吸波泡棉貯存狀態(tài)下的老化壽命預(yù)估

羅丹，楊華明，楊萬(wàn)均，肖敏，陳星昊，陳源

（中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039）

引言

吸波泡棉的主要功能是改變雷達(dá)波或其他電磁波的輻射分布，其應(yīng)用不僅是軍事上隱身與反隱身、對(duì)抗與反對(duì)抗的范圍。其主要用于電子裝備/設(shè)備內(nèi)部，既可以填充空隙，又具有很好的吸波作用[1-5]。吸波泡棉的老化，不僅會(huì)降低其品質(zhì)和壽命，而且其結(jié)構(gòu)完整性直接關(guān)系著吸波性能發(fā)揮，其物理結(jié)構(gòu)損壞，將大大增加雷達(dá)波的反射率，造成屏蔽或隱身失效。而物理結(jié)構(gòu)的變化通常表現(xiàn)為力學(xué)性能指標(biāo)的改變，因此，吸波泡棉的力學(xué)性能是其重要的特征參數(shù)之一，本文選擇了拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率這兩項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，研究其在5個(gè)不同溫度點(diǎn)下的力學(xué)性能，通過(guò)計(jì)算得出不同溫度條件下的老化速率常數(shù)，進(jìn)而外推常溫貯存（通常為25 ℃）條件下的老化速率常數(shù)，建立常溫貯存條件下的性能退化方程，根據(jù)確定的力學(xué)性能失效判據(jù)，在置信度不低于95 %、常溫貯存25 ℃條件下，計(jì)算得出吸波泡棉的老化壽命。以期為考核吸波泡棉的耐老化性能，有效地指導(dǎo)實(shí)際使用和貯存。

1 試驗(yàn)與測(cè)試

1.1 試驗(yàn)樣品

本文采用吸波泡棉拉伸試樣，按GB/T 6344-2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》規(guī)定的試樣參數(shù)和試樣數(shù)量進(jìn)行試樣制備，試樣按同一方向利用刀模從厚度為20 mm的平板型樣品上切割而成，尺寸參數(shù)如圖1所示，制備好的吸波泡棉拉伸樣見(jiàn)圖2。

1.2 熱分析測(cè)試及溫度點(diǎn)確定

為合理確定吸波泡棉的最高試驗(yàn)溫度，首先采用Q600 SDT同步熱分析儀對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行熱分析測(cè)試，當(dāng)溫度為130 ℃的時(shí)候，該材料的熱失重達(dá)到1 %，所以初步確定最高熱老化試驗(yàn)溫度為130 ℃。超過(guò)此溫度點(diǎn)時(shí)，熱失重出現(xiàn)了非線性特征，說(shuō)明此時(shí)材料老化出現(xiàn)了突變，即老化機(jī)理已發(fā)生改變[6]。因此為了保證老化試驗(yàn)中的機(jī)理一致性，將試驗(yàn)溫度下降10 ℃，最終確定最高熱老化試驗(yàn)溫度為120 ℃。

1.3 熱老化試驗(yàn)

文中以吸波泡棉為試驗(yàn)對(duì)象，選定了5個(gè)溫度條件，參照GB/T 7141-2008《塑料熱老化試驗(yàn)方法》開(kāi)展熱老化試驗(yàn)，具體試驗(yàn)步驟如下：

1）根據(jù)確定的最高試驗(yàn)溫度，選擇了80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃五個(gè)試驗(yàn)溫度條件。

2）按確定的溫度條件，將熱老化試驗(yàn)箱設(shè)置到所需要的溫度。穩(wěn)定2 h后，將采用覆膜包覆的試樣均勻放置于試驗(yàn)箱中，并記錄試驗(yàn)時(shí)間。

3）當(dāng)老化試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到預(yù)定的取樣檢測(cè)周期，從熱老化試驗(yàn)箱中取出一組試樣，去掉覆膜，按要求進(jìn)行測(cè)試。

4）當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到最后一個(gè)取樣周期（64天），或已經(jīng)超出失效判據(jù)，停止試驗(yàn)。

本試驗(yàn)在熱老化試驗(yàn)箱中開(kāi)展，試驗(yàn)情況如圖3所示。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

每次從試驗(yàn)箱中取出的拉伸試樣，按照GB/T 2918-2018《塑料 試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境》要求，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（23 ℃±2 ℃）下放置24 h后，采用GB/T 6344-2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》規(guī)定的方法，使用精密電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試，并記錄該材料的拉伸強(qiáng)度值、斷裂伸長(zhǎng)率值。

圖1 吸波泡棉拉伸試樣尺寸（厚度20 mm）

圖2 制備好的吸波泡棉拉伸樣

圖3 吸波泡棉熱老化試驗(yàn)情況

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

吸波泡棉拉伸試樣和斷裂伸長(zhǎng)率試樣在經(jīng)過(guò)為期64天的熱老化試驗(yàn)后，五個(gè)溫度點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率平均值見(jiàn)表1和表2。

2.2 老化壽命表征參數(shù)確定

通過(guò)對(duì)表1、表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以看出吸波泡棉的拉伸強(qiáng)度在試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了較大幅度的波動(dòng)，下降趨勢(shì)與試驗(yàn)溫度的相關(guān)性較弱，如圖4所示；而斷裂伸長(zhǎng)率在試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出了較為明顯的下降趨勢(shì)，且下降幅度與試驗(yàn)溫度呈正相關(guān)關(guān)系，如圖5所示。因此，本試驗(yàn)選擇試樣斷裂伸長(zhǎng)率作為基于力學(xué)性能的老化壽命表征指標(biāo)。

