白 天 張 歡 鄒士文 張新蘭

(1 海軍駐北京地區(qū)特種導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室, 北京 100076) (2 航天材料及工藝研究所, 北京 100076)

導(dǎo)彈用非金屬材料貯存期評(píng)估技術(shù)及應(yīng)用

白 天1張 歡2鄒士文2張新蘭2

(1 海軍駐北京地區(qū)特種導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室, 北京 100076) (2 航天材料及工藝研究所, 北京 100076)

文 摘 非金屬材料的老化是影響導(dǎo)彈貯存可靠性的重要因素之一。本文針對(duì)導(dǎo)彈用非金屬材料，介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于貯存期評(píng)估技術(shù)研究的現(xiàn)狀和應(yīng)用，總結(jié)了非金屬材料的典型老化模型和壽命評(píng)估方法，分析預(yù)測(cè)了非金屬材料貯存期評(píng)估技術(shù)的發(fā)展方向。

非金屬材料, 貯存期, 老化

0 引言

導(dǎo)彈作為一種長(zhǎng)期貯存、一次使用的武器系統(tǒng)，其貯存性能是一項(xiàng)重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。隨著我國(guó)導(dǎo)彈武器的不斷發(fā)展，貯存期指標(biāo)越來越受到軍方和研制單位的重視，導(dǎo)彈的貯存期評(píng)定也成為重要的研究課題[1-2]。決定導(dǎo)彈貯存期的因素多種多樣，既有外在因素，包括貯存和使用環(huán)境條件等，例如海洋綜合氣候環(huán)境下的鹽霧、濕熱、高溫、霉菌和油霧環(huán)境；也有內(nèi)在的因素，包括設(shè)計(jì)、原材料和元器件質(zhì)量、非金屬材料制品的自身老化等。目前的研究表明非金屬材料老化是導(dǎo)彈長(zhǎng)期貯存過程中的薄弱環(huán)節(jié)，非金屬材料及制品的老化是影響導(dǎo)彈貯存期的決定因素之一。

由于非金屬材料種類和功能的多樣性，非金屬材料的貯存期評(píng)估需要采用多種評(píng)估技術(shù)[3-5]。從評(píng)估的技術(shù)途徑和手段上可以分為自然貯存和加速貯存試驗(yàn)方法。自然貯存試驗(yàn)可針對(duì)非金屬材料試片，也可針對(duì)包含非金屬材料及制品的組部件、系統(tǒng)單機(jī)，甚至全彈。通過自然貯存試驗(yàn)獲得的貯存期信息和各項(xiàng)貯存測(cè)試數(shù)據(jù)是最為實(shí)際和可靠的。但是自然貯存試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)、人力和物力的投入大等不足之處，只能有限地開展。加速貯存試驗(yàn)是為了適應(yīng)各種新型導(dǎo)彈武器研制周期的需要，而逐漸采用的一種研究性評(píng)估技術(shù)。加速貯存試驗(yàn)的目的是在較短的周期內(nèi)獲得相對(duì)可靠的貯存期信息。它是建立在一定的理論基礎(chǔ)之上，并在試驗(yàn)過程中，對(duì)非金屬材料的老化機(jī)理和失效模型賦予一定的假設(shè)和邊界條件，通過強(qiáng)化環(huán)境因子(溫度、濕度等)，獲得非金屬材料在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)性能變化的規(guī)律特性，并采用統(tǒng)計(jì)評(píng)估等數(shù)學(xué)手段，評(píng)定非金屬材料及制品貯存可靠性的試驗(yàn)方法。加速貯存試驗(yàn)方法評(píng)估得到的貯存期結(jié)論與自然貯存試驗(yàn)的結(jié)論會(huì)存在一定的差異，這是由環(huán)境因子的多樣性、復(fù)雜性以及理論假設(shè)與實(shí)際的偏差等因素決定的。 本文主要介紹了導(dǎo)彈用非金屬材料貯存期評(píng)估技術(shù)及應(yīng)用。

