導彈用非金屬材料貯存期評估技術及應用

白 天 張 歡 鄒士文 張新蘭

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

導彈用非金屬材料貯存期評估技術及應用

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彈貯存可靠性的重要因素之一。本文針對導彈用非金屬材料，介紹了國內外關于貯存期評估技術研究的現(xiàn)狀和應用，總結了非金屬材料的典型老化模型和壽命評估方法，分析預測了非金屬材料貯存期評估技術的發(fā)展方向。

非金屬材料, 貯存期, 老化

0 引言

導彈作為一種長期貯存、一次使用的武器系統(tǒng)，其貯存性能是一項重要的戰(zhàn)術技術指標。隨著我國導彈武器的不斷發(fā)展，貯存期指標越來越受到軍方和研制單位的重視，導彈的貯存期評定也成為重要的研究課題[1-2]。決定導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；也有內在的因素，包括設計、原材料和元器件質量、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彈長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估需要采用多種評估技術[3-5]。從評估的技術途徑和手段上可以分為自然貯存和加速貯存試驗方法。自然貯存試驗可針對非金屬材料試片，也可針對包含非金屬材料及制品的組部件、系統(tǒng)單機，甚至全彈。通過自然貯存試驗獲得的貯存期信息和各項貯存測試數(shù)據(jù)是最為實際和可靠的。但是自然貯存試驗存在周期長、人力和物力的投入大等不足之處，只能有限地開展。加速貯存試驗是為了適應各種新型導彈武器研制周期的需要，而逐漸采用的一種研究性評估技術。加速貯存試驗的目的是在較短的周期內獲得相對可靠的貯存期信息。它是建立在一定的理論基礎之上，并在試驗過程中，對非金屬材料的老化機理和失效模型賦予一定的假設和邊界條件，通過強化環(huán)境因子(溫度、濕度等)，獲得非金屬材料在相對較短時間內性能變化的規(guī)律特性，并采用統(tǒng)計評估等數(shù)學手段，評定非金屬材料及制品貯存可靠性的試驗方法。加速貯存試驗方法評估得到的貯存期結論與自然貯存試驗的結論會存在一定的差異，這是由環(huán)境因子的多樣性、復雜性以及理論假設與實際的偏差等因素決定的。 本文主要介紹了導彈用非金屬材料貯存期評估技術及應用。

1 非金屬材料的貯存期評估方法

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

表1 非金屬材料在導彈上的應用概況

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

表2總結了非金屬材料的典型壽命模型和評估方法。

表2 非金屬材料典型老化模型與壽命評估方法

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

貯存壽命評估方法加速應力典型模型應用特點壽命方程法溫度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)加速貯存試驗需要一直做到材料或制品的壽終，試驗周期一般較長。適用于壽命相對較短的非金屬材料動力學參數(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為老化時間；α為常數(shù)采用了統(tǒng)計評估的方法，可外推貯存壽命，也可預測材料性能的變化。應力水平較多，試驗量較大。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為加速倍率相對簡單的加速貯存經(jīng)驗方法，溫度系數(shù)的確定需要參照同類材料，還需考慮評估的安全系數(shù)。適用于老化機理以及性能退化規(guī)律復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為試驗溫度；A、B為常數(shù)針對在濕熱環(huán)境中貯存，且對濕度較敏感的材料，加速貯存試驗需要做到材料或制品的壽終。適用于對溫度敏感的復合材料、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)定性加速試驗方法》溫度濕度輻照τ=τ0·eμ/T·Wα·H-1τ0、μ、α對已知涂層為常數(shù)；T為涂層表面溫度；W為空氣相對濕度；H為紫外線輻射劑量針對涂層在溫度、濕度、紫外輻照環(huán)境中貯存，加速貯存試驗需要做到涂層的壽終。適用于對濕度、紫外輻照敏感的涂層