表1 吸波泡棉拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)

表2 吸波泡棉斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)

2.3 失效判據(jù)確定

失效判據(jù)確定為吸波泡棉斷裂伸長(zhǎng)率下降到85 %，則認(rèn)為產(chǎn)品失效，即失效判據(jù)為原始值的0.5倍。

2.4 斷裂伸長(zhǎng)率保留率計(jì)算

斷裂伸長(zhǎng)率保留率按式（1）計(jì)算獲得：

式中：

Ps—該種材料第i次取樣試樣斷裂伸長(zhǎng)率保留率；

Ii—該種材料第i次取樣試樣品斷裂伸長(zhǎng)率值；

I0—該種材料斷裂伸長(zhǎng)率原始值。

對(duì)表2中吸波泡棉斷裂伸長(zhǎng)率的數(shù)據(jù)按照式（1）計(jì)算后，斷裂伸長(zhǎng)率保留率的變化趨勢(shì)如圖6所示。

2.5 基于力學(xué)性能的老化壽命預(yù)估基本原理

由于該材料屬于高分子材料，在熱老化過(guò)程中，其力學(xué)性能保留率P與老化時(shí)間τ的關(guān)系可用公式（2）進(jìn)行描述：

圖4 吸波泡棉拉伸強(qiáng)度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化趨勢(shì)

式中：

P—老化時(shí)間為τ時(shí)的性能保留率；

τ—老化時(shí)間，d；

K—性能變化的速率常數(shù)，d-1；

A—常數(shù)；

α—修正系數(shù)，常數(shù)。

如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示lnP與τα線性相關(guān)關(guān)系顯著，即相關(guān)系數(shù)大于查表值時(shí)，式（2）中則α取1；如果線性關(guān)系不顯著，參數(shù)α采用逐次逼近法計(jì)算獲得，逼近準(zhǔn)則是α精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位時(shí)，使式（3）中I最?。?/p>

式中：

Pij—第i個(gè)老化試驗(yàn)溫度下，第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)的性能變化指標(biāo)試驗(yàn)值；

—第i個(gè)老化試驗(yàn)溫度下，第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)的性能變化指標(biāo)預(yù)測(cè)值。

老化特性指標(biāo)變化的速率常數(shù)K與溫度T的關(guān)系服從Arrhenius方程，見(jiàn)式（4）：

式中：

T—絕對(duì)溫度，K；

E—表觀活化能，J·mol-1；

Z—頻率因子，d-1；

R—?dú)怏w常數(shù)，J·K-1·mol-1。

通過(guò)熱老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算得出不同溫度條件下的力學(xué)性能老化速率常數(shù)，進(jìn)而可外推預(yù)測(cè)常溫（通常為25 ℃）條件下的老化速率常數(shù)。根據(jù)確定的失效臨界值，可以在置信度為90 %或95 %、溫度為25 ℃條件下，計(jì)算出相應(yīng)產(chǎn)品基于力學(xué)性能變化的老化壽命。

2.6 數(shù)據(jù)處理過(guò)程

1）首先進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差處理，剔除粗大誤差；

2）選取吸波泡棉的斷裂伸長(zhǎng)率作為評(píng)定指標(biāo)，計(jì)算其保留率；

3）進(jìn)行曲線擬合和檢驗(yàn)；

4）計(jì)算變化速率常數(shù)；

5）建立常溫條件下的老化方程；

6）代入常溫貯存條件進(jìn)行計(jì)算；

表3 吸波泡棉斷裂伸長(zhǎng)率保留率與試驗(yàn)時(shí)間擬合方程

表4 25 ℃下吸波泡棉斷裂伸長(zhǎng)率保留率變化參數(shù)計(jì)算結(jié)果

7）預(yù)估吸波泡棉的貯存壽命。

從圖6中吸波泡棉斷裂伸長(zhǎng)率保留率的變化趨勢(shì)來(lái)看，其與試驗(yàn)時(shí)間符合式（2）描述的規(guī)律，因此,按照以上的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，進(jìn)行回歸計(jì)算，采用逐次逼近法求得吸波泡棉α=0.51。

得到5個(gè)老化溫度下吸波泡棉斷裂伸長(zhǎng)率變化的擬合方程，見(jiàn)表3。

從表3中可以看出，吸波泡棉的lnP與τα線性相關(guān)系數(shù)大于查表值，說(shuō)明在95 %置信度下，lnP與τα的線性關(guān)系顯著。

進(jìn)一步計(jì)算，得到吸波泡棉在常溫貯存條件（25 ℃）下，老化壽命時(shí)間τ與斷裂伸長(zhǎng)率保留率關(guān)系方程式中各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表4。

將所確定的失效判據(jù)0.5，常溫貯存條件25 ℃，以及表4中的參數(shù)代入式中，計(jì)算獲得吸波泡棉的老化壽命約7.6年，置信度為95 %。

吸波泡棉以力學(xué)性能（斷裂伸長(zhǎng)率）低于原始值的50 %為失效判據(jù)，在常溫條件（25 ℃）下，老化壽命約7.6年，置信度為95 %。