1 非金屬材料的貯存期評(píng)估方法

非金屬材料的貯存期評(píng)估需要考慮材料應(yīng)用的典型環(huán)境以及材料本體的老化特點(diǎn)。表1列出了導(dǎo)彈上常用的非金屬材料種類以及典型工作環(huán)境。

表1 非金屬材料在導(dǎo)彈上的應(yīng)用概況

對(duì)于不同的材料種類，有不同的貯存期評(píng)估方法[6-7]。對(duì)于橡膠密封材料，是以反映材料回彈性的壓縮永久變形作為加速試驗(yàn)的特性參數(shù)，通過選擇一種數(shù)學(xué)模型來描述特性參數(shù)的變化，以Arrhenius方程為外推模型評(píng)估橡膠密封件的貯存期[8-10]。此方法在GB7041—86、GJB92—86中有詳細(xì)說明。對(duì)于膠黏劑材料，采用定載荷加載檢查方式考核材料膠接性能在加速環(huán)境中的長(zhǎng)期適應(yīng)性，并把膠接失效確定為一種符合威布爾分布的統(tǒng)計(jì)失效，采用統(tǒng)計(jì)評(píng)估確定膠黏劑材料的貯存期。對(duì)于高性能塑料(含復(fù)合材料)和硅橡膠類阻尼材料[11]，涉及對(duì)其制品的尺寸穩(wěn)定性或動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的要求，對(duì)這類材料的貯存期評(píng)估可根據(jù)材料的蠕變特性，將加速試驗(yàn)中獲得的材料或制品的特性參數(shù)通過時(shí)溫疊加原理(TTS)，得到自然環(huán)境狀態(tài)下的材料特性變化主曲線，進(jìn)而評(píng)估材料貯存期。

表2總結(jié)了非金屬材料的典型壽命模型和評(píng)估方法。

表2 非金屬材料典型老化模型與壽命評(píng)估方法

Tab.2 Typical ageing models and lifetime evaluation methods for non-metallic materials

貯存壽命評(píng)估方法加速應(yīng)力典型模型應(yīng)用特點(diǎn)壽命方程法溫度lnτ=a+ERTτ為材料壽命；E為老化活化能；T為老化溫度；a、R為常數(shù)加速貯存試驗(yàn)需要一直做到材料或制品的壽終，試驗(yàn)周期一般較長(zhǎng)。適用于壽命相對(duì)較短的非金屬材料動(dòng)力學(xué)參數(shù)外推法溫度P=Ae-kταk=Ae-E/RTP為材料老化特征性能或其變化量；k為老化速率；τ為老化時(shí)間；α為常數(shù)采用了統(tǒng)計(jì)評(píng)估的方法，可外推貯存壽命，也可預(yù)測(cè)材料性能的變化。應(yīng)力水平較多，試驗(yàn)量較大。適用于性能退化規(guī)律符合指數(shù)模型的非金屬材料溫度系數(shù)法(范德霍夫法)溫度τ0τT=rT-T010τ0為溫度T0下的壽命；τT為溫度T下的壽命；r為加速倍率相對(duì)簡(jiǎn)單的加速貯存經(jīng)驗(yàn)方法，溫度系數(shù)的確定需要參照同類材料，還需考慮評(píng)估的安全系數(shù)。適用于老化機(jī)理以及性能退化規(guī)律復(fù)雜的非金屬材料溫濕度外推法(G．L．Weleh理論)溫度濕度CK′=τH2O[]lnCK′=A+B1TC/K′為與濕度相關(guān)的老化速率常數(shù)；τ為材料壽命；[H2O]為水蒸氣摩爾濃度；T為試驗(yàn)溫度；A、B為常數(shù)針對(duì)在濕熱環(huán)境中貯存，且對(duì)濕度較敏感的材料，加速貯存試驗(yàn)需要做到材料或制品的壽終。適用于對(duì)溫度敏感的復(fù)合材料、膠黏劑和涂層ГОСТ9．045《防腐蝕與老化的統(tǒng)一方法，油漆涂層光照穩(wěn)定性加速試驗(yàn)方法》溫度濕度輻照τ=τ0·eμ/T·Wα·H-1τ0、μ、α對(duì)已知涂層為常數(shù)；T為涂層表面溫度；W為空氣相對(duì)濕度；H為紫外線輻射劑量針對(duì)涂層在溫度、濕度、紫外輻照環(huán)境中貯存，加速貯存試驗(yàn)需要做到涂層的壽終。適用于對(duì)濕度、紫外輻照敏感的涂層