2 國外導彈非金屬材料貯存期評估

在非金屬材料及制品的貯存期評估研究方面，國外技術比較成熟的國家主要是美國和俄羅斯。美國采用以自然貯存試驗為主、加速貯存試驗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計劃。美國早在20世紀60年代就制定了導彈貯存可靠性研究計劃(SRP)，對導彈從研制到退役實行全壽命周期管理。通過現(xiàn)場貯存大量導彈和導彈部件，進行定期測試和定期發(fā)射，取得了完整的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。同時在試驗室進行大量導彈部件的環(huán)境模擬和加速貯存試驗，獲取充分的貯存試驗數(shù)據(jù)，還對貯存狀態(tài)的非電子元件和材料開展專項研究。在此后的20世紀70年代，美國空軍又實施了長期使用壽命分析計劃(LRSLA)，該計劃主要包括破壞模式分析、超載試驗、破壞概率分布以及加速老化試驗四方面的內容。使用長期使用壽命分析計劃，在置信度為90%、可靠性為99%的條件下，預估美國民兵導彈II第1級發(fā)動機的使用壽命為11年，第3級發(fā)動機為19年[12]。1985年以來，美國推出了一系列導彈延壽計劃，這些工作為美國的導彈貯存延壽提供了可靠的信息和數(shù)據(jù)，例如大力神導彈貯存期達到24年，民兵導彈貯存期長達35年，戰(zhàn)斧導彈達到10年，愛國者導彈達到15年。

俄羅斯在導彈貯存期評估研究方面，也是從最基礎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期耐介質性能、橡膠阻尼器在長期貯存后的減振性能。在貯存試驗研究上，一方面，貯存大量的導彈零組件產(chǎn)品或模擬件，進行定期的測試，積累數(shù)據(jù)；另一方面，開展大量加速貯存試驗，特別是在新材料、新產(chǎn)品的研制階段。部分加速試驗方法形成了國家標準。俄羅斯導彈貯存試驗的突出特點是加速貯存試驗水平比較高。俄羅斯火炬設計局的自然環(huán)境試驗室以整彈為研究對象，通過6個月的加速模擬試驗，確定S-300導彈的貯存壽命為10年。目前，俄羅斯某些型號的導彈，可以做到在10年貯存期內不檢測，完好率為99.8%[12]。俄羅斯的導彈貯存延壽工作使導彈貯存可靠性達到了較高的水平，例如SS—18、SS—24等導彈的貯存期都達到了20～25年。俄羅斯針對不同類型的材料制訂了一系列標準及方法。針對涂層制訂了ГОСТ 9.045—75標準，規(guī)定了油漆涂層防腐蝕與老化的光照穩(wěn)定性加速試驗方法，規(guī)定光照下涂層壽命評估方法。針對密封件，制訂了ГОСТ 9.035—74標準，規(guī)定了在大氣氣候地區(qū)、空氣介質中、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，對密封件進行貯存期的快速測定方法。

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

總結起來，國外在導彈貯存可靠性研究與評定方面，都是以大量材料、組部件的自然貯存試驗工作為基礎，針對基礎性的材料開展必要的加速貯存試驗，在一定可靠性評估理論模型下，給出較長期限的貯存壽命期，全面綜合地評價導彈的貯存可靠性和貯存期。

3 國內導彈非金屬材料貯存期評估

國內對新型導彈的戰(zhàn)術技術指標論證中，已普遍提出了貯存期的指標要求[13]。我國從1957年自主研制導彈以來，貯存期評定中非金屬材料貯存期評估就是不可缺少的研究工作。例如，第一代液體戰(zhàn)略導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件。在我國第一代固體戰(zhàn)略導彈研制期間，也投入了一定數(shù)量的非金屬材料自然貯存件。

