民機(jī)蒙皮材料紫外老化加速環(huán)境譜研究

李毓鎮(zhèn)，李莊，李凌飛，楊緒帥

民機(jī)蒙皮材料紫外老化加速環(huán)境譜研究

李毓鎮(zhèn)1，李莊2，李凌飛1，楊緒帥1

（1.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191；2.中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

研究紫外輻射環(huán)境對(duì)蒙皮材料的性能退化影響，進(jìn)而對(duì)民機(jī)的紫外輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，并依據(jù)其使用環(huán)境編制加速環(huán)境譜。通過(guò)分析民機(jī)的任務(wù)特點(diǎn)和使用環(huán)境，基于民機(jī)巡航高度下紫外輻射強(qiáng)度的仿真結(jié)果和相關(guān)紫外環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，提出了適用于民機(jī)蒙皮材料的紫外老化加速環(huán)境譜，給出了各試驗(yàn)條件的確定方法，以及加速環(huán)境譜與外場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境的當(dāng)量加速關(guān)系。以民機(jī)機(jī)身部位蒙皮試樣為例，初步開展了若干周期的紫外老化試驗(yàn)，蒙皮表面材料的形貌改變和性能退化驗(yàn)證了所提出的加速環(huán)境譜的可行性。

民用飛機(jī)；蒙皮材料；紫外輻射；環(huán)境試驗(yàn)；加速環(huán)境譜；當(dāng)量加速關(guān)系

當(dāng)飛機(jī)處于巡航高度時(shí)，大氣的紫外輻射環(huán)境對(duì)蒙皮涂層的影響較為突出。民機(jī)蒙皮表面的涂層屬于高分子材料，在紫外線的長(zhǎng)期照射下，化學(xué)鍵容易被破壞，從而發(fā)生老化分解，最終影響涂層對(duì)基體金屬的保護(hù)作用，為民機(jī)高空飛行的安全性帶來(lái)隱患[1-3]。因此，必須研究紫外輻射對(duì)民機(jī)蒙皮材料性能退化的影響，為開展民機(jī)的紫外輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

民機(jī)的實(shí)際使用年限較長(zhǎng)，通常超過(guò)25 a，在外場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境下，觀察其特性的改變，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了減少試驗(yàn)時(shí)間，需要通過(guò)加速試驗(yàn)的方法加速材料的損傷老化過(guò)程，在較短的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)達(dá)到民機(jī)使用一定時(shí)間后的材料老化效果。因此，加速環(huán)境譜的編制和加速環(huán)境譜與外場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境當(dāng)量加速關(guān)系的確定則是實(shí)施加速試驗(yàn)的重要前提。

目前，橡膠、涂層、玻璃等高分子材料的紫外老化試驗(yàn)已經(jīng)得到了廣泛研究[4-14]，現(xiàn)有的紫外輻射標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)對(duì)象也多為橡膠、涂層、塑料等非金屬材料[15]。考慮到民機(jī)復(fù)雜的民機(jī)系統(tǒng)和任務(wù)環(huán)境，以民機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象的紫外輻射標(biāo)準(zhǔn)還未制定。同時(shí)，以民機(jī)典型材料為試驗(yàn)對(duì)象的紫外輻射研究，試驗(yàn)方法也各不相同，輻射量和結(jié)果大相徑庭。本文在分析民機(jī)任務(wù)特點(diǎn)和使用環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合巡航高度下紫外輻射強(qiáng)度的仿真結(jié)果和已有的國(guó)內(nèi)外研究成果，提出了適用于民機(jī)蒙皮材料的紫外老化加速環(huán)境譜，以及相應(yīng)的當(dāng)量加速關(guān)系，并通過(guò)典型蒙皮材料的紫外老化試驗(yàn)，驗(yàn)證了加速環(huán)境譜的可行性。

1 民機(jī)任務(wù)特點(diǎn)和使用環(huán)境分析

1.1 民機(jī)任務(wù)特點(diǎn)

在民機(jī)的使用壽命期內(nèi)，實(shí)際飛行時(shí)間所占的比例不可忽視，民用客機(jī)或運(yùn)輸機(jī)平均每天的飛行時(shí)間為6～10 h，與地面停放時(shí)間之比為0.35～0.7[16]。民機(jī)在巡航飛行和地面停放時(shí)，其紫外輻射環(huán)境存在較大的不同。因此，在編制民機(jī)加速環(huán)境譜時(shí)，要同時(shí)考慮民機(jī)巡航環(huán)境和地面停放環(huán)境對(duì)蒙皮材料的紫外老化影響。不同飛機(jī)飛行時(shí)達(dá)到的最大高度不同，除了公務(wù)機(jī)的飛行高度可以達(dá)到15 km外，一般情況下，民機(jī)的飛行高度不會(huì)超過(guò)13 km。

