空空導(dǎo)彈和發(fā)射裝置非金屬結(jié)構(gòu)及功能材料的適海性分析

肖 軍，廖志忠，余治民，程 功

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院, 河南 洛陽 471009；2.空裝駐洛陽地區(qū)第一軍事代表室，河南 洛陽 471009)

0 引 言

非金屬材料絕緣、透波、防腐蝕、燒蝕防熱、彈性密封等特性使其在空空導(dǎo)彈和發(fā)射裝置的紅外透鏡、透波窗口和天線罩等部位, 以及金屬腐蝕防護、絕緣、密封、防熱、減重、隱身等方面發(fā)揮著金屬材料無法替代的作用，是產(chǎn)品不可或缺的一部分。

高濕、高溫、鹽霧和強紫外線等海洋環(huán)境因素促使金屬腐蝕[1-2]的同時，也加速了非金屬結(jié)構(gòu)和功能材料性能的劣化、老化失效，由此產(chǎn)生的吸潮、變色、起泡、開裂、分層、脫粘等異?，F(xiàn)象和理化、力學(xué)、電性能故障，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的正常使用；霉菌滋生易引起絕緣和透波性能劣化；雖然空空導(dǎo)彈和發(fā)射裝置的主體結(jié)構(gòu)多為鈦/鋁/鎂合金、高強不銹鋼和超高強度鋼[1-2]，但防護金屬腐蝕和異種金屬電偶腐蝕，實現(xiàn)透波、絕緣、防熱、減重、隱身等功能離不開非金屬材料，產(chǎn)品的適海性因結(jié)構(gòu)、材料和制造、使用維護、海洋環(huán)境的差異而大相徑庭，關(guān)系到裝備的使用、維修保障、部署和作戰(zhàn)效能發(fā)揮[1-17]。

長期以來，材料老化/抗老化研究推動技術(shù)進步，海洋環(huán)境的老化與防護技術(shù)仍是世界范圍的研究熱點[3-18]。近年來，各種載荷、環(huán)境等因素引起非化學(xué)反應(yīng)的有機高分子聚態(tài)結(jié)構(gòu)改變，由水、油、腐蝕性或化學(xué)物質(zhì)等環(huán)境中介質(zhì)引發(fā)的溶脹、滲透、環(huán)境應(yīng)力開裂、增塑劑和添加劑遷移、應(yīng)力松弛/蠕變等介質(zhì)老化備受關(guān)注。產(chǎn)品上的非金屬結(jié)構(gòu)和功能部件，如陶瓷頭錐、陶瓷窗口等也涂覆了有機或無機-有機復(fù)合的三防漆。本文主要分析海洋環(huán)境性能劣化、老化、失效等對常用非金屬結(jié)構(gòu)和功能材料的影響，討論其適海性的問題。

1 非金屬材料

1.1 材料及特點

非金屬材料通常指除金屬以外的各種工程材料，在本文中主要指空空導(dǎo)彈和發(fā)射裝置中起結(jié)構(gòu)承載或發(fā)揮主要功能的非金屬結(jié)構(gòu)材料、功能材料和輔助材料。非金屬輔助材料指連接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、器件或附于上述結(jié)構(gòu)，輔助其實現(xiàn)預(yù)定功能的導(dǎo)線、熱塑套管、膠帶等材料, 以及生產(chǎn)過程消耗性材料。

多數(shù)非金屬材料屬于電絕緣體。一些具有透光、透波、介電特性的非金屬材料用于導(dǎo)彈天線罩、透鏡或窗口結(jié)構(gòu)，如藍寶石紅外透鏡、氮化硅雷達天線罩和聚酰亞胺透波窗口等；有機非金屬彈性體100%～1 000%的高彈性用于結(jié)構(gòu)密封和阻尼減震，如各種結(jié)構(gòu)密封件和密封膠；非金屬無機陶瓷具有數(shù)千度的高熔點，碳/碳、碳/碳化硅和碳/酚醛燒蝕防熱復(fù)合材料，以及防熱涂層、隔熱瓦或氈等材料被用于宇航飛行器和導(dǎo)彈熱防護；三防漆、絕緣漆、隱身涂層廣泛應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕防護、電器絕緣和隱身；潤滑和防銹油/脂、MoS2干膜等用于減摩與防銹。有機非金屬材料通常屬于有老化、失效傾向的有壽材料。