國內在非金屬材料加速貯存試驗和評估技術上，逐步形成了一些經(jīng)驗的試驗方法?？偨Y起來，包括以下三種方法。(1)熱氧加速老化試驗方法。這種方法適用于失效機理以熱氧老化為主的材料。確定溫度為加速因子，通過強化加速因子，在相對短的試驗周期內獲得材料的長期貯存特性，再依靠理論模型(Arrhenius方程等)外推材料在實際貯存環(huán)境下的貯存性能。該試驗方法考慮的環(huán)境因素單一，采用時應充分考慮材料的實際應用狀態(tài)和環(huán)境。(2)濕熱加速老化試驗方法。這種方法適用于材料的失效機理主要是材料對水的吸附以及水在材料中擴散導致的材料老化的情況。加速老化試驗方法是通過提高試驗環(huán)境的水汽濃度，達到加快材料吸附水汽和增加水汽擴散速率的效果，加速材料的失效過程，再根據(jù)相關理論(G. L. Weleh理論)推算自然貯存環(huán)境下的材料貯存期。(3)對比加速試驗方法。使用這種方法評估某種新材料的貯存期時，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)考核二者的某個或多個特性指標隨老化時間的變化趨勢，評價二者耐老化特性的優(yōu)劣，由此間接獲得新材料的貯存期。

上述試驗方法主要針對非介質環(huán)境下的非金屬材料。在介質環(huán)境中使用的非金屬材料，介質會對材料有溶脹、滲透等作用，非金屬材料對介質也有催化分解、氧化等作用。介質向非金屬材料中的滲透作用可以用兩個過程來表示：一是介質向非金屬材料基體的Fickian擴散過程；另一個是非金屬材料中的應力作用導致的溶脹-去溶脹平衡。可以通過調節(jié)溫度、壓力和介質濃度來控制擴散速率。在非金屬材料與介質相容性方面，國內開展了乙丙橡膠、羧基亞硝基氟橡膠、氟醚橡膠、全氟聚醚橡膠與推進劑介質相容性的試驗。對羧基亞硝基氟橡膠進行的6個月N2O4介質浸泡試驗表明，其質量變化率在10%以內，拉伸強度保持率在90%以上，浸泡前后其外觀形貌基本沒有變化，其在N2O4介質中的密封性能也能滿足要求[14-15]。目前，在介質環(huán)境中，非金屬材料老化及壽命評估主要通過自然貯存途徑開展，成熟的加速試驗方法和貯存期評估方法尚待進一步研究。

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

隨著新一代導彈的不斷研制，結合我國導彈研制發(fā)展的實際需求，貯存期評定工作應該從材料研制階段就開展。同時，過往導彈型號在面臨長期貯存后，在服役期將滿的情況下，需要開展貯存延壽工作。

4 導彈非金屬材料貯存期評估技術未來發(fā)展方向

在新一代導彈研制中，新材料的應用越來越廣泛，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用。這些多功能材料的貯存期評定給非金屬材料貯存期評估技術的研究帶來了新的難題。因此，需要研究新的加速老化試驗方法。新的加速老化試驗方法應針對新型導彈更加復雜的應用和貯存環(huán)境，更加準確、可靠地評估非金屬材料的貯存期。未來貯存期試驗評估技術的發(fā)展應立足于非金屬材料，并從兩方面發(fā)展:一是發(fā)展功能材料的貯存期試驗評估技術;二是發(fā)展材料結構件和整機的貯存期試驗評估技術。

(1)功能材料的貯存期試驗評估技術

評估功能性材料的貯存期時，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性地開展貯存期試驗研究具有很大的必要性。

(2)材料結構件和整機的貯存期試驗評估技術

對材料結構件和整機的加速貯存試驗一直是設計部門關注的重點，但因材料種類繁多、應用狀態(tài)復雜以及材料老化機理不明確等多方面因素使得評估結論存在較大的局限性。目前的評估技術還是采用以工程評定為主，結合統(tǒng)計評估的試驗技術途徑。已提出的整機加速貯存壽命試驗方法的三種研究思路，分別是轉化法、性能參數(shù)退化法和利用可靠性增長理論法。但這些方法在理論和工程應用上的可行性還有待進一步研究[17]。

5 結語

新一代導彈的貯存期評定工作應該從材料研制階段就開展，同時進行自然貯存試驗和加速貯存試驗。貯存期評估技術今后應著重研究針對各類功能材料、結構件以及整機的貯存試驗方法。這樣既能滿足新型導彈對功能材料設計的要求，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研究具有十分現(xiàn)實和重要的意義。

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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