1.2 紫外輻射環(huán)境分析

太陽(yáng)輻射波中，波長(zhǎng)在200～400 nm范圍內(nèi)的非可見(jiàn)光叫作紫外線，其中長(zhǎng)波紫外線（320～400 nm）有超過(guò)98%的能量能夠穿過(guò)臭氧層和云層；中波紫外線（280～320 nm）的穿透力較弱，臭氧層可以吸收大部分的輻射能量，只有不足2%能夠穿過(guò)臭氧層；短波紫外線（200～280 nm）的穿透能力最弱，其全部的輻射能量基本被平流層的臭氧吸收[17]。因此，造成高分子材料化學(xué)鍵斷裂的紫外輻射波長(zhǎng)在280～400 nm，其輻照能量在整個(gè)光譜能量中占比為6.8%。

表1 光譜能量分布

Tab.1 Spectral energy distribution

2 加速環(huán)境譜的編制

通過(guò)分析民機(jī)實(shí)際使用地區(qū)的環(huán)境資料和使用時(shí)間，確定加速環(huán)境譜中的試驗(yàn)條件。本文以海南地區(qū)為例，編制針對(duì)民機(jī)蒙皮材料的紫外老化加速環(huán)境譜。在編制過(guò)程中應(yīng)注意，加速環(huán)境譜既要反映民機(jī)的實(shí)際使用情況，又要縮短試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本，且易于操作，能夠在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)。

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 紫外輻射量

為了計(jì)算民機(jī)1 a地面接受的紫外輻射量，可以從民機(jī)停放紫外輻射與軍機(jī)所接受輻射量對(duì)比估計(jì)得到。文獻(xiàn)[18]通過(guò)紫外照射試驗(yàn)結(jié)果與多架飛機(jī)外場(chǎng)使用不同年限涂層情況對(duì)比，確定了軍機(jī)每年接受的紫外輻射量是5.18 MJ/m2，對(duì)應(yīng)接受照射的天數(shù)是120 d。對(duì)于民機(jī)蒙皮而言，其全年365 d均接受光照，因此民機(jī)1 a地面接受的紫外輻射量為15. 8 MJ/m2。

對(duì)于巡航高度下的紫外輻射量，采用輻射傳輸?shù)挠?jì)算模式，考慮傳輸過(guò)程中的主要影響因素計(jì)算巡航高度下紫外輻射強(qiáng)度。紫外輻射在空氣中的傳輸過(guò)程受到許多因素的影響，大氣臭氧、太陽(yáng)高度、云量和氣溶膠是影響紫外傳輸?shù)闹饕蛩豙19]。

1）氣溶膠對(duì)紫外線的散射和吸收是引起紫外輻射強(qiáng)度改變的重要原因，不同厚度的氣溶膠對(duì)紫外強(qiáng)度的衰減有不同的影響，而且氣溶膠的尺度、時(shí)間和空間都有很大的變化，增加了傳輸計(jì)算的難度。同時(shí)氣溶膠的散射遵從Mie散射，散射的橫截面積隨波長(zhǎng)變化[20]。因此，氣溶膠是影響巡航紫外輻射的一個(gè)重要因素。

2）一般情況下，云高為2 500～8 000 m，飛機(jī)巡航高度一般在10 000 m左右，所以云對(duì)巡航高度下紫外輻射的影響較小。

3）臭氧主要分布在平流層中，吸收紫外線的能力較強(qiáng)，臭氧的垂直分布是影響紫外傳輸?shù)闹匾?。由?3 000 m巡航高度處的臭氧濃度明顯小于30 000 m處的臭氧濃度，所以此時(shí)臭氧對(duì)紫外線有一定的吸收效果，但不是主要影響因素。

4）民機(jī)處于巡航飛行時(shí)，天頂角在不斷變化，所以不考慮此因素對(duì)紫外輻射的影響。

5）地表的反射對(duì)大氣吸收紫外有一定的影響。大多地表的紫外輻射的反射率在0.01～0.1。除了新雪的反射率可以達(dá)到83.5%外，其余地表的反射率均很小，對(duì)紫外輻射的影響有限[21]，不考慮其對(duì)巡航高度下紫外輻射的影響。