2 國(guó)外導(dǎo)彈非金屬材料貯存期評(píng)估

在非金屬材料及制品的貯存期評(píng)估研究方面，國(guó)外技術(shù)比較成熟的國(guó)家主要是美國(guó)和俄羅斯。美國(guó)采用以自然貯存試驗(yàn)為主、加速貯存試驗(yàn)為輔的貯存期研究方法，在研制和生產(chǎn)的初期就制訂了貯存試驗(yàn)計(jì)劃。美國(guó)早在20世紀(jì)60年代就制定了導(dǎo)彈貯存可靠性研究計(jì)劃(SRP)，對(duì)導(dǎo)彈從研制到退役實(shí)行全壽命周期管理。通過現(xiàn)場(chǎng)貯存大量導(dǎo)彈和導(dǎo)彈部件，進(jìn)行定期測(cè)試和定期發(fā)射，取得了完整的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。同時(shí)在試驗(yàn)室進(jìn)行大量導(dǎo)彈部件的環(huán)境模擬和加速貯存試驗(yàn)，獲取充分的貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還對(duì)貯存狀態(tài)的非電子元件和材料開展專項(xiàng)研究。在此后的20世紀(jì)70年代，美國(guó)空軍又實(shí)施了長(zhǎng)期使用壽命分析計(jì)劃(LRSLA)，該計(jì)劃主要包括破壞模式分析、超載試驗(yàn)、破壞概率分布以及加速老化試驗(yàn)四方面的內(nèi)容。使用長(zhǎng)期使用壽命分析計(jì)劃，在置信度為90%、可靠性為99%的條件下，預(yù)估美國(guó)民兵導(dǎo)彈II第1級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命為11年，第3級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為19年[12]。1985年以來，美國(guó)推出了一系列導(dǎo)彈延壽計(jì)劃，這些工作為美國(guó)的導(dǎo)彈貯存延壽提供了可靠的信息和數(shù)據(jù)，例如大力神導(dǎo)彈貯存期達(dá)到24年，民兵導(dǎo)彈貯存期長(zhǎng)達(dá)35年，戰(zhàn)斧導(dǎo)彈達(dá)到10年，愛國(guó)者導(dǎo)彈達(dá)到15年。

俄羅斯在導(dǎo)彈貯存期評(píng)估研究方面，也是從最基礎(chǔ)的材料貯存可靠性研究上著手，特別是從最為薄弱的橡膠制品的貯存特性出發(fā)，例如橡膠密封件的長(zhǎng)期耐介質(zhì)性能、橡膠阻尼器在長(zhǎng)期貯存后的減振性能。在貯存試驗(yàn)研究上，一方面，貯存大量的導(dǎo)彈零組件產(chǎn)品或模擬件，進(jìn)行定期的測(cè)試，積累數(shù)據(jù)；另一方面，開展大量加速貯存試驗(yàn)，特別是在新材料、新產(chǎn)品的研制階段。部分加速試驗(yàn)方法形成了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。俄羅斯導(dǎo)彈貯存試驗(yàn)的突出特點(diǎn)是加速貯存試驗(yàn)水平比較高。俄羅斯火炬設(shè)計(jì)局的自然環(huán)境試驗(yàn)室以整彈為研究對(duì)象，通過6個(gè)月的加速模擬試驗(yàn)，確定S-300導(dǎo)彈的貯存壽命為10年。目前，俄羅斯某些型號(hào)的導(dǎo)彈，可以做到在10年貯存期內(nèi)不檢測(cè)，完好率為99.8%[12]。俄羅斯的導(dǎo)彈貯存延壽工作使導(dǎo)彈貯存可靠性達(dá)到了較高的水平，例如SS—18、SS—24等導(dǎo)彈的貯存期都達(dá)到了20～25年。俄羅斯針對(duì)不同類型的材料制訂了一系列標(biāo)準(zhǔn)及方法。針對(duì)涂層制訂了ГОСТ 9.045—75標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了油漆涂層防腐蝕與老化的光照穩(wěn)定性加速試驗(yàn)方法，規(guī)定光照下涂層壽命評(píng)估方法。針對(duì)密封件，制訂了ГОСТ 9.035—74標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了在大氣氣候地區(qū)、空氣介質(zhì)中、日光非直接照射和大氣雨淋條件下，在不變形和變形的狀態(tài)下，對(duì)密封件進(jìn)行貯存期的快速測(cè)定方法。

