航天非金屬材料失效模式庫構(gòu)建與應(yīng)用

楊慶功、張?jiān)鲫?、陳衛(wèi)娜、敬毅超、王闖 /中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

非金屬材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、高韌性、耐燒蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，是航天材料體系的重要組成部分。航天非金屬材料中的有機(jī)材料，其性能受溫度、壓力、濕度等環(huán)境因素的影響較大，長期暴露或接觸高溫、高濕以及高壓環(huán)境，極易造成材料失效；非金屬材料失效呈現(xiàn)出影響因素復(fù)雜、材料性能隨時間的延長逐漸降低直至喪失以及失效過程不易被察覺等特點(diǎn)，常常對航天產(chǎn)品研制造成較大影響，因此非金屬材料質(zhì)量保證始終是航天產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要內(nèi)容。

為從源頭有效控制航天非金屬材料常見質(zhì)量問題的發(fā)生，確保航天產(chǎn)品質(zhì)量，有必要從生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、儲存、交付、驗(yàn)收等各階段對航天非金屬材料可能發(fā)生的失效模式進(jìn)行歸納總結(jié)和分析，提前辨識航天非金屬材料潛在的失效風(fēng)險，制定有針對性的預(yù)防措施，這既有利于全面掌握航天非金屬材料質(zhì)量控制薄弱環(huán)節(jié)，也有利于從根本上提高航天非金屬材料質(zhì)量水平與可靠性。構(gòu)建航天非金屬材料失效模式庫，可以為航天非金屬材料質(zhì)量問題分析與定位提供技術(shù)支撐，有效降低非金屬材料失效分析難度，輔助快速解決航天非金屬材料質(zhì)量問題。本文以航天非金屬材料常見失效模式為基礎(chǔ)，在充分考慮航天非金屬材料功能與結(jié)構(gòu)的條件下，按照航天非金屬材料產(chǎn)品類別，對各類航天非金屬材料的失效模式進(jìn)行分析和研究，建立了航天非金屬材料失效模式基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

一、航天非金屬材料失效模式的構(gòu)建流程

航天非金屬材料失效模式庫構(gòu)建流程見圖1。由于航天非金屬材料的失效模式與材料類別具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，如橡膠及橡膠制品常見的失效模式為夾雜和老化，而膠粘劑和涂料等常見的失效模式則是性能超差，因此在構(gòu)建航天非金屬材料失效模式過程中，首先按照航天非金屬材料的產(chǎn)品特點(diǎn)和用途對其進(jìn)行分類，在產(chǎn)品類別確定后，對各類非金屬材料的失效模式進(jìn)行系統(tǒng)梳理，一是對各類歷史質(zhì)量問題信息進(jìn)行進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，二是組織專業(yè)技術(shù)人員結(jié)合航天非金屬材料的成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及服役環(huán)境等開展技術(shù)分析，統(tǒng)計(jì)分析和技術(shù)分析應(yīng)覆蓋航天非金屬材料生產(chǎn)、加工、包裝、運(yùn)輸、貯存以及交付使用等各個環(huán)節(jié)。梳理完成后，按照產(chǎn)品類別分別形成各類非金屬材料的失效模式清單，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬材料歷史質(zhì)量問題“歸零”和舉一反三情況，從材料組成、結(jié)構(gòu)與性能等方面針對各種失效模式開展機(jī)理分析，明確各類失效模式的失效原因應(yīng)對措施，編制完成非金屬材料失效模式庫，經(jīng)專家審查后正式發(fā)布用于指導(dǎo)非金屬材料的質(zhì)量管控，并在后續(xù)工作對其不斷迭代，持續(xù)提高失效模式庫的科學(xué)性和覆蓋性。

圖1 航天非金屬材料失效模式庫構(gòu)建流程

二、航天非金屬材料常見失效模式及機(jī)理

航天非金屬材料的性能受原材料、生產(chǎn)加工、使用環(huán)境等一系列因素的綜合影響，因此當(dāng)航天非金屬材料發(fā)生失效時，其失效模式的表現(xiàn)形式往往并非以單一現(xiàn)象呈現(xiàn)，常常伴隨多種現(xiàn)象，如橡膠及橡膠制品，當(dāng)其發(fā)生老化失效時