典型大氣環(huán)境下新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)境適應(yīng)性分析

肖敏, 楊萬(wàn)均, 周漪, 楊華明, 龍仕騰, 陳建瓊

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.國(guó)防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心，重慶 400039；3.海南萬(wàn)寧大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，萬(wàn)寧 571000；4.黑龍江漠河大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，漠河 165300；5.西藏拉薩大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，拉薩 850100；6.重慶江津大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，江津 402200）

引言

在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)和反恐防突中，武器裝備的輕量化是實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)、高機(jī)動(dòng)突防和火力機(jī)動(dòng)的重要條件之一。如何達(dá)到高的作戰(zhàn)效能和裝備重量之間的完美結(jié)合，采用更加輕質(zhì)的材料是目前裝備有效減重的首選途徑之一。為了滿足裝備部件物理機(jī)械性能和輕量化的要求，具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度大、比模量突出、耐腐蝕等優(yōu)良的性能的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)逐步在輕武器研制中獲得應(yīng)用[1-12]。但是，裝備擬采用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及部件的環(huán)境適應(yīng)性如何、貯存壽命有多長(zhǎng)、性能隨時(shí)間的劣化規(guī)律和各種環(huán)境應(yīng)力對(duì)其的影響效果怎樣，目前尚是困擾纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在武器裝備上廣泛應(yīng)用的一個(gè)系列關(guān)鍵問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題，我們對(duì)某型槍械系統(tǒng)擬采用的新型碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在我國(guó)典型大氣自然環(huán)境中的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了分析研究，為某槍械系統(tǒng)選材提供了技術(shù)支撐，為兩類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在武器裝備上的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)武器裝備的有效輕量化起到了積極的推動(dòng)作用。

1 試驗(yàn)與測(cè)試

試驗(yàn)采用的樣品為某槍械系統(tǒng)擬采用的某牌號(hào)新型高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料A，其主要成分為尼龍6+碳纖，以及某牌號(hào)新型高強(qiáng)度玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料B，其主要成分為尼龍6+玻纖。

為研究這兩種新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在我國(guó)典型大氣自然環(huán)境中的環(huán)境適應(yīng)性，達(dá)到滿足某型槍械系統(tǒng)全天候全地域服役的要求，我們分別在代表熱帶海洋氣候的海南試驗(yàn)站、代表寒帶寒冷氣候的黑龍江試驗(yàn)站和代表高原高太陽(yáng)輻射的西藏試驗(yàn)站采用兩種材料制成的拉伸樣與沖擊樣，開(kāi)展了為期兩年的戶外暴露環(huán)境試驗(yàn)[13-20]，以期對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析研究。兩種復(fù)合材料在三個(gè)典型環(huán)境中的戶外暴露試驗(yàn)狀態(tài)如圖1所示。表1為海南試驗(yàn)站、黑龍江試驗(yàn)站、西藏試驗(yàn)站三個(gè)典型大氣自然環(huán)境試驗(yàn)站的氣候類型與有關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)樣品于6月份完成投試工作，經(jīng)過(guò)2年的戶外暴露試驗(yàn)，共獲得9個(gè)周期的試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試結(jié)果

檢測(cè)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析與處理后，采用圖表分析法獲得了A、B兩類新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樣品在海南、黑龍江和西藏三個(gè)典型大氣自然環(huán)境下的拉伸與沖擊性能隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖2～4所示。

3 分析與討論

3.1 環(huán)境濕度對(duì)樣品性能的影響分析

圖1 兩種復(fù)合材料試樣戶外暴露試驗(yàn)狀態(tài)

表1 三典型試驗(yàn)站氣候類型與有關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)[21,22]

從圖2～4我們可以看出，A、B兩類試驗(yàn)材料，在海南試驗(yàn)站的樣品性能變化波動(dòng)幅度最小，基本無(wú)大的上下波動(dòng)情況出現(xiàn)，在黑龍江試驗(yàn)站次之，其性能變化上下波動(dòng)范圍在上下約（10～20）%以內(nèi)（拉伸強(qiáng)度的波動(dòng)幅度略?。?，在西藏試驗(yàn)站的樣品性能變化波動(dòng)幅度最大，其性能變化上下波動(dòng)范圍在上下約（20～30）%以內(nèi)（拉伸強(qiáng)度的波動(dòng)幅度略?。?。對(duì)比分析三個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)的月平均相對(duì)濕度變化規(guī)律，如圖5所示，可以看出，海南試驗(yàn)站的月平均相對(duì)濕度波動(dòng)幅度最小，其環(huán)境相對(duì)濕度常年在80 %左右；黑龍江試驗(yàn)站次之，其環(huán)境相對(duì)濕度年相對(duì)濕度基本在（40～80）%之間波動(dòng)，表現(xiàn)為春秋低，夏冬高；西藏試驗(yàn)站月平均相對(duì)濕度波動(dòng)幅度最大，其環(huán)境相對(duì)濕度年相對(duì)濕度基本在（20～60）%之間波動(dòng)，表現(xiàn)為夏高冬低。