1.2 分類及使用概況

空空導(dǎo)彈和發(fā)射裝置使用的非金屬材料的形態(tài)和性能各異，可分為9類：(1)無機和有機窗口、罩體等功能材料；(2)工程塑料和絕緣材料；(3)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；(4)橡膠與密封材料；(5)防熱材料；(6)封裝與粘接材料；(7)防護涂層材料；(8)潤滑與防銹材料；(9)輔助材料。

非金屬材料應(yīng)用廣泛，如藍寶石紅外頭罩和透鏡、SCFS和氮化硅陶瓷天線罩、石英/聚酰亞胺透波窗口；PEEK或聚酯等絕緣件、承載框架和保護套，環(huán)氧樹脂或PTFE或氰酸酯的PCB電路板；樹脂基復(fù)合材料整流罩、氣動面、支架，碳/酚醛發(fā)動機噴管；有機硅或氟-硅橡膠等密封圈、墊，結(jié)構(gòu)封裝與粘接用各種環(huán)氧膠、螺紋膠、硅橡膠，各種防護、隱身涂層，以及膠帶、熱塑套管等輔助材料。

2 海洋環(huán)境影響分析

2.1 海洋環(huán)境

高濕、高溫、高鹽霧、強紫外線(“三高一強”)，以及上述因素與霉菌的綜合作用是海洋環(huán)境的主要特征[1]。海洋環(huán)境的濕度、溫度、降雨量、日照輻射量等普遍高于內(nèi)陸，見圖1。如海南試驗站[19]的年平均溫度為24.7 ℃，年均相對濕度87%，年日照時數(shù)為2 425 h，45°年輻射總量為5 190 MJ/m2, 年降水量1 899 mm。

圖1 內(nèi)陸與沿海地區(qū)環(huán)境氣候條件比較

2.2 對結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的影響

2.2.1 海洋環(huán)境因素及作用

高濕、高溫、強紫外線、強鹽霧、多霉菌是熱帶和亞熱帶海洋有別于內(nèi)陸之處[1-2]，這些因素疊加對非金屬材料，尤其是有機非金屬材料性能的劣化、老化、失效的影響更大，在更短的時間內(nèi)即可產(chǎn)生外觀、理化、力學(xué)、電性能或功能性故障。

與金屬結(jié)構(gòu)不同，非金屬構(gòu)件通常含吸潮或親水性填料、組分，導(dǎo)致材料本身的吸潮率較高。海洋高濕環(huán)境會在物體表面形成水膜，水汽通過表面的微細孔隙、裂紋、破損等快速滲入，吸潮膨脹并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。海洋環(huán)境干/濕交替加速了這一過程，隨水一起滲入的鹽會進一步削弱、破壞材料界面之間的物理或化學(xué)結(jié)合力。強紫外線可引起三防漆、絕緣漆、防熱和隱身涂層、樹脂基復(fù)合材料、密封膠等材料中有機高分子鏈段或基團發(fā)生光致老化降解和水解老化降解反應(yīng)。總的來說，高溫、高濕有利于水汽滲透、溶脹，強紫外線、強鹽霧則促進光致老化和水解老化降解。

海洋環(huán)境溫度上升，濕度隨之增大，材料分子化學(xué)反應(yīng)的能量、速率增加，裝備故障率加大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)[12]，環(huán)境因素導(dǎo)致的故障約占故障總量60%。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理，非金屬老化反應(yīng)速率K與環(huán)境溫度T符合動力學(xué)關(guān)系：

K=Ae-(E/RT)

(1)