此外，德國(guó)針對(duì)橡膠彈性體制定了DIN53508《彈性體的人工老化試驗(yàn)》，規(guī)定了彈性體人工老化試驗(yàn)的方法和數(shù)據(jù)處理方法。

總結(jié)起來，國(guó)外在導(dǎo)彈貯存可靠性研究與評(píng)定方面，都是以大量材料、組部件的自然貯存試驗(yàn)工作為基礎(chǔ)，針對(duì)基礎(chǔ)性的材料開展必要的加速貯存試驗(yàn)，在一定可靠性評(píng)估理論模型下，給出較長(zhǎng)期限的貯存壽命期，全面綜合地評(píng)價(jià)導(dǎo)彈的貯存可靠性和貯存期。

3 國(guó)內(nèi)導(dǎo)彈非金屬材料貯存期評(píng)估

國(guó)內(nèi)對(duì)新型導(dǎo)彈的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)論證中，已普遍提出了貯存期的指標(biāo)要求[13]。我國(guó)從1957年自主研制導(dǎo)彈以來，貯存期評(píng)定中非金屬材料貯存期評(píng)估就是不可缺少的研究工作。例如，第一代液體戰(zhàn)略導(dǎo)彈的貯存工作中有大量的非金屬材料投入。后續(xù)的液體導(dǎo)彈作為其延續(xù)，投入了一定數(shù)量的非金屬材料自然貯存試驗(yàn)件。在我國(guó)第一代固體戰(zhàn)略導(dǎo)彈研制期間，也投入了一定數(shù)量的非金屬材料自然貯存件。

國(guó)內(nèi)在非金屬材料加速貯存試驗(yàn)和評(píng)估技術(shù)上，逐步形成了一些經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)方法?？偨Y(jié)起來，包括以下三種方法。(1)熱氧加速老化試驗(yàn)方法。這種方法適用于失效機(jī)理以熱氧老化為主的材料。確定溫度為加速因子，通過強(qiáng)化加速因子，在相對(duì)短的試驗(yàn)周期內(nèi)獲得材料的長(zhǎng)期貯存特性，再依靠理論模型(Arrhenius方程等)外推材料在實(shí)際貯存環(huán)境下的貯存性能。該試驗(yàn)方法考慮的環(huán)境因素單一，采用時(shí)應(yīng)充分考慮材料的實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)和環(huán)境。(2)濕熱加速老化試驗(yàn)方法。這種方法適用于材料的失效機(jī)理主要是材料對(duì)水的吸附以及水在材料中擴(kuò)散導(dǎo)致的材料老化的情況。加速老化試驗(yàn)方法是通過提高試驗(yàn)環(huán)境的水汽濃度，達(dá)到加快材料吸附水汽和增加水汽擴(kuò)散速率的效果，加速材料的失效過程，再根據(jù)相關(guān)理論(G. L. Weleh理論)推算自然貯存環(huán)境下的材料貯存期。(3)對(duì)比加速試驗(yàn)方法。使用這種方法評(píng)估某種新材料的貯存期時(shí)，需要已知貯存性能的另一種類似材料。二者的使用狀態(tài)和貯存環(huán)境條件基本一致。通過在相同的加速環(huán)境條件下(熱氧或濕熱)考核二者的某個(gè)或多個(gè)特性指標(biāo)隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)二者耐老化特性的優(yōu)劣，由此間接獲得新材料的貯存期。

