某新型非金屬定向管老化性能測(cè)試及壽命估算方案研究

趙錫鑫，王海明，朱志敏

(湖北江山重工有限責(zé)任公司，湖北 襄陽(yáng) 441057)

火箭炮儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱集儲(chǔ)存、運(yùn)輸和發(fā)射功能于一體，具有保證火箭彈貯存可靠性、安全性和有效改善裝備快速反應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)。隨著火箭炮儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱的大規(guī)模應(yīng)用，如何確保產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)的可靠性和安全性成為首要解決的問(wèn)題。

非金屬定向管作為火箭炮儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱重要組成部分，能有效地保證火箭彈的安全可靠貯存性。目前，非金屬定向管廣泛采用玻璃鋼材料，為了保證產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)貯存的可靠性和安全性，通過(guò)對(duì)非金屬玻璃鋼材料的老化性能進(jìn)行分析和研究，從而明確其倉(cāng)庫(kù)貯存環(huán)境條件并制定出定向管用玻璃鋼材料老化試驗(yàn)方案具有重要的實(shí)際意義。

1 儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱壽命剖面和倉(cāng)庫(kù)貯存環(huán)境

1.1 儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱壽命剖面

根據(jù)儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱自驗(yàn)收合格后出廠到發(fā)射飛行(或退役)為止可能經(jīng)歷的事件，制定其壽命剖面，如圖1所示。

圖1中的勤務(wù)管理期即為貯存期，它主要包括運(yùn)輸、搬運(yùn)、裝卸、存放以及規(guī)定的維護(hù)等典型環(huán)節(jié)。儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中主要受庫(kù)房貯存溫度和濕度的影響。

1.2 儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱倉(cāng)庫(kù)貯存環(huán)境

根據(jù)GJB2770―1996《軍用物資貯存環(huán)境條件》確定軍用物資貯存的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)房條件為：溫度不超過(guò)30℃、相對(duì)濕度不超過(guò)70%；相對(duì)而言，彈藥的貯存要求更為嚴(yán)格。彈藥長(zhǎng)期貯存適宜的溫濕度條件為：溫度5℃～20℃、相對(duì)濕度55%～65%[1]。

影響儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱(火箭彈)貯存可靠性的因素較多，而彈藥庫(kù)房的貯存環(huán)境條件最為重要。可采取措施通過(guò)對(duì)庫(kù)房的貯存環(huán)境條件進(jìn)行定量要求，保證庫(kù)房溫度和相對(duì)濕度等，為儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱創(chuàng)造一個(gè)良好的貯存“大環(huán)境”，確保貯存年限15年的指標(biāo)要求。

2 研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，玻璃鋼材料在軍工產(chǎn)品上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期深入的研究。

2.1 老化性能試驗(yàn)情況

表1和表2是摘錄于玻璃鋼/復(fù)合材料防老化工作組專(zhuān)題研究報(bào)告《玻璃鋼的耐候性》中有關(guān)非金屬定向管采用的環(huán)氧樹(shù)脂無(wú)堿玻璃鋼、聚酯玻璃鋼材料的自然老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂無(wú)堿玻璃鋼大氣暴露試驗(yàn)彎曲強(qiáng)度保留率 (%)

表2 環(huán)氧樹(shù)脂無(wú)堿玻璃鋼室內(nèi)存放試驗(yàn)彎曲強(qiáng)度保留率 (%)

由表1和表2可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂無(wú)堿玻璃鋼材料在廣州的大氣暴露試驗(yàn)3年的彎曲強(qiáng)度保留率為95%，在室內(nèi)存放8年的彎曲強(qiáng)度保留率大于80%。某新型非金屬定向管采用此種材料，具有很好的耐候性性能，可以滿(mǎn)足定向管長(zhǎng)期貯存、耐老化的性能要求[2]。