式中：A為有機非金屬材料相關(guān)系數(shù)；R為氣體常數(shù)；E為化學(xué)反應(yīng)活化能；T為環(huán)境溫度，單位為K。

由式(1)可知，溫度越高，材料性能劣化、老化速率越快。不同于箱式/筒裝導(dǎo)彈，空空導(dǎo)彈和發(fā)射裝置在服役期內(nèi)掛機值班期間直接暴露于風(fēng)、砂、雨、雪、雹和海洋濕熱、鹽霧、強紫外線等嚴(yán)酷的大氣環(huán)境中，承受掛飛巡航和起降過程振動、沖擊、過載等動力學(xué)環(huán)境，溫度交變沖擊以及雨水、鹽霧和砂石的沖蝕磨損，除此之外，還有多次掛彈和卸彈磨損、交變溫度沖擊、海面突防水霧沖刷等多重因素[1-2]疊加效應(yīng)，因而故障頻發(fā)。海洋暖濕環(huán)境(20～50 ℃/90%～100%)霉菌滋生產(chǎn)生霉變、腐蝕，帶來光學(xué)透鏡、透波窗口等非金屬結(jié)構(gòu)的性能劣化和故障隱患。

2.2.2 對產(chǎn)品的影響

(1)防護涂層

涂層在導(dǎo)彈和發(fā)射裝置金屬和非金屬結(jié)構(gòu)的三防、絕緣、防腐蝕、防熱、隱身等防護和功能方面發(fā)揮著重要作用。持續(xù)暴露于“三高一強”的海洋環(huán)境中，潮氣、鹽霧滲透可引起涂層附著力下降，內(nèi)應(yīng)力、破損和缺陷增加，導(dǎo)致鼓包、開裂、脫粘等故障；強紫外線的光致老化與高溫、高濕、水解老化降解等多因素的疊加，加速涂層的老化、失效進程，見圖2。一項海洋環(huán)境涂層老化行為的研究[13]認為，海洋環(huán)境對聚氨酯涂層的光澤和力學(xué)性能影響大，失效機理與紫外線、溫度、介質(zhì)、潮氣等因素有關(guān)，紫外線是失效主因。在另一項試驗研究中[14]，海洋大氣暴露的涂層出現(xiàn)失光-變色-粉化現(xiàn)象。試驗第2年粉化5級、失光率大于90%；第3年附著力下降40%，涂層基本喪失防護作用。該研究認為紫外線光致降解和水解降解協(xié)同作用是失效主因，產(chǎn)生各種宏觀和微觀缺陷直至剝落失效。海洋大氣暴露試驗[1-2]表明，強紫外線和高濕、高溫對掛機值班導(dǎo)彈和發(fā)射裝置的三防漆、防熱涂層的性能劣化作用顯著，出現(xiàn)變色、失光、起泡、剝落等故障；涂層向陽面比背光面變化大；涂層破損部位的金屬腐蝕比裸金屬更嚴(yán)重[1-2]。其他有防潮涂層的外露結(jié)構(gòu)、功能部件，如陶瓷頭錐、陶瓷透波罩等亦有類似現(xiàn)象。

圖2 海洋環(huán)境中涂層老化失效故障現(xiàn)象

(2)密封與膠粘

導(dǎo)彈和發(fā)射裝置艙內(nèi)器/組件、儀器儀表和接插件可靠性要求高，為避免潮氣和鹽霧滲入、長時間聚集而產(chǎn)生持續(xù)的腐蝕、短路等故障，常常需要密封防護。研究發(fā)現(xiàn)眾多故障和事故與密封失效有關(guān)，世界范圍內(nèi)航空器40%～60%的故障與橡膠密封材料有關(guān)[20]。如1986年挑戰(zhàn)者號航天飛機爆炸，7名宇航員喪生；1971年聯(lián)盟11號飛船3名航天員犧牲?！癘”型或異型硅橡膠等材料的密封圈、墊或密封膠廣泛用于導(dǎo)彈和發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)密封、防潮和防熱[16]，艙段連接楔塊和窗口接縫等密封部位暴露于海洋環(huán)境中, 容易產(chǎn)生滲漏和腐蝕，銹蝕又會促進密封失效、鹽霧滲入，使艙內(nèi)鋁/鎂合金框架、PCB和接插口腐蝕，導(dǎo)致承載與短路、信號異常等故障隱患。