經(jīng)以上分析可知，民機(jī)巡航飛行時(shí)，影響紫外傳輸過(guò)程的主要因素是氣溶膠，利用Disort傳輸模型和Libratran計(jì)算軟件計(jì)算巡航高度下的紫外輻射強(qiáng)度[22-23]。將氣溶膠設(shè)為默認(rèn)值，暫不考慮其他因素，波長(zhǎng)設(shè)置為280～400 nm，海拔高度為13 000 m，差值為1.5，計(jì)算模型為Disort。巡航高度的水平輻照度和擴(kuò)散向下輻照度如圖1所示，總向下輻照度為兩者之和。為了快速分析高分子材料的耐紫外性能，基于兩者的峰值進(jìn)行計(jì)算總輻照度，故民機(jī)巡航高度處的紫外輻照強(qiáng)度為1.68 W/m2。由于我國(guó)民機(jī)的平均飛行時(shí)間約為8 h，所以巡航高度處的紫外輻射總量為17.66 MJ/m2。因此，民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品的典型材料1 a內(nèi)接受的紫外輻射總量近似為33.46 MJ/m2。

圖1 巡航高度的輻照度

2.1.2 紫外照射時(shí)間

不同的試驗(yàn)?zāi)康?，高分子材料的紫外照射時(shí)間也各不相同。ISO的紫外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，1個(gè)試驗(yàn)周期為24 h，按照試驗(yàn)方法，紫外照射時(shí)間分為8、20、24 h。8 h是為了盡可能模擬實(shí)際情況，20 h是為了考察光效應(yīng)，考慮到民機(jī)高分子材料失效主要原因也是光效應(yīng)，所以照射時(shí)間應(yīng)在20 h左右。我國(guó)海南地區(qū)紫外線最嚴(yán)重時(shí)，1 d有光的照射時(shí)間在14 h左右，故將照射時(shí)間暫定為14 h。

2.1.3 試驗(yàn)溫度

高溫會(huì)加劇高分子材料的紫外老化進(jìn)程，已有標(biāo)準(zhǔn)均推薦了紫外老化試驗(yàn)各階段的黑板溫度值，通常是參考高分子材料使用地區(qū)的夏季最高地面溫度確定黑板溫度的量值。參考GB 2423.24[24]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)海南地區(qū)的平均溫度是21.9 ℃，1年的溫度峰值是37.7 ℃，1 d中該峰值溫度持續(xù)時(shí)間約為4 h。民機(jī)的材料接受紫外輻射后，實(shí)際溫度會(huì)比最高溫度高出10 ℃，所以把試驗(yàn)條件中的溫度暫定為(55±10) ℃。

2.1.4 燈源的選擇

大部分的測(cè)試中都采用UVA-340燈源，可以很好地模擬太陽(yáng)光的紫外線部分，UVA-351用于模擬穿透材料后的紫外輻射情況。若要用于人工加速試驗(yàn)，可選用UVB-313燈源[25]，其發(fā)射的短波波長(zhǎng)更短，破壞性更強(qiáng)。為了紫外輻射試驗(yàn)?zāi)茏畲蟪潭鹊丶铀俨牧侠匣?，快速分析材料的耐紫外輻射性能，本文采用UVB-313燈。

2.2 加速環(huán)境譜

根據(jù)以上分析，最終得到的加速環(huán)境譜如圖2所示。以24 h為1個(gè)循環(huán)，紫外照射時(shí)間為14 h，高溫持續(xù)時(shí)間為4 h，增溫和降溫均為2 h，相對(duì)濕度是65%。根據(jù)試驗(yàn)具體要求，設(shè)計(jì)紫外試驗(yàn)箱，本文使用UVB-313燈，在310 nm波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度為0.66 W/m2，轉(zhuǎn)化為總輻照度的轉(zhuǎn)換系數(shù)為47.91。根據(jù)紫外環(huán)境模擬需求和紫外輻射的特點(diǎn)設(shè)計(jì)紫外輻射試驗(yàn)箱，紫外老化試驗(yàn)箱（8臺(tái)燈）中暴露1循環(huán)的輻射總量為12.7 MJ/m2。

圖2 加速環(huán)境譜

3 當(dāng)量加速關(guān)系

基于紫外輻射總量計(jì)算加速環(huán)境譜的加速因子a，以相同輻射量為理論基礎(chǔ)，計(jì)算紫外輻射試驗(yàn)箱產(chǎn)生民機(jī)z時(shí)間段內(nèi)接受的紫外輻射量所需要的時(shí)間r，z和r的比值即是加速因子a[26]。因此，紫外老化試驗(yàn)箱產(chǎn)生民機(jī)1 a接受的紫外輻射量的時(shí)間2.63 d，則加速因子為138。

目前的紫外輻射環(huán)境試驗(yàn)的研究中，對(duì)加速因子的范圍沒(méi)有明確的要求。為了節(jié)約時(shí)間和成本，在短時(shí)間內(nèi)分析材料的性能變化，加速因子在100左右可以接受。