2.2 包裝筒包裝彈藥15年貯存試驗(yàn)情況

為進(jìn)一步研究在露天惡劣環(huán)境下，玻璃鋼包裝筒包裝彈藥長(zhǎng)期儲(chǔ)存的可靠性，對(duì)某玻璃鋼彈藥包裝筒進(jìn)行了15年實(shí)彈包裝貯存試驗(yàn)。貯存環(huán)境以高溫高濕的氣候條件為主，環(huán)境條件設(shè)置為露天、叢林的小棚、坑道和天然山洞。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期貯存試驗(yàn)與試驗(yàn)室測(cè)試表明，包裝的彈藥在貯存15年之后仍能正常發(fā)射和爆炸，玻璃鋼筒能滿(mǎn)足彈藥長(zhǎng)期貯存包裝的要求。玻璃鋼包裝筒防潮性能好，不銹、不霉、不朽、不被老鼠和白蟻等蛀壞，尤其適于環(huán)境條件潮濕的邊防部隊(duì)彈藥長(zhǎng)期貯存使用。所以采用非金屬玻璃鋼定向管做包裝筒能滿(mǎn)足包裝彈藥長(zhǎng)期儲(chǔ)存的可靠性要求。

2.3 材料應(yīng)用情況

近年來(lái)，隨著非金屬玻璃鋼材料在軍工產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用，儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱的定向管也采用了非金屬玻璃鋼材料。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貯存條件下的貯存年限的指標(biāo)要求，在非金屬玻璃鋼定向管的研制中，從原材料配比和成型工藝上采用了成熟技術(shù)，原材料采用E玻纖或S玻纖作增強(qiáng)材料，雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂酸酐樹(shù)脂體系作基體樹(shù)脂，采用螺旋纏繞和環(huán)向纏繞相結(jié)合的成型工藝。

非金屬材料在軍品各類(lèi)發(fā)射器和包裝筒上已得到了廣泛應(yīng)用，如70式62mm單兵反坦克火箭發(fā)射筒、PF89A式單兵多用途火箭發(fā)射筒、紅箭-8反坦克武器系統(tǒng)發(fā)射筒及AFT-09反坦克武器系統(tǒng)發(fā)射筒等。

3 材料老化理論分析

非金屬玻璃鋼材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、質(zhì)量小、抗腐蝕和隔熱性能好、材料性能的可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在軍工產(chǎn)品諸如彈藥包裝筒、武器發(fā)射管和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等方面得到了大量成功應(yīng)用。但是玻璃鋼屬于高分子材料，在實(shí)際使用中長(zhǎng)時(shí)間(15年)受到光、水、溫度等因素的影響，其物理性能和機(jī)械性能會(huì)有所劣化。

在庫(kù)存條件下，非金屬玻璃鋼定向管材料其性能劣化程度主要受環(huán)境溫度和濕度的影響。指標(biāo)要求非金屬定向管在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)房條件下貯存年限為15年，根據(jù)GJB2770-1996《軍用物資貯存環(huán)境條件》確定的軍用物資貯存溫濕度條件要求，儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱在全壽命期內(nèi)的貯存條件應(yīng)該滿(mǎn)足溫度不超過(guò)30℃、相對(duì)濕度不超過(guò)70%[1]。

根據(jù)玻璃鋼材料的性能特點(diǎn)，在受控環(huán)境溫度和濕度的條件下，其樹(shù)脂基體、增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂-纖維界面引起物理、機(jī)械性能的下降極其緩慢，也就是說(shuō)玻璃鋼材料在標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)存條件下的老化要比在大氣暴曬條件下的老化緩慢得多。非金屬定向管選用的環(huán)氧樹(shù)脂基玻璃鋼材料有良好的庫(kù)存老化性能，而標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)存條件是緩和的和受控的環(huán)境條件，非金屬玻璃鋼定向管能夠滿(mǎn)足耐庫(kù)存老化性能的要求。

4 材料加速老化性能和壽命估算試驗(yàn)方案

常用的玻璃鋼材料老化性能測(cè)試方法主要有自然氣候老化試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)兩種。其中，自然氣候老化試驗(yàn)是最可靠的耐候性試驗(yàn)方法，能獲得較為可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。但這種試驗(yàn)方法的缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、效率比較低及試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差。而人工加速老化試驗(yàn)通過(guò)人工模擬自然氣候中的溫度、濕度對(duì)試樣產(chǎn)生作用而得到試驗(yàn)結(jié)果，并可通過(guò)強(qiáng)化自然氣候中某一因素或幾種因素的作用而縮短耐候性試驗(yàn)周期，從而獲得加快試驗(yàn)進(jìn)程的效果。由于試驗(yàn)條件可控，試驗(yàn)的重復(fù)性也得到了保證。通常的方法有熱老化、光老化、臭氧老化、鹽霧老化、濕熱老化、溫度交變和溫度沖擊等。