光、熱、水分、臭氧、化學(xué)介質(zhì)等因素可造成橡膠彈性密封件在加工和使用過程中分子結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致外觀和性能劣化、壽命縮短。物理老化和化學(xué)老化是橡膠密封常見現(xiàn)象[15]。結(jié)構(gòu)密封效果取決于密封圈、墊或密封膠的彈性及保持率，長期接觸潤滑防銹油/脂、燃油等介質(zhì)，介質(zhì)中的小分子會滲入密封結(jié)構(gòu)，引起分子鏈解纏、滑移，產(chǎn)生尺寸和質(zhì)量增大、溶脹，以及彈性下降和滲漏故障。硅橡膠耐老化性能優(yōu)良，但長期暴露于海洋高濕、高溫、應(yīng)力和介質(zhì)環(huán)境, 會加速其性能劣化、老化失效[16]。觀察發(fā)現(xiàn)[2]，海洋環(huán)境老化的硅橡膠出現(xiàn)變色、龜裂、疏松、多孔、力學(xué)性能劣化等現(xiàn)象；其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；老化前后Si-O、Si-C鍵和基團出現(xiàn)變化。密封失效速率與環(huán)境條件有關(guān)，溫/濕/鹽是失效主因，霉菌滋生是另一誘因。王哲等人[11]編制加速試驗環(huán)境譜開展海洋環(huán)境試驗，發(fā)現(xiàn)丁腈橡膠、硅橡膠密封件經(jīng)過熱沖擊、鹽霧、紫外暴曬、紫外-周浸試驗后，斷裂強度和伸長率等力學(xué)性能劣化，保持率約85%。王雯霏等[18]研究認為，海洋濕、熱、載荷、紫外線和化學(xué)介質(zhì)等多因素交互協(xié)同作用，加速材料理化和力學(xué)性能劣化直至失效，溫度是失效主因，熱氧老化是主要形式。王偉偉等[21]對8種橡膠密封材料海洋典型環(huán)境研究發(fā)現(xiàn)，海洋高濕環(huán)境加速材料降解、縮短使用壽命。周鑫等[22]對乙丙、丁腈、氯丁、硅橡膠和氟橡膠等6種運載火箭常用密封材料加速老化試驗表明，除硅橡膠外，其他材料老化機理以熱氧老化為主，評估壽命趨近于自然老化壽命；而硅橡膠因水解斷鏈導(dǎo)致彈性下降、壓縮永久變形增大。在海洋環(huán)境試驗[1-2]中，部分彈體外涂抹密封膠的鋼結(jié)構(gòu)、螺釘端部的硅橡膠變色、彈性下降，外置硅橡膠密封圈表面龜裂、變硬，比產(chǎn)品艙內(nèi)的密封圈變化顯著。

不同于釘、鉚、螺栓等機械連接，膠粘具有結(jié)構(gòu)簡捷、應(yīng)力分散、無接觸電偶腐蝕、密封不漏、無異種材料焊接限制等優(yōu)點，然而，海洋環(huán)境對膠粘結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和可靠性可產(chǎn)生負面影響，如產(chǎn)品用剛性環(huán)氧膠、彈性聚氨酯灌封膠結(jié)構(gòu)在海洋高溫、高濕、強紫外線、強鹽霧、多霉菌和介質(zhì)綜合作用下，產(chǎn)生物理和化學(xué)老化，在振動、沖擊載荷作用下膠粘強度持續(xù)下降直至失效[3, 23-25]。試驗發(fā)現(xiàn)，潮氣和鹽霧滲透引起膠粘結(jié)構(gòu)裂紋、脫粘、腐蝕、電氣性能等故障，如激光引信罩滲水、吸潮引起信號異常、雷達天線罩介電性能故障等。一份環(huán)境因素-膠粘結(jié)構(gòu)老化進程研究[23]表明，1年大氣暴露試驗，環(huán)氧膠剪切強度保持率分別為46.9%，60.1%和50.61%。分析認為，溫/濕度和降雨是力學(xué)性能劣化的失效主因，而日照紫外輻射是光澤變化的失效主因。