圖2 海南試驗(yàn)站拉伸與沖擊強(qiáng)度保留率變化規(guī)律圖

圖3 黑龍江試驗(yàn)站拉伸與沖擊強(qiáng)度保留率變化規(guī)律圖

圖4 西藏試驗(yàn)站拉伸與沖擊強(qiáng)度保留率變化規(guī)律圖

圖5 三站月平均相對(duì)濕度變化規(guī)律圖

上述對(duì)比分析表明：樣品的性能變化波動(dòng)幅度大小與試驗(yàn)環(huán)境的相對(duì)濕度波動(dòng)大小相關(guān)，環(huán)境相對(duì)濕度的波動(dòng)越大，樣品的性能波動(dòng)幅度越大。這也表明，環(huán)境濕度是引起兩種材料力學(xué)性能波動(dòng)的主要因素，且環(huán)境濕度對(duì)于樣品性能的影響在試驗(yàn)站點(diǎn)與試驗(yàn)周期內(nèi)具有可逆性。當(dāng)夏季西藏和黑龍江兩地的相對(duì)濕度升高時(shí)，樣品的沖擊強(qiáng)度也隨之升高，而拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度相反，隨濕度的升高而降低；當(dāng)西藏的冬季和黑龍江的春季兩地的相對(duì)濕度降低時(shí)，樣品的沖擊強(qiáng)度也隨之降低，而拉伸強(qiáng)度則隨相對(duì)濕度的降低而升高。

3.2 環(huán)境溫度與太陽(yáng)輻射對(duì)樣品性能的影響分析

對(duì)比圖2～4我們可以得到，在海南和黑龍江，A樣品的性能變化幅度均較B樣品大，表明：B樣品在海南和黑龍江的環(huán)境適應(yīng)性較A樣品好。在西藏，B樣品的性能變化幅度均較A樣品大，表明：A樣品在西藏的環(huán)境適應(yīng)性較B樣品好。

結(jié)合表1列出的三典型試驗(yàn)站氣候類型與有關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)分析，可以看出，海南試驗(yàn)站年平均溫度為24.6 ℃，年平均相對(duì)濕度為86 %，為常年高溫高濕環(huán)境；黑龍江試驗(yàn)站年平均溫度為-1.8 ℃，年平均相對(duì)濕度為66 %，為典型的低溫環(huán)境；而西藏試驗(yàn)站的年平均溫度為4.5 ℃，年平均相對(duì)濕度為55 %，其和海南試驗(yàn)站比，其溫度與相對(duì)濕度均沒(méi)有海南試驗(yàn)站的高溫高濕嚴(yán)酷，其和黑龍江試驗(yàn)站比，其環(huán)境溫度沒(méi)有黑龍江試驗(yàn)站低，年溫差波動(dòng)沒(méi)有黑龍江試驗(yàn)站大（黑龍江試驗(yàn)站極端低溫?cái)?shù)據(jù)為-52.3 ℃，夏季高溫可達(dá)35 ℃以上，平均年溫差達(dá)到76.4 ℃，有明顯的夏烈冬寒特征[21]），和海南和黑龍江兩試驗(yàn)站相比，西藏試驗(yàn)站的年太陽(yáng)輻射量較海南試驗(yàn)站高出2 772 MJ/m2，較黑龍江試驗(yàn)站高出3 678 MJ/m2，是典型的高輻射環(huán)境，由此分析可得：試驗(yàn)所用該牌號(hào)新型高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樣品（A）對(duì)太陽(yáng)輻射的環(huán)境適應(yīng)性較好，對(duì)溫度與濕度的環(huán)境適應(yīng)性較差。試驗(yàn)所用該牌號(hào)新型高強(qiáng)度玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樣品（B）對(duì)溫度與濕度的環(huán)境適應(yīng)性較好，對(duì)太陽(yáng)輻射的環(huán)境適應(yīng)性較差。

圖6 ～7分別為A樣品與B樣品在海南、西藏、黑龍江三站的拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度保留率變化對(duì)比分析圖。

