系留氣球囊體材料快速老化試驗研究

張志富

（中國電子科技集團公司 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，依靠球體內輕于空氣的氣體懸浮空中，通過纜繩系留在地面系留設施上。具有研制周期短、成本低、留空時間長、安全性好、使用方便、維護成本低等特點，廣泛應用在預警、技術偵察與監視等軍用領域[1-2]。由于系留氣球常年暴露在室外，經歷風吹日曬，受到各種自然環境的影響，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性能、低密度、耐環境好、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、氣密層和防護層[3]。承力層是囊體材料的核心層，幾乎承受囊體的全部強度，均由織物構成；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；防護層是設置在最外面的結構薄膜層，用于防護紫外線輻射。

目前，國內對系留氣球壽命的評估才剛剛起步，沒有一個系統的評估方法[4]。在系統服役過程中，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，測試囊體材料試驗前后拉伸強度的變化，確定其抗老化性能，間接評估系留氣球壽命。

1 環境因素分析

對系留氣球影響最大的環境因素主要包括：溫度、濕度、霉菌、鹽霧和太陽輻射等[5-6]。在高溫的作用下，囊體材料的強度和彈性物理特性發生變化，加速老化，誘發材料開裂、分解。在低溫下，囊體材料的脆性增加，因折疊而脆裂，進而導致壽命縮短或性能降低。濕度導致囊體表面覆蓋層的化學破壞，囊體分層、塑性或彈性變化，使強度和氣密性降低。霉菌主要表現在對材料的直接或間接侵蝕，使材料發生化學反應，表面出現沙點，氣密性下降。鹽霧可使囊體材料表面發生分解，腐蝕表面涂層，使表面出現斑點，影響其氣密性。太陽輻射會使囊體材料發生熱效應和光化學效應，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，但是對大氣環境中的紫外線相對比較敏感，長期暴露在自然環境下，強度性能會持續下降，將嚴重影響氣球囊體的結構安全。結合前期囊體材料單因素老化試驗研究結果，發現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條件進行老化試驗。

2 試驗

2.1 試驗樣品

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

圖1 標準試驗件（單位：mm）

該次試驗件選擇材料徑向為主拉伸方向，試樣應具有代表性，應避開折皺、疵點，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，且數量相同。為了比較準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 試驗件裁片方式

2.2 太陽輻射試驗

太陽輻射老化試驗采用氙燈人工氣候試驗箱，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。根據ASTM G155-05a 《非金屬材料的氙燈老化測試方法》，結合系留氣球的使用環境，試驗時間為3000 h，采用試驗條件見表1[7]。

表1 太陽輻射試驗條件

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

圖3 試驗件在試驗箱中的放置

2.3 性能檢測

性能檢測在室溫下進行，記錄每個試驗件的最大破斷拉力和斷裂時的長度。先將標準試驗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，確認兩夾具間的距離為(76.0±1.0) mm。開啟拉力計，勻速運動，速度為(305.0±13.0) mm/min。

采用WDW-E2000 微機控制電子式萬能試驗機進行拉力測試，其最大拉伸力可達200 kN，最大拉伸行程為400 mm，最大壓縮行程為400 mm，有效試驗寬度為575 mm，位移分辨率為0.01 mm，測試精度高。拉伸試驗依據FED-STD-191 TM5102《織物強度和延伸率的條狀測試方法》。試驗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，再按照要求裁成標準試驗件。

3 結果與分析

當數值離散比較大時，去掉離散比較大的數值，再求算術平均值。拉伸強度按式（1）計算[8]：

式中：X 為試樣的平均破斷強力，N；S 為試件的拉伸強度，N/cm；b為試件的寬度，cm。

拉伸強度的變化率按式（2）計算[8]：

式中：φ 為拉伸強度的變化率，%；St試驗t 小時后的拉伸強度，N/cm；S0為試驗前的拉伸強度，N/cm。

斷裂伸長率按式（3）計算[8]：

式中：εt為斷裂伸長率，%；Lt為試驗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度隨時間的變化關系如圖4 所示，拉伸強度變化率與時間的關系如圖5 所示。從圖4 和圖5 可以看出，試驗0~375 h 時，拉伸強度變化較小，只下降了5.92%；在375~1 125 h 時，拉伸強度下降較快，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度-時間曲線

圖5 囊體材料在老化條件下的拉伸強度變化率-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系如圖6 所示。在0~750 h，斷裂伸長率隨試驗時間的增長而下降，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如圖7 所示，可以看出，囊體材料經過老化之后，表面發黃，有粉末狀的顆粒出現，有了一定程度的老化，強度必然會降低。

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

囊體材料在試驗過程中，拉伸強度隨試驗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度下降到設計限制指標經歷時長，可以算出所需要的老化試驗時間。計算老化試驗氙燈輻照量，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]及某地區全年太陽輻射總量，估算囊體材料在某地區室外可以使用的年限。假設該囊體材料在山東地區使用，山東地區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，試驗室老化時間為3000 h，輻照量為1 285.2 MJ/m2，相當于室外照射2.4~2.7 年。該試驗結果為估算系留氣球使用壽命提供了依據。

4 結語

由于受到外部環境的影響，在使用過程中，囊體材料的力學性能不可避免地會出現下降，影響因素比較多，過程復雜，是多因素共同作用的結果。單從某一個方面研究，可以大體估算系留氣球的壽命，但存在不準確性。要想較好地確定囊體材料壽命，還要更進一步地開展囊體材料實驗室老化試驗與自然老化試驗的比對，比較準確地確定這兩種試驗狀態的關聯性，從而建立通過實驗室老化試驗來估算系留氣球壽命的有效方法。