(3)防熱材料

彈體外防熱涂層或防/隔熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件多以有機樹脂為基體，添加各種防/隔熱、增強填料和改性組分制備而成；艙體內(nèi)隔熱層主要有低密度超細纖維氈(如超細玻纖隔熱棉)或輕質(zhì)隔熱涂層(如TR-37隔熱涂層)等。多數(shù)防/隔熱填料有吸潮傾向，因而添加大量防/隔熱填料的防熱涂層(顏/基比高)、復(fù)合材料的耐熱濕性能遠比普通涂層、膠粘劑差，其加工面、破損外露部位吸潮后容易出現(xiàn)溶脹、鼓包、變形、開裂、脫粘等故障，熱防護性能劣化，見圖3。低密度纖維氈/玻璃棉也有吸潮傾向，受潮后的隔熱性能顯著劣化。導(dǎo)彈發(fā)動機噴管、推力矢量防熱部件通常采用碳/碳復(fù)合材料或高硅氧/酚醛燒蝕復(fù)合材料，防潮漆局部破損或缺陷部位存在吸潮變形、性能劣化隱患。

圖3 非金屬防熱結(jié)構(gòu)的開裂、脫粘現(xiàn)象

(4)結(jié)構(gòu)與功能材料

常見非金屬功能結(jié)構(gòu)有透鏡、透波窗口和罩體、隱身復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等。雖然無機非金屬材料透鏡或陶瓷窗口、罩體耐高溫、抗氧化，吸潮、長霉可導(dǎo)致其介電、透光性能劣化；如海洋環(huán)境外露的無機SCFS頭錐、窗口、石英/聚酰亞胺引信罩表面防潮漆失效,導(dǎo)致電性能、強/剛度性能劣化。近年來，樹脂基復(fù)合材料(PMC)海洋環(huán)境老化行為是國內(nèi)外研究熱點，涉及PMC海洋環(huán)境吸濕率、力學(xué)性能變化及機理、溶脹、纖維脫粘微觀形貌[17]等。王躍等[26]對復(fù)合材料-金屬膠補結(jié)構(gòu)研究表明, 海洋環(huán)境濕熱老化降低了膠補結(jié)構(gòu)粘合力，提前出現(xiàn)脫粘故障，由內(nèi)聚破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑嫫茐?。此外，海上長期服役PMC風(fēng)電葉片的研究表明：葉片質(zhì)量隨濕熱老化時間呈現(xiàn)增-減-增-減變化，裂紋不斷增加、擴展，抗拉強度、模量低于同期內(nèi)陸地區(qū)。紅外光譜分析表明材料發(fā)生老化降解、含水量變化。

(5)潤滑與防銹材料

潤滑油/脂、防銹油/脂、MoS2干膜、PTFE塑料等材料可降低產(chǎn)品的運動阻力、功耗和磨損，可防銹、延長使用壽命, 對防止導(dǎo)彈發(fā)射卡滯、不離軌故障、舵面操控等十分重要。在海洋環(huán)境試驗中[2]，部分產(chǎn)品外露摩擦副出現(xiàn)潤滑、防銹油/脂在海洋高濕、高溫、摩擦磨損環(huán)境中腐蝕的現(xiàn)象；固體潤滑/防護材料耐極壓、海洋環(huán)境防護、減摩和耐久性較好；鋼結(jié)構(gòu)表面的防銹油/脂在不足1個月內(nèi)出現(xiàn)干澀和銹蝕現(xiàn)象。此外，根據(jù)產(chǎn)品外露摩擦副使用工況的差異和特點，開展了防銹油、潤滑脂、硬膜防銹油、難燃型防腐蝕潤滑干膜等材料的產(chǎn)品適海性試驗，獲得大量有價值的數(shù)據(jù)。

