氣球影響最大的環(huán)境因素主要包括：溫度、濕度、霉菌、鹽霧和太陽輻射等[5-6]。在高溫的作用下，囊體材料的強(qiáng)度和彈性物理特性發(fā)生變化，加速老化，誘發(fā)材料開裂、分解。在低溫下，囊體材料的脆性增加，因折疊而脆裂，進(jìn)而導(dǎo)致壽命縮短或性能降低。濕度導(dǎo)致囊體表面覆蓋層的化學(xué)破壞，囊體分層、塑性或彈性變化，使強(qiáng)度和氣密性降低。霉菌主要表現(xiàn)在對材料的直接或間接侵蝕，使材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表面出現(xiàn)沙點(diǎn)，氣密性下降。鹽霧可使囊體材料表面發(fā)生分解，腐蝕表面涂層，使表面出現(xiàn)斑點(diǎn)，影響其氣密性。太陽輻射會使囊體材料發(fā)生熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)，造成材料分解、變色、涂層開裂、彈力和抗張力降低等。系留氣球一般長期處于室外，太陽輻射時間長，光照對材料性能影響最大。此外囊體材料是一種高分子紡織材料，載荷疲勞特性比較好，但是對大氣環(huán)境中的紫外線相對比較敏感，長期暴露在自然環(huán)境下，強(qiáng)度性能會持續(xù)下降，將嚴(yán)重影響氣球囊體的結(jié)構(gòu)安全。結(jié)合前期囊體材料單因素老化試驗(yàn)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)太陽輻射對囊體材料老化影響最大，所以選擇太陽輻射作為試驗(yàn)條件進(jìn)行老化試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

囊體材料為高分子復(fù)合材料涂層織物，試件按照FED-STD-191 TM5102《織物強(qiáng)度和延伸率的條狀測試方法》裁剪[8]，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件如圖1 所示。試件的有效長度為76 mm×25 mm，為了便于在拉力試驗(yàn)機(jī)上夾持，每端增加25 mm，并在端部兩側(cè)各熱合一層囊體布進(jìn)行加強(qiáng)，防止夾具將試驗(yàn)件損壞。在實(shí)際使用過程中，囊體材料外表面曝露在空氣當(dāng)中，內(nèi)表面不曝露。為了盡可能地模擬實(shí)際使用狀態(tài)，試件的裁剪寬度一般為正式拉伸試驗(yàn)的3~4 倍。對試件進(jìn)行折疊，封閉3 個重疊的自由邊，制作成一個封閉的簡易氣袋，以避免內(nèi)層暴露在外，防止試件內(nèi)表面進(jìn)水或者曝曬。試驗(yàn)時間內(nèi)測試9 次，每組試驗(yàn)件為5 件，共計(jì)45 件。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件（單位：mm）

該次試驗(yàn)件選擇材料徑向?yàn)橹骼旆较?，試樣?yīng)具有代表性，應(yīng)避開折皺、疵點(diǎn)，試樣距匹端至少3 m，距布邊150 mm，保證試樣均勻分布于樣品上。長邊平行于加載方向，裁剪線盡量平行于徑向，也就是試件兩頭的紗線盡量同根，且數(shù)量相同。為了比較準(zhǔn)確地反映囊體材料的整體性能，試件裁片按照錯位分布的方式裁剪，裁剪方式如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)件裁片方式

2.2 太陽輻射試驗(yàn)

太陽輻射老化試驗(yàn)采用氙燈人工氣候試驗(yàn)箱，型號為Ci65/DMC，光源水冷式氙燈（5~14 kW），黑板溫度為63~100 ℃，相對濕度為50%~98%，淋雨水壓為0.12~1.5 MPa，樣品架距燈300~375 mm，可360°旋轉(zhuǎn)。根據(jù)ASTM G155-05a 《非金屬材料的氙燈老化測試方法》，結(jié)合系留氣球的使用環(huán)境，試驗(yàn)時間為3000 h，采用試驗(yàn)條件見表1[7]。

表1 太陽輻射試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前要清潔試驗(yàn)件表面，確保無污染物、無損壞。將試驗(yàn)件放置到試驗(yàn)箱中，如圖3 所示，白色的一面對著中心的光源和噴水管，背面對著試驗(yàn)箱的內(nèi)壁。每天觀察試驗(yàn)件的外觀，不得出現(xiàn)明顯的變色、剝落、斑點(diǎn)或裂紋等變化，若出現(xiàn)明顯變化，停止試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)件在試驗(yàn)箱中的放置

2.3 性能檢測

性能檢測在室溫下進(jìn)行，記錄每個試驗(yàn)件的最大破斷拉力和斷裂時的長度。先將標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件固定在接近力傳感器一端的夾頭上，試樣長邊與加載方向平行，短邊與加載方向成直角。平行于長邊走向的紗線與夾具兩邊的外緣齊平，以保證上、下夾頭夾住的紗線相同，再夾持下端夾頭，確認(rèn)兩夾具間的距離為(76.0±1.0) mm。開啟拉力計(jì)，勻速運(yùn)動，速度為(305.0±13.0) mm/min。