由于儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱在軍用庫(kù)房貯存，環(huán)境氣候相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)經(jīng)常性存在溫度突變、高濕環(huán)境、鹽霧環(huán)境和陽(yáng)光暴曬等狀態(tài)，故選用相對(duì)影響較大的熱老化來(lái)進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)。但人工加速老化試驗(yàn)僅能檢測(cè)材料強(qiáng)度的老化性能，推算材料強(qiáng)度在使用周期內(nèi)的強(qiáng)度變化規(guī)律；對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性、密封性等只能對(duì)試驗(yàn)階段的變化情況進(jìn)行檢測(cè)，不能對(duì)全壽命使用周期內(nèi)的變化情況進(jìn)行推算。

為保證非金屬玻璃鋼定向管的15年長(zhǎng)儲(chǔ)可靠性，進(jìn)行了國(guó)內(nèi)玻璃鋼產(chǎn)品的材料老化性能數(shù)據(jù)收集、玻璃鋼材料老化性能的理論分析工作，初步確定了玻璃鋼材料人工加速老化性能和壽命估算試驗(yàn)方案。

4.1 試驗(yàn)原理及方案

4.1.1 試驗(yàn)原理

非金屬玻璃鋼材料在貯存過(guò)程中，主要受熱和氧的作用而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起物理機(jī)械性能變化。對(duì)老化性能和壽命周期的估算就是推算在一定的環(huán)境條件下，壽命周期與材料強(qiáng)度變化規(guī)律的關(guān)系。目前，評(píng)定某種材料熱老化的方法有常規(guī)老化法(CA)、熱重點(diǎn)斜法(TPS)等。但采用常規(guī)老化法存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。而熱重點(diǎn)斜法采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法在熱重分析(TG)與常規(guī)老化法之間建立了定量的關(guān)系，故可以通過(guò)TG曲線(xiàn)計(jì)算出熱壽命線(xiàn)的斜率，再結(jié)合CA中某一個(gè)溫度點(diǎn)，即可確定出絕緣熱壽命的對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度的倒數(shù)成直線(xiàn)的關(guān)系式：

lnL=a+b/T=a+E/RT

式中：L為絕緣熱壽命；a為系數(shù)；b為熱壽命線(xiàn)的斜率；T為絕對(duì)溫度；R為氣體常數(shù)；E為活化能。

通過(guò)理論分析并與CA對(duì)比，表明TPS與CA的準(zhǔn)確度是相近的，可以應(yīng)用于工程實(shí)踐。TPS具有很好的實(shí)用性與重復(fù)性。

故本試驗(yàn)估算方案采用熱重點(diǎn)斜法推測(cè)非金屬定向管在一定的貯存環(huán)境下的老化性能和貯存壽命。

4.1.2 試驗(yàn)方案

玻璃鋼樹(shù)脂基體受溫度作用的老化作用基本遵循阿累尼烏斯公式，試驗(yàn)方法參照GB/T 7141―1992《塑料熱空氣暴露試驗(yàn)方法》進(jìn)行，按GB/T 7142―2002《塑料長(zhǎng)期熱暴露后時(shí)間-溫度極限的測(cè)定》，塑料長(zhǎng)期老化試驗(yàn)推薦選用3～4個(gè)溫度點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)間至少為外推法選擇的時(shí)間極限的1/4[3-4]。若要測(cè)定貯存15年材料的性能，則要進(jìn)行周期約為4年的人工加速老化試驗(yàn)。

經(jīng)咨詢(xún)，并根據(jù)以往積累的經(jīng)驗(yàn)，可以在某一特定的溫度點(diǎn)進(jìn)行周期為3 000 h的熱空氣暴露老化試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中要進(jìn)行不少于10次的對(duì)試驗(yàn)件的檢測(cè)，完成該項(xiàng)試驗(yàn)的時(shí)間大約為半年。具體試驗(yàn)及分析估算過(guò)程如下所述。

本試驗(yàn)所用試件采用以E玻纖或S玻纖作增強(qiáng)材料，雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂酸酐樹(shù)脂體系作基體樹(shù)脂的環(huán)氧樹(shù)脂材料。將試件投入老化箱，進(jìn)行70℃溫度的熱老化試驗(yàn)，按性能變化，定期在100、200、400、700、1 000、1 400、1 800、2 200、2 600和3 000 h10個(gè)取樣周期抽取樣品進(jìn)行性能檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定可參照GB/T7142-2002《塑料長(zhǎng)期熱暴露后時(shí)間-溫度極限的測(cè)定》，采用熱重點(diǎn)斜法(TPS)推算材料強(qiáng)度在使用周期內(nèi)的強(qiáng)度變化規(guī)律。