(6)其他

膠帶、綁扎帶、海綿等常用非金屬輔助材料屬于易受海洋環(huán)境影響，是有老化、失效傾向的有壽材料。在海洋環(huán)境試驗中，出現(xiàn)含棉織物吸潮、長霉以及壓敏膠帶失粘、脫粘或膠-帶分離、膠層殘留等異常情況，存在可靠性、維修性隱患。實施線纜固定，隔離、封裝等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施；采用壓塊、卡夾替代臨時固定膠帶；選用防潮、阻燃輔助材料等措施取得良好效果，提升了產(chǎn)品的適海性和維修性。

3 提升適海性

為滿足空空導(dǎo)彈和發(fā)射裝置適海性設(shè)計要求，產(chǎn)品設(shè)計首選適海性可靠的材料和有針對性的方案和技術(shù)路線；通過表面工程技術(shù)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，隔絕、減緩海洋環(huán)境對外露非金屬結(jié)構(gòu)及材料的不利影響，改善其服役環(huán)境；完善相關(guān)產(chǎn)品海洋環(huán)境維修保障措施。嚴(yán)控產(chǎn)品質(zhì)量、降低缺陷可能帶來的潛在風(fēng)險。為此，開展了金屬與非金屬材料、典型結(jié)構(gòu)與局部和完整產(chǎn)品，以及已有表面防護工藝和技術(shù)的海洋環(huán)境專項試驗研究，獲得了對材料體系、表面防護制造工藝技術(shù)適海性的認知；通過對改進方案相同條件下的平行試驗，試驗驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、制造工藝和改進措施的有效性。從材料、表面防護工藝和質(zhì)量改進的基礎(chǔ)研究，以及產(chǎn)品工程技術(shù)創(chuàng)新同步推進。試驗表明，提升防護層附著力和厚度、減少缺陷，對重要部位遮蔽防護等措施行之有效。

3.1 材料改進

采用適海性優(yōu)良的材料體系、添加抗老化劑[1]、優(yōu)化成型工藝，是改進材料適海性的有效途徑，如共聚/共混改性，添加耐水解、抗老化填料，添加光穩(wěn)定劑/紫外吸收劑降低光致老化，加防霉劑抑制霉菌，有機硅密封膠加CeO2提高耐油性和耐熱性等[27]。

3.2 材料優(yōu)選與優(yōu)化設(shè)計

選用海洋環(huán)境工程應(yīng)用成熟的非金屬材料是保障產(chǎn)品適海性和可靠性的基礎(chǔ)。如優(yōu)選丙烯酸-聚氨酯或氟碳類涂層為三防漆，選用防水、防霉?jié)櫥冷P油/脂，在非金屬結(jié)構(gòu)表面涂三防漆或防潮涂料、鍍金屬防護層隔離海洋環(huán)境影響，完善艙段對接縫、外露窗口、測試口等縫隙和易受潮防熱零件等結(jié)構(gòu)的三防與密封設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少非金屬結(jié)構(gòu)直接暴露于三高一強海洋環(huán)境，避免水、鹽、塵淤積的縫隙、死角等。

非金屬結(jié)構(gòu)與功能材料內(nèi)部、相鄰結(jié)構(gòu)之間有眾多宏觀和微觀界面，材料在海洋環(huán)境中性能劣化、老化、失效與上述界面兩側(cè)材料的屬性、膨脹系數(shù)差異和物理化學(xué)相容性、使用工況等因素相關(guān)。導(dǎo)彈和發(fā)射裝置非金屬結(jié)構(gòu)與功能材料往往處于各種載荷、濕、熱、鹽、油/脂等介質(zhì)及海洋氣候復(fù)雜環(huán)境中，這些因素的差異可導(dǎo)致性能劣化速率和老化失效機制顯著不同，如外掛導(dǎo)彈的復(fù)合材料構(gòu)件因巡航過程溫度交變、水霧沖蝕作用，邊緣部位容易分層、水/鹽滲透而提前失效，可采用前/邊緣包覆、層間縫合、防護涂層包覆等措施，有助于提升其適海性。