上述試驗(yàn)方法主要針對(duì)非介質(zhì)環(huán)境下的非金屬材料。在介質(zhì)環(huán)境中使用的非金屬材料，介質(zhì)會(huì)對(duì)材料有溶脹、滲透等作用，非金屬材料對(duì)介質(zhì)也有催化分解、氧化等作用。介質(zhì)向非金屬材料中的滲透作用可以用兩個(gè)過程來表示：一是介質(zhì)向非金屬材料基體的Fickian擴(kuò)散過程；另一個(gè)是非金屬材料中的應(yīng)力作用導(dǎo)致的溶脹-去溶脹平衡?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)溫度、壓力和介質(zhì)濃度來控制擴(kuò)散速率。在非金屬材料與介質(zhì)相容性方面，國(guó)內(nèi)開展了乙丙橡膠、羧基亞硝基氟橡膠、氟醚橡膠、全氟聚醚橡膠與推進(jìn)劑介質(zhì)相容性的試驗(yàn)。對(duì)羧基亞硝基氟橡膠進(jìn)行的6個(gè)月N2O4介質(zhì)浸泡試驗(yàn)表明，其質(zhì)量變化率在10%以內(nèi)，拉伸強(qiáng)度保持率在90%以上，浸泡前后其外觀形貌基本沒有變化，其在N2O4介質(zhì)中的密封性能也能滿足要求[14-15]。目前，在介質(zhì)環(huán)境中，非金屬材料老化及壽命評(píng)估主要通過自然貯存途徑開展，成熟的加速試驗(yàn)方法和貯存期評(píng)估方法尚待進(jìn)一步研究。

目前，貯存期評(píng)估已在多個(gè)導(dǎo)彈型號(hào)上應(yīng)用。例如，在某液體導(dǎo)彈延壽的工作中，通過對(duì)該型號(hào)自然貯存件的試驗(yàn)以及部分借鑒其他型號(hào)非金屬自然貯存件的試驗(yàn)，獲得了大量可靠的非金屬材料及制品的自然貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)結(jié)合開展部分非金屬材料的加速老化試驗(yàn)，給出了該型號(hào)全彈所屬的二百多項(xiàng)非金屬材料及制品的貯存期評(píng)估結(jié)論。該結(jié)論為各分系統(tǒng)、單機(jī)延壽結(jié)論的確定，以及全彈延壽提供了最基礎(chǔ)的支撐數(shù)據(jù)。試驗(yàn)研究中還暴露出個(gè)別非金屬件貯存期不能滿足全彈延壽要求的問題，為部隊(duì)和設(shè)計(jì)部門及時(shí)制定延壽技術(shù)措施提供了依據(jù)。某型空空導(dǎo)彈，通過貯存壽命研究，采用提高設(shè)計(jì)水平、開展加速壽命試驗(yàn)以及控制配套件和新研件的質(zhì)量，使得裝備的壽命周期從4年提高到了6年，將該型導(dǎo)彈從3次定期返廠維修改為1次，給部隊(duì)使用、維修保障帶來很大方便[16]。

隨著新一代導(dǎo)彈的不斷研制，結(jié)合我國(guó)導(dǎo)彈研制發(fā)展的實(shí)際需求，貯存期評(píng)定工作應(yīng)該從材料研制階段就開展。同時(shí)，過往導(dǎo)彈型號(hào)在面臨長(zhǎng)期貯存后，在服役期將滿的情況下，需要開展貯存延壽工作。