通過(guò)圖6～7的對(duì)比，我們可以看到：

圖6 A樣品三站拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度保留率變化對(duì)比分析圖

圖7 B樣品三站拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度保留率變化對(duì)比分析圖

A樣品在西藏其性能是圍繞原始值上下波動(dòng)，除去環(huán)境濕度對(duì)其的影響，可以認(rèn)為其性能大致在原始值附近變化，性能表現(xiàn)較為穩(wěn)定，結(jié)果同樣表明：A樣品對(duì)西藏地區(qū)的環(huán)境有較好的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)太陽(yáng)輻射有較好的耐受性。

A樣品在海南試驗(yàn)站其拉伸強(qiáng)度保留率低于原始值約30 %，沖擊強(qiáng)度保留率高于原始值約50 %，在黑龍江試驗(yàn)站其拉伸強(qiáng)度保留率低于原始值約20 %，沖擊強(qiáng)度保留率高于原始值約30 %，結(jié)果表明：A樣品在黑龍江的環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于萬(wàn)寧，其對(duì)高溫高濕環(huán)境的耐受性較差。

比較A樣品在三個(gè)典型環(huán)境下的性能穩(wěn)定性為：西藏＞黑龍江＞海南。

B樣品在黑龍江其性能基本圍繞原始值上下波動(dòng)，除去環(huán)境濕度對(duì)其的影響，在兩年的試驗(yàn)期內(nèi)，其拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出極緩慢的下降趨勢(shì)，其沖擊強(qiáng)度則呈現(xiàn)出極緩慢的上升趨勢(shì)，可以認(rèn)為其性能大致在原始值附近變化，性能表現(xiàn)較為穩(wěn)定[23]，表明：B樣品對(duì)黑龍江地區(qū)的環(huán)境有較好的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)低溫有較好的耐受性。

B樣品在海南試驗(yàn)站其拉伸強(qiáng)度保留率低于原始值約20 %，沖擊強(qiáng)度保留率高于原始值約30 %，在西藏試驗(yàn)站其拉伸強(qiáng)度保留率高于原始值約15 %，沖擊強(qiáng)度保留率低于原始值約20 %。從圖形和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在兩年的試驗(yàn)期內(nèi)，海南地區(qū)與西藏地區(qū)對(duì)B樣品的性能影響是完全相反的。在海南試驗(yàn)站受高溫高濕環(huán)境因素影響，其拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)為低于原始性能值，且其拉伸強(qiáng)度保留率基本上保持在低于原始性能值20 %的穩(wěn)定水平上，呈現(xiàn)出極緩慢的下降趨勢(shì)，其沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)為高于原始性能值，除去沖擊強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)的分散性影響，其沖擊強(qiáng)度保留率基本上高于原始性能值30 %的穩(wěn)定水平上；在西藏試驗(yàn)站受環(huán)境太陽(yáng)輻射因素影響，以及環(huán)境濕度冬低夏高的周期性變化影響，其拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)為高于原始性能值，其拉伸強(qiáng)度保留率基本上以高于原始性能值15 %為中線，隨環(huán)境濕度的波動(dòng)呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的現(xiàn)象，其沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)為低于原始性能值，其沖擊強(qiáng)度保留率基本上以低于原始性能值20 %為中線，隨環(huán)境濕度的波動(dòng)呈現(xiàn)出與拉伸強(qiáng)度保留率相反的上下波動(dòng)現(xiàn)象。

比較B樣品在三個(gè)典型環(huán)境下的性能穩(wěn)定性為：黑龍江＞西藏＞海南。B樣品在西藏地區(qū)的性能穩(wěn)定性略優(yōu)于海南地區(qū)，但其在西藏和海南的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度性能表現(xiàn)行為是完全相反的。這是典型的由于環(huán)境特征影響因素不同造成的材料性能變化完成不同的經(jīng)典例證。因此，型號(hào)產(chǎn)品在選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品使用時(shí)對(duì)材料提出的具體性能指標(biāo)要求，分服役環(huán)境有針對(duì)性的進(jìn)行材料選擇。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某型槍械系統(tǒng)擬采用的A、B兩種新型高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在我國(guó)熱帶海洋、寒帶寒冷和高原高輻射三種典型大氣自然環(huán)境下，開(kāi)展為期兩年的戶外暴露試驗(yàn)所獲得的環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

1）太陽(yáng)輻射與環(huán)境溫度、濕度對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料A和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料B的拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)相反的影響作用。在高太陽(yáng)輻射的西藏地區(qū)，A、B兩類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度升高，沖擊強(qiáng)度降低，在高溫高濕的海南地區(qū)和低溫寒冷的黑龍江地區(qū)，A、B兩類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度降低，沖擊強(qiáng)度升高。