為減少海洋環(huán)境的不利影響，優(yōu)化導(dǎo)彈和發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)和材料、防潮密封、濕裝配材料工藝，是結(jié)構(gòu)兼容設(shè)計和生產(chǎn)制造不斷研究與改進的工作。

3.3 制造工藝與質(zhì)量

工程實踐表明，材料選用與設(shè)計是產(chǎn)品適海性的基礎(chǔ)，制造工藝和質(zhì)量是保障。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，艦載武器海洋環(huán)境的典型失效故障模式主要有：殼體金屬腐蝕、表面三防漆起泡、接插件與活動部件銹蝕及卡滯等。海洋環(huán)境是誘發(fā)故障的失效外因，質(zhì)量不嚴(yán)和缺陷是失效內(nèi)因，如丙烯酸-聚氨酯、氟碳類蒙皮三防漆都滿足1年以上海洋環(huán)境防護要求[1-2]，多數(shù)產(chǎn)品故障與清洗、噴涂(偏薄)、缺陷、密封滲漏等因素有關(guān)，圖4為不潔凈、漏包邊和缺陷的故障。

圖4 罩體三防漆脫粘、漆膜缺陷(×15)和邊緣脫粘

成型、加工條件和歷程的差異對非金屬制品的質(zhì)量和性能影響顯著。影響因素有溫/濕度、壓力和歷程，材料取向，切削速度和冷卻液等。

各種防護漆/涂層是保護導(dǎo)彈和發(fā)射裝置的金屬和非金屬結(jié)構(gòu)免受海洋等環(huán)境因素損害的重要屏障，其破損、缺陷可引起外觀差、滲漏等故障。為滿足海洋環(huán)境服役需求，根據(jù)海洋環(huán)境試驗發(fā)現(xiàn)的問題，開展制造工藝和質(zhì)量控制技術(shù)攻關(guān)。其中，提升噴涂精度、質(zhì)量和自動化程度，優(yōu)化檢測點和例試減少缺陷是重點的工作內(nèi)容。

3.4 維修保障

鑒于海洋環(huán)境的顯著影響，有必要對產(chǎn)品服役狀況開展調(diào)研分析，找出結(jié)構(gòu)和材料薄弱部位，制訂適宜的有壽件清單和改進措施[28-29]。針對海洋環(huán)境對產(chǎn)品薄弱部位的影響、場站維修保障的特點，制訂合理的檢查、維修保障措施(調(diào)整備品備件材質(zhì)和檢查更換周期)，如定期檢查、處置預(yù)案，易損備品備件準(zhǔn)備[1-2, 11, 29]，提供外場便捷維修處理及方法等，寫入產(chǎn)品使用說明書，加大培訓(xùn)和用戶走訪力度，對非金屬透鏡、窗口和天線罩等薄弱部位，如陶瓷頭錐、聚酰亞胺引信窗口等結(jié)構(gòu)，制作保護罩(帽)進行防護以及便捷維修處理。

4 試 驗

4.1 試 驗 件

非金屬材料品種繁多、形態(tài)和性能各異，材料性能檢測可參照本文分類，按材料規(guī)范和測試標(biāo)準(zhǔn)制樣、檢測，產(chǎn)品采用典型結(jié)構(gòu)或模擬試驗件、局部和整機產(chǎn)品[1-2]試驗。試驗件的形貌、加工、表面防護及應(yīng)力等狀況應(yīng)能夠表征產(chǎn)品實際狀態(tài)。如聚酰亞胺引信罩試驗件：(1)拉伸(GB/T 1040.4)、沖擊(GB/T 1843)、電性能(GB/T 1408～1411)試樣；(2)聚酰亞胺整流罩或局部艙段等。非金屬試驗件材料配制、熱成型和加工工藝，復(fù)合材料試驗件纖維取向、表面加工等差異，都會對適海性結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，采用經(jīng)過振動、沖擊等試驗后的產(chǎn)品進行適海性試驗更符合產(chǎn)品的實際情況。產(chǎn)品服役過程易劃傷、碰撞破損的涂層、防熱層等，還可制備預(yù)制破損、預(yù)制缺口試驗件搭載適海性試驗。