4 導(dǎo)彈非金屬材料貯存期評(píng)估技術(shù)未來發(fā)展方向

在新一代導(dǎo)彈研制中，新材料的應(yīng)用越來越廣泛，例如新型防熱材料、新型隱身材料、新型突防材料和抗核材料等多功能材料的應(yīng)用。這些多功能材料的貯存期評(píng)定給非金屬材料貯存期評(píng)估技術(shù)的研究帶來了新的難題。因此，需要研究新的加速老化試驗(yàn)方法。新的加速老化試驗(yàn)方法應(yīng)針對(duì)新型導(dǎo)彈更加復(fù)雜的應(yīng)用和貯存環(huán)境，更加準(zhǔn)確、可靠地評(píng)估非金屬材料的貯存期。未來貯存期試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展應(yīng)立足于非金屬材料，并從兩方面發(fā)展:一是發(fā)展功能材料的貯存期試驗(yàn)評(píng)估技術(shù);二是發(fā)展材料結(jié)構(gòu)件和整機(jī)的貯存期試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)。

(1)功能材料的貯存期試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)

評(píng)估功能性材料的貯存期時(shí)，既要考核基體材料的常規(guī)特性，還需著重考核材料的功能特性。例如作為隱身涂層，除了考核涂層本身的耐環(huán)境性能，包括長(zhǎng)期貯存中涂層不開裂、不起泡、不剝落，更重要的是還需考核其隱身功能在長(zhǎng)期貯存過程中的變化情況。因此，按照功能類型以及材料種類有針對(duì)性地開展貯存期試驗(yàn)研究具有很大的必要性。

(2)材料結(jié)構(gòu)件和整機(jī)的貯存期試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)

對(duì)材料結(jié)構(gòu)件和整機(jī)的加速貯存試驗(yàn)一直是設(shè)計(jì)部門關(guān)注的重點(diǎn)，但因材料種類繁多、應(yīng)用狀態(tài)復(fù)雜以及材料老化機(jī)理不明確等多方面因素使得評(píng)估結(jié)論存在較大的局限性。目前的評(píng)估技術(shù)還是采用以工程評(píng)定為主，結(jié)合統(tǒng)計(jì)評(píng)估的試驗(yàn)技術(shù)途徑。已提出的整機(jī)加速貯存壽命試驗(yàn)方法的三種研究思路，分別是轉(zhuǎn)化法、性能參數(shù)退化法和利用可靠性增長(zhǎng)理論法。但這些方法在理論和工程應(yīng)用上的可行性還有待進(jìn)一步研究[17]。

5 結(jié)語

新一代導(dǎo)彈的貯存期評(píng)定工作應(yīng)該從材料研制階段就開展，同時(shí)進(jìn)行自然貯存試驗(yàn)和加速貯存試驗(yàn)。貯存期評(píng)估技術(shù)今后應(yīng)著重研究針對(duì)各類功能材料、結(jié)構(gòu)件以及整機(jī)的貯存試驗(yàn)方法。這樣既能滿足新型導(dǎo)彈對(duì)功能材料設(shè)計(jì)的要求，又能更深入了解功能材料在各種環(huán)境中的特性。在未來的導(dǎo)彈定型和延壽工作中，全面開展非金屬材料及制品的貯存期試驗(yàn)研究具有十分現(xiàn)實(shí)和重要的意義。

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Storage Life Evaluation Technology and Application for Missile Used Non-Metallic Materials

BAI Tian1ZHANG Huan2ZOU Shiwen2ZHANG Xinlan2

(1 Beijing Special Missiles Representatives Department of Navy, Beijing 100076) (2 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076)

The ageing of non-metallic materials was one of the most important factors which affected the storage reliability of missile. This article introduced the current research and application of storage life evaluation technology for missile used non-metallic materials at home and abroad, summarized the typical ageing models and lifetime evaluation methods for non-metallic materials, and predicted the future development of storage life evaluation technology for non-metallic materials.

Non-metallic materials, Storage life, Ageing

2016-11-17

白天，1976年出生，碩士，工程師,主要從事航天材料及工藝方面的研究工作。E-mail：fevernova9180@163.com

TB324

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.004