2）環(huán)境相對(duì)濕度是造成A和B兩種材料性能波動(dòng)的主要環(huán)境因素，且其對(duì)A、B兩類材料的性能影響具有可逆性。隨著環(huán)境相對(duì)濕度的升高，A、B兩類材料的拉伸強(qiáng)度隨之降低，沖擊強(qiáng)度隨之升高，反之，隨著環(huán)境相對(duì)濕度的降低，A、B兩類材料的拉伸強(qiáng)度隨之升高，沖擊強(qiáng)度隨之降低。在兩年的試驗(yàn)期內(nèi)，在西藏地區(qū)，A、B兩類材料隨環(huán)境相對(duì)濕度的波動(dòng)，其性能變化在性能檢測(cè)中值上下（20～30）%范圍內(nèi)波動(dòng)（拉伸強(qiáng)度的波動(dòng)幅度略?。?，在黑龍江地區(qū)，A、B兩類材料隨環(huán)境相對(duì)濕度的波動(dòng)，其性能變化在性能檢測(cè)中值上下（10～20）%范圍內(nèi)波動(dòng)（拉伸強(qiáng)度的波動(dòng)幅度略小），在海南地區(qū)，環(huán)境相對(duì)濕度常年在80 %左右，A、B兩類材料在海南地區(qū)無(wú)大的性能變化波動(dòng)情況。

3）在兩年的試驗(yàn)期內(nèi)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料A對(duì)太陽(yáng)輻射有較好的耐受性，表現(xiàn)為其性能穩(wěn)定，僅隨環(huán)境濕度的波動(dòng)而在原始值附近上下波動(dòng)，高溫高濕環(huán)境對(duì)其性能變化影響劇烈，低溫環(huán)境對(duì)其性能變化也有較大的影響。A類材料在兩年的試驗(yàn)期內(nèi)，在高溫高濕的海南環(huán)境中，其性能變化穩(wěn)定表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度保留率低于原始值約30 %，沖擊強(qiáng)度保留率高于原始值約50 %；在低溫寒冷的黑龍江環(huán)境中，其性能變化表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度保留率低于原始值約20 %，沖擊強(qiáng)度保留率高于原始值約30 %；并隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化在上述兩值附近上下波動(dòng)。就三個(gè)典型試驗(yàn)環(huán)境來(lái)說(shuō)，其在西藏地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)性最好，其次是黑龍江地區(qū)，最后是海南地區(qū)。

4）在兩年的試驗(yàn)期內(nèi)，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料B對(duì)低溫有較好的耐受性，表現(xiàn)為其性能穩(wěn)定，僅隨環(huán)境濕度的波動(dòng)而在原始值附近上下波動(dòng)，對(duì)太陽(yáng)輻射較為敏感，高溫高濕與太陽(yáng)輻射對(duì)其性能變化均有較大的影響。B類材料在兩年的試驗(yàn)期內(nèi)，在高溫高濕的海南環(huán)境中，其性能變化穩(wěn)定表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度保留率低于原始值約20 %，沖擊強(qiáng)度保留率高于原始值約30 %；在高原高輻射的西藏環(huán)境中，其性能變化表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度保留率高于原始值約15 %，沖擊強(qiáng)度保留率低于原始值約20 %；并隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化在上述兩值附近上下波動(dòng)。就三個(gè)典型試驗(yàn)環(huán)境來(lái)說(shuō)，其在黑龍江地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)性最好，西藏的環(huán)境適應(yīng)性與萬(wàn)寧相近，略優(yōu)于萬(wàn)寧。

綜上所述，建議型號(hào)選材時(shí)，一是，應(yīng)充分考慮環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)材料性能帶來(lái)的波動(dòng)性影響，避免因濕度帶來(lái)的波動(dòng)幅度過(guò)大造成的在特定環(huán)境中的特定季度出現(xiàn)的材料性能低于指標(biāo)要求的風(fēng)險(xiǎn)。二是，應(yīng)充分考慮太陽(yáng)輻射與溫度、濕度等環(huán)境特征因素對(duì)材料性能影響的不同表現(xiàn)形式，針對(duì)型號(hào)規(guī)定的使用環(huán)境，綜合考慮環(huán)境主要特征因素對(duì)型號(hào)考核的材料主要性能指標(biāo)的具體影響作用與表現(xiàn)形式，開(kāi)展材料的篩選工作，避免出現(xiàn)在特定環(huán)境出現(xiàn)故障頻發(fā)的問(wèn)題。