4.2 試驗方法

(1)常用試驗方法

適海性試驗有自然與人工模擬海洋環(huán)境、自然老化與加速老化試驗等方法。

不同于鋼鐵銹蝕，非金屬結(jié)構(gòu)和功能材料性能劣化過程外觀上往往不易察覺，如復(fù)合材料電性能和強度/剛度變化，需要對比試驗前后的測試數(shù)據(jù),見圖5。

圖5 復(fù)合材料海洋環(huán)境試驗件

以外觀、性能及產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)進行試驗評估，如防護涂層、功能/結(jié)構(gòu)件要滿足產(chǎn)品外觀、結(jié)構(gòu)完整性和功能性要求，無起皮、脫粘、開裂等需要返修的故障；不得出現(xiàn)轉(zhuǎn)動和傳動卡滯、摩擦系數(shù)過大、因銹蝕或承載下降影響使用；無難以拆卸、斷裂等影響緊固件使用、維修保障的異常情況等。

(2)海洋大氣暴露試驗

不同海域環(huán)境對類別、品種和狀態(tài)各異的非金屬結(jié)構(gòu)件影響的方式和程度不同，試驗場地、周期和條件應(yīng)與產(chǎn)品所處海洋環(huán)境、實際使用工況相符。非金屬試驗件海洋環(huán)境試驗可出現(xiàn)變色、起皺、變脆、粉化、鼓包、水泡、脫粘等外觀變化；性能劣化往往要通過涂層電阻抗、材料的力學(xué)和理化性能檢測分析評判[3-8]；機理分析可借助紅外光譜和紅外顯微鏡、掃描電鏡、熱分析儀以及力學(xué)性能檢測等手段。

(3)加速試驗

加速試驗[20, 22-32]有自然老化和加速老化試驗方法。前者準(zhǔn)確、可靠，但周期長、難以滿足設(shè)計定型工程研制需要；后者通過強化主要環(huán)境影響因素，縮短試驗周期。加速老化試驗有單因素和多因素試驗方法。由于加速老化試驗簡化了實際環(huán)境的影響因素，其結(jié)果與真實環(huán)境存在差異；為避免誤差過大，仍需要開展真實的適海性試驗對加速老化試驗進行校正。鑒于海洋環(huán)境多因素綜合影響的實際情況，采用不同加權(quán)因子的多因素加速試驗方法逐漸為用戶所接受，如溫、濕、紫外光和應(yīng)力綜合試驗等。空空導(dǎo)彈和發(fā)射裝置的適海性試驗應(yīng)結(jié)合海洋環(huán)境、任務(wù)性質(zhì)對已有試驗方法剪裁、選用，才能獲得工程應(yīng)用。

非金屬結(jié)構(gòu)和功能材料的壽命加速試驗方法將隨著技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)的積累逐步獲得實際應(yīng)用。

5 結(jié) 束 語

研究表明，海洋環(huán)境因素促使非金屬結(jié)構(gòu)和功能性材料的性能劣化、老化、失效，進而降低裝備的可靠性及任務(wù)可靠度。通過適海性試驗與研究，對發(fā)現(xiàn)的問題，優(yōu)化制造工藝和質(zhì)量、完善維修保障措施，可提升適海性；機載導(dǎo)彈和發(fā)射裝置產(chǎn)品研發(fā)可借鑒適海性試驗數(shù)據(jù)，通過完善材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)兼容優(yōu)化設(shè)計和適海性試驗驗證，提升產(chǎn)品可靠性和使用壽命。