PEEK卡箍載荷及耐環(huán)境性能研究

任 超 李偉力 劉明明 劉澤錚

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

文 摘 為支撐型號設(shè)計選用，針對P型和馬鞍型兩種結(jié)構(gòu)的聚醚醚酮卡箍進行了拉伸載荷試驗和多種環(huán)境試驗，分析了振動與沖擊、溫度老化、液體浸漬、濕度、鹽霧等環(huán)境試驗條件對產(chǎn)品性能的影響，試驗得到了卡箍最易失效的受力方向以及不同安裝方式、不同溫度條件下的拉伸載荷數(shù)據(jù)。研究表明：PEEK卡箍在試驗環(huán)境溫度下拉伸性能比較穩(wěn)定；在濕熱環(huán)境下易出現(xiàn)開膠現(xiàn)象；在振動與沖擊、溫度老化等環(huán)境載荷下能保證結(jié)構(gòu)完整和性能穩(wěn)定，可以在一定條件下代替金屬箍帶卡箍。

0 引言

卡箍通常用于飛機、發(fā)動機上各種管路、電線電纜、儀表儀器、成品附件等產(chǎn)品的安裝與固定［1］。由于其遍布飛機功能系統(tǒng)的各個部位，除工作載荷外還承受包括振動、機械沖擊、溫度循環(huán)、濕熱、液體浸漬等多種環(huán)境載荷，卡箍的結(jié)構(gòu)完整性和功能可靠性會直接影響飛機的飛行安全。國內(nèi)廣泛采用的安裝固定卡箍一般由箍帶和膠墊組成，其中箍帶材料主要有鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、塑料等［2］。隨著新型殲擊機、艦載機、運輸機等型號的立項研發(fā)，裝備性能不斷提升，對卡箍等標準件的強度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、抗疲勞性和環(huán)境適應(yīng)性等都提出了更高的要求。聚醚醚酮（簡稱PEEK）具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕及尺寸穩(wěn)定等特點［3-6］，已經(jīng)在國外廣泛用于軍工領(lǐng)域。PEEK卡箍除了材料本身的特點之外，相比傳統(tǒng)的帶墊金屬卡箍還有以下優(yōu)勢：

（1）易安裝，帶墊金屬卡箍尤其是不銹鋼箍帶卡箍安裝困難，安裝效果受具體操作影響較大，PEEK卡箍則安裝便捷，安裝一致性較高；

（2）箍帶和膠墊一體化處理，避免了使用過程中膠墊躥動造成的裝配問題；

（3）相對于金屬卡箍，PEEK卡箍對線束、導(dǎo)管的損傷風(fēng)險更低。

基于以上特點，PEEK卡箍產(chǎn)品在國外軍民用飛機中廣泛應(yīng)用，積累了大量試驗與外場數(shù)據(jù)，為設(shè)計選用提供了支撐；而國內(nèi)此類產(chǎn)品研發(fā)尚處于起步階段，相應(yīng)的驗證試驗還不完善［5］。為了滿足新型號的設(shè)計選用需求，對PEEK卡箍產(chǎn)品承載性能和耐環(huán)境性能進行全面的考核已是當(dāng)務(wù)之急。本文對兩種結(jié)構(gòu)形式的PEEK卡箍進行了載荷試驗，并通過對比試驗分析了振動、溫度老化、液體浸漬等環(huán)境載荷對產(chǎn)品性能的影響，為PEEK卡箍的設(shè)計選用了提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗

1.1 試件

試驗選用P型和馬鞍型兩種典型結(jié)構(gòu)的卡箍［8-9］進行試驗研究，卡箍箍體材料是PEEK，襯墊材料是硅橡膠，兩部分通過模壓成一體，試驗樣件如圖1所示，內(nèi)徑分別是3.65和5.08 cm。這兩種結(jié)構(gòu)形式的卡箍廣泛應(yīng)用于飛機的多個系統(tǒng)，起到線束和管路的固定支撐作用。