采用WDW-E2000 微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉力測試，其最大拉伸力可達(dá)200 kN，最大拉伸行程為400 mm，最大壓縮行程為400 mm，有效試驗(yàn)寬度為575 mm，位移分辨率為0.01 mm，測試精度高。拉伸試驗(yàn)依據(jù)FED-STD-191 TM5102《織物強(qiáng)度和延伸率的條狀測試方法》。試驗(yàn)測試采用等時間間隔法，間隔375 h。試樣取出后，在正常的大氣條件下放置24 h，再按照要求裁成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件。

3 結(jié)果與分析

當(dāng)數(shù)值離散比較大時，去掉離散比較大的數(shù)值，再求算術(shù)平均值。拉伸強(qiáng)度按式（1）計(jì)算[8]：

式中：X 為試樣的平均破斷強(qiáng)力，N；S 為試件的拉伸強(qiáng)度，N/cm；b為試件的寬度，cm。

拉伸強(qiáng)度的變化率按式（2）計(jì)算[8]：

式中：φ 為拉伸強(qiáng)度的變化率，%；St試驗(yàn)t 小時后的拉伸強(qiáng)度，N/cm；S0為試驗(yàn)前的拉伸強(qiáng)度，N/cm。

斷裂伸長率按式（3）計(jì)算[8]：

式中：εt為斷裂伸長率，%；Lt為試驗(yàn)t 小時的斷裂長度，mm；L 為試件的初始長度，mm。

囊體材料在老化條件下的拉伸強(qiáng)度隨時間的變化關(guān)系如圖4 所示，拉伸強(qiáng)度變化率與時間的關(guān)系如圖5 所示。從圖4 和圖5 可以看出，試驗(yàn)0~375 h 時，拉伸強(qiáng)度變化較小，只下降了5.92%；在375~1 125 h 時，拉伸強(qiáng)度下降較快，下降了41.57%；從1 125~1 875 h，變化比較平緩，之后又突然下降；到3 000 h 時，拉伸強(qiáng)度為395.2 N/cm，下降了56.01%。

圖4 囊體材料在老化條件下的拉伸強(qiáng)度-時間曲線

圖5 囊體材料在老化條件下的拉伸強(qiáng)度變化率-時間曲線

在老化條件下，囊體材料的斷裂伸長率隨時間的變化關(guān)系如圖6 所示。在0~750 h，斷裂伸長率隨試驗(yàn)時間的增長而下降，從4.9%下降到4.4%；在750~2 250 h，斷裂伸長率隨試驗(yàn)時間增長而增加，從4.4%增加到7.7%；在2 250~3 000 h，又開始下降，從7.7%下降到3.9%。

囊體材料老化前后的表面狀態(tài)如圖7 所示，可以看出，囊體材料經(jīng)過老化之后，表面發(fā)黃，有粉末狀的顆粒出現(xiàn)，有了一定程度的老化，強(qiáng)度必然會降低。

圖6 囊體材料在老化條件下的斷裂伸長率-時間曲線

圖7 囊體材料老化前后的表面狀態(tài)

囊體材料在試驗(yàn)過程中，拉伸強(qiáng)度隨試驗(yàn)時間的變化近似一個二次方程下降趨勢。通過囊體材料拉伸強(qiáng)度下降到設(shè)計(jì)限制指標(biāo)經(jīng)歷時長，可以算出所需要的老化試驗(yàn)時間。計(jì)算老化試驗(yàn)氙燈輻照量，參考紫外輻射在太陽光譜中能量僅占太陽總輻射量的8%[9]及某地區(qū)全年太陽輻射總量，估算囊體材料在某地區(qū)室外可以使用的年限。假設(shè)該囊體材料在山東地區(qū)使用，山東地區(qū)全年的太陽輻照量約為 5852~6680 MJ/m2[10]，全年紫外輻射量約為468~534 MJ/m2，試驗(yàn)室老化時間為3000 h，輻照量為1 285.2 MJ/m2，相當(dāng)于室外照射2.4~2.7 年。該試驗(yàn)結(jié)果為估算系留氣球使用壽命提供了依據(jù)。

4 結(jié)語

由于受到外部環(huán)境的影響，在使用過程中，囊體材料的力學(xué)性能不可避免地會出現(xiàn)下降，影響因素比較多，過程復(fù)雜，是多因素共同作用的結(jié)果。單從某一個方面研究，可以大體估算系留氣球的壽命，但存在不準(zhǔn)確性。要想較好地確定囊體材料壽命，還要更進(jìn)一步地開展囊體材料實(shí)驗(yàn)室老化試驗(yàn)與自然老化試驗(yàn)的比對，比較準(zhǔn)確地確定這兩種試驗(yàn)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性，從而建立通過實(shí)驗(yàn)室老化試驗(yàn)來估算系留氣球壽命的有效方法。