4 實(shí)例

為驗(yàn)證上述加速環(huán)境譜的可行性，選取民機(jī)機(jī)身部位的蒙皮試樣在上述加速環(huán)境譜下試驗(yàn)若干周期。試驗(yàn)件以LY12作為基材，以H06-27鋅黃底漆和S04-81聚氨酯面漆作為防護(hù)涂層。制備6個(gè)尺寸大小為25 mm×25 mm的試樣（其中1個(gè)作為對(duì)照試樣），如圖3所示。

經(jīng)紫外輻照若干周期后，試樣的光學(xué)顯微照片（從左至右輻射時(shí)間逐漸增加）如圖4所示?？梢钥闯觯诮?jīng)過(guò)紫外照射若干周期后，試樣表面局部出現(xiàn)不同程度的起泡現(xiàn)象。

圖3 蒙皮試樣

圖4 紫外輻照后試樣照片

機(jī)身蒙皮試樣的UV-vis表面反射光譜如圖5所示。在經(jīng)過(guò)紫外照射后，蒙皮表面的反射率有輕微的下降，其原因主要有2方面：一方面，蒙皮接收紫外輻照后表面鼓泡，形貌改變引起反射率的下降；另一方面，蒙皮表面涂層材料性能的改變?cè)斐煞瓷渎实南陆怠?/p>

圖5 蒙皮試樣表面反射光譜

5 結(jié)論

1）本文在Libradtran紫外輻射強(qiáng)度仿真和其他相關(guān)紫外輻射標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合民機(jī)的使用特點(diǎn)和任務(wù)環(huán)境，提出了針對(duì)民機(jī)蒙皮材料的紫外老化加速環(huán)境譜的編制方法。加速環(huán)境譜中的試驗(yàn)參數(shù)可根據(jù)民機(jī)具體的使用地區(qū)和使用時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，具有較好的普適性。

2）基于紫外輻射總量確定當(dāng)量加速關(guān)系，利用試驗(yàn)時(shí)間可以對(duì)蒙皮材料實(shí)際使用時(shí)間進(jìn)行分析，進(jìn)而為民機(jī)的紫外輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

3）以民機(jī)機(jī)身蒙皮材料為例，進(jìn)行若干周期的紫外老化試驗(yàn)，試樣出現(xiàn)明顯的鼓泡現(xiàn)象，并且表面反射率出現(xiàn)輕微下降，試驗(yàn)結(jié)果證明了所提出的加速環(huán)境譜的可行性。

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Accelerated Environmental Spectrum of Ultraviolet Aging for Civil Aircraft Envelop Material

LI Yu-zhen1, LI Zhuang2, LI Ling-fei1, YANG Xu-shuai1

(1. School of Reliability and Systems Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. AVIC China Aero-polytechnology Establishment, Beijing 100028, China)

The work aims to study the effect of ultraviolet radiation environment on the performance degradation of envelop material to provide an important basis for the ultraviolet radiation protection design of civil aircraft and compile the accelerated environmental spectrum according to its use environment. By analyzing the task characteristics and use environment of civil aircraft, the accelerated environmental spectrum of ultraviolet aging for civil aircraft envelop material was proposed based on the simulation results of ultraviolet radiation intensity at cruising altitude of civil aircraft and relevant ultraviolet environmental test standards. Then, the determination method of each environmental parameter and the equivalent acceleration relationship between the accelerated environmental spectrum and the actual application environment in the external field were given. Several cycles of ultraviolet aging tests were carried out on envelop material samples of civil aircraft body parts. The surface morphological changes and performance degradation of the envelop material verified the feasibility of the proposed accelerated environmental spectrum.

civil aircraft; envelop material; ultraviolet radiation; environmental test; accelerated environmental spectrum; equivalent acceleration relationship

2022-09-12；

2023-02-17

LI Yu-zhen (1998-), Male, Postgraduate.

李莊（1988—），女，碩士。

LI Zhuang (1988-), Female, Master.

李毓鎮(zhèn), 李莊, 李凌飛, 等.民機(jī)蒙皮材料紫外老化加速環(huán)境譜研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(6): 043-048.

V216

A

1672-9242(2023)06-0043-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.006

2022–09–12；

2023–02–17

李毓鎮(zhèn)（1998—），男，碩士研究生。

LI Yu-zhen, LI Zhuang, LI ling-fei, et al.Accelerated Environmental Spectrum of Ultraviolet Aging for Civil Aircraft Envelop Material[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 043-048.

責(zé)任編輯：劉世忠