圖1 PEEK卡箍試驗樣件Fig.1 PEEK clamp test sample

1.2 拉伸試驗

卡箍在服役過程中會承受來自導(dǎo)管、線束或其他成品的機械載荷作用，卡箍在載荷下結(jié)構(gòu)完整和功能可靠是保證飛行安全的基本條件。為了獲得PEEK卡箍抵抗極限載荷的能力，本文在不同的安裝角度和環(huán)境溫度下對試驗件進行了拉伸試驗，安裝示意圖見圖2。

圖2 卡箍安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of clamp

試件安裝到專用夾具上后，以25.4 mm／min的拉伸速率加載，直至破壞。

1.3 環(huán)境試驗

1.3.1 振動與沖擊試驗

振動和機械沖擊是對卡箍結(jié)構(gòu)強度、疲勞性能影響最大的環(huán)境載荷之一，可能導(dǎo)致卡箍箍帶斷裂，完全喪失安裝固定能力。本文針對P型和馬鞍型卡箍開展了正交三軸向的振動和機械沖擊試驗，試驗用導(dǎo)管、線束、管內(nèi)油液、卡箍安裝間距等均按美國波音公司標準BPS—S—222［10］執(zhí)行，試驗流程如圖3所示，振動與沖擊試驗輸入條件見表1。

圖3 振動試驗流程Fig.3 Vibration test process

表1 振動試驗量值Tab.1 Vibration test values

1.3.2 老化試驗

老化試驗分為干熱老化、濕熱老化和溫度循環(huán)老化三個條件分別進行，以研究PEEK卡箍在不同溫度、濕度條件下的性能穩(wěn)定性，具體試驗條件如下：

干熱：溫度控制在135℃（公差±2℃），保溫720 h；

濕熱：溫度控制在135℃（公差±2℃），濕度為95%（公差±5%），保溫720 h；

溫循：溫度控制在-54℃～105℃～-54℃（公差±5℃），每個極限溫度保溫15 min，每個循環(huán)時間1 h，進行400次高低溫循環(huán)老化。

1.3.3 液體浸漬試驗

卡箍裝機后會接觸到多種油液環(huán)境，不同油液對產(chǎn)品會產(chǎn)生污染，通過液體浸漬試驗研究卡箍的耐液體性能，具體試驗條件如表2所示。

表2 液體浸漬試驗條件Tab.2 Test requirements of each liquid immersion

1.3.4 濕度、鹽霧交替試驗

PEEK材料具備良好的耐腐蝕性能，為了驗證PEEK卡箍是否滿足裝備在海洋等高鹽環(huán)境的腐蝕條件要求，針對P型卡箍開展了濕度、鹽霧交替試驗，鹽霧試驗按24h噴鹽霧和24 h干燥交替進行，詳細試驗條件見表3，試驗流程如圖4所示。

表3 濕度與鹽霧試驗條件Tab.3 Teat conditions of hum idity and salt fog

圖4 濕度與鹽霧試驗流程Fig.4 Humidity and salt fog test process

1.4 環(huán)境試驗后拉伸試驗

為了進一步獲取卡箍在承受環(huán)境載荷后的性能數(shù)據(jù)，將環(huán)境試驗后的試驗件再進行拉伸試驗，具體安裝要求與1.2節(jié)拉伸試驗要求保持一致；加載方向按最小承載方向進行，即P型按P1方向，馬鞍型按P2方向。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境試驗

2.1.1 振動與沖擊試驗

試驗件經(jīng)過三個方向的振動和沖擊作用后未發(fā)生與線束／導(dǎo)管脫離，且無裂紋、破壞、開膠、永久變形或其他影響產(chǎn)品性能的損傷；前后兩次的掃頻振動發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的共振頻率未出現(xiàn)明顯變化；夾緊導(dǎo)管進行振動時，出現(xiàn)了導(dǎo)管轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，夾緊能力還不足以保證振動環(huán)境下的導(dǎo)管穩(wěn)定。