對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸、密封性等選取定向管試樣，進(jìn)行試驗(yàn)、檢測(cè)試樣在試驗(yàn)周期內(nèi)的變化情況，需通過(guò)不少于15年的自然氣候老化試驗(yàn)得到。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程中性能變化評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

由于試驗(yàn)設(shè)備存在局限性及試驗(yàn)周期長(zhǎng)短不同，選擇玻璃鋼材料的環(huán)向和軸向拉伸強(qiáng)度來(lái)考核制造非金屬定向管的玻璃鋼材料的機(jī)械性能，并推算該材料在15年使用周期內(nèi)的抗老化性能；對(duì)于玻璃鋼管的外觀、尺寸穩(wěn)定性、密封性能等，則選取長(zhǎng)度約為900 mm的短管，兩端的接口與非金屬玻璃鋼定向管相同，在試驗(yàn)周期內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行檢測(cè)，和密封蓋配合對(duì)密封性能進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行水壓爆破強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)該短管在試驗(yàn)后的水壓強(qiáng)度變化情況與試驗(yàn)前的情況進(jìn)行對(duì)比；對(duì)于儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱集成用的膠粘劑，制作試件考核其膠粘劑的剪切強(qiáng)度；對(duì)于密封蓋的橡膠，由于對(duì)橡膠沒(méi)有強(qiáng)度要求，只是密封性要求，同定向管的密封性能合并考核在試驗(yàn)周期內(nèi)的密封性變化情況。

4.3 試驗(yàn)項(xiàng)目及主要試件數(shù)量

下述試驗(yàn)所需試件均按照70 ℃和3 000 h的試驗(yàn)周期進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目及主要試件數(shù)量見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)項(xiàng)目、主要試件數(shù)量及試驗(yàn)總時(shí)間 (件)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

非金屬定向管的老化性能參數(shù)是否符合要求，通過(guò)檢測(cè)試件的強(qiáng)度(包括軸向拉伸強(qiáng)度、環(huán)向拉伸強(qiáng)度、膠粘劑剪切強(qiáng)度等)與原強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行比較來(lái)判定。只要最終檢測(cè)強(qiáng)度值不小于原強(qiáng)度指標(biāo)的80%即表明該材料滿(mǎn)足使用要求。

判定定向管試件尺寸、密封性及蓋密封性能是否符合要求，要看試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果是否與設(shè)計(jì)預(yù)定值相一致。若一致則說(shuō)明符合要求，反之則為不符合要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在非金屬玻璃鋼定向管的設(shè)計(jì)過(guò)程中，原材料配比和成型工藝上采用了在貯存性方面經(jīng)充分驗(yàn)證的成熟技術(shù)。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行的長(zhǎng)達(dá)20多年的環(huán)氧樹(shù)脂無(wú)堿玻璃鋼材料自然老化性能數(shù)據(jù)表明，采用同樣材料的非金屬玻璃鋼定向管從性能上能滿(mǎn)足彈藥長(zhǎng)期儲(chǔ)存、耐老化性能的要求。

在貯存彈藥方面，從某部隊(duì)《玻璃鋼與酚醛紙筒包裝彈藥15年貯存試驗(yàn)結(jié)果》可知，非金屬玻璃鋼定向管包裝彈藥長(zhǎng)期儲(chǔ)存的可靠性是有保證的。

在儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱貯存過(guò)程中，定向管材料時(shí)刻都在經(jīng)受環(huán)境中相對(duì)穩(wěn)定的溫度和濕度的作用，所以，溫度、濕度對(duì)定向管材料性能的影響是一個(gè)緩慢長(zhǎng)期的過(guò)程，其作用效果需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能表現(xiàn)出來(lái)。在引入加速老化性能和壽命估算試預(yù)測(cè)方法后，利用熱空氣加速老化試驗(yàn)方法和熱重點(diǎn)斜法評(píng)估玻璃鋼材料強(qiáng)度的貯存期，能夠?qū)δ承滦蛢?chǔ)運(yùn)發(fā)箱非金屬玻璃鋼定向管的貯存性進(jìn)行評(píng)估、研究。但是也存在著試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、試件品種數(shù)量較多、涉及參試人員廣和試驗(yàn)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。

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