2.1.2 老化試驗

試驗件在干熱和溫度循環(huán)試驗后均未出現(xiàn)開膠、變形或其他破壞現(xiàn)象；濕熱試驗結(jié)束后，出現(xiàn)了大量的（50%以上）箍帶與膠墊剝離現(xiàn)象（圖5）。

圖5 濕熱試驗后箍帶與膠墊剝離樣件照片F(xiàn)ig.5 Photo of failure sample after damp heat test

2.1.3 液體浸漬試驗

試驗件在噴氣燃油、液壓油、潤滑油、三氯乙烷、除冰液中浸漬后未出現(xiàn)任何破壞和開膠現(xiàn)象，可以用于存在以上油液污染的系統(tǒng)；在水基堿性清洗液中浸漬后出現(xiàn)明顯的膨脹和開膠現(xiàn)象，應(yīng)避免在此種環(huán)境下使用。

2.1.4 濕度、鹽霧交替試驗

鹽霧試驗后試件均未出現(xiàn)任何開膠、破損、腐蝕及其他失效現(xiàn)象。

2.2 環(huán)境試驗后拉伸試驗

按拉伸試驗和環(huán)境試驗要求對試件開展試驗后得到以下試驗數(shù)據(jù)：卡箍在不同溫度下各方向拉伸試驗數(shù)據(jù)見表4，環(huán)境后拉伸數(shù)據(jù)見表5和圖6。

表4 不同溫度下各方向拉伸試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Tensile load test data of each direction in different tem peratures

表5 環(huán)境后拉伸數(shù)據(jù)Tab.5 Tensile load data after environmental test

PEEK卡箍經(jīng)過振動與沖擊、液體浸漬、濕度鹽霧試驗后，未出現(xiàn)目視可見的開膠、裂紋等失效現(xiàn)象，且在常溫下的拉伸載荷值未出現(xiàn)顯著的變化，說明PEEK卡箍在以上環(huán)境載荷下能保證結(jié)構(gòu)完整和性能穩(wěn)定。圖6老化試驗后卡箍在不同溫度下的載荷試驗數(shù)據(jù)，由圖可知溫度循環(huán)和干熱試驗對試件承載能力影響不是很大，變化幅度均在±10%以內(nèi)；濕熱老化后，試件的承載能力出現(xiàn)比較顯著的退化現(xiàn)象，載荷值降低20%以上，故此類產(chǎn)品應(yīng)盡量避免安裝于濕熱條件嚴酷的環(huán)境。

圖6 卡箍老化后載荷試驗數(shù)據(jù)對比圖Fig.6 Tensile load data comparison after age test of clamp

3 結(jié)論

通過試驗得到了兩種結(jié)構(gòu)PEEK卡箍的初始性能數(shù)據(jù)、耐環(huán)境載荷能力，并獲得了產(chǎn)品在環(huán)境試驗后的性能變化情況，具體總結(jié)如下：

（1）獲得了兩種卡箍的各安裝方向的承載能力，試件試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，各試驗件數(shù)據(jù)偏差較小，工藝穩(wěn)定性較好；

（2）試驗件在環(huán)境溫度下產(chǎn)品穩(wěn)定性可保證，存在溫度越高承載能力越低的現(xiàn)象，但下降不明顯；

（3）驗證了試驗件在振動與沖擊、溫度循環(huán)、干熱試驗環(huán)境下的承載能力，且在以上環(huán)境載荷后拉伸性能未出現(xiàn)明顯變化，具備了在以上環(huán)境下工作的能力；

（4）通過試驗發(fā)現(xiàn)了一些需關(guān)注的問題：卡箍使用過程中，容易出現(xiàn)鉸接處卡滯而導(dǎo)致鉸鏈脆斷的現(xiàn)象；卡箍在濕熱環(huán)境下出現(xiàn)了大量的開膠現(xiàn)象，濕熱后的承載能力也有明顯的退化現(xiàn)象，高溫高濕環(huán)境應(yīng)慎重選用；水基堿性清洗液浸漬后箍帶本身承載能力未出現(xiàn)退化，但會嚴重影響膠墊粘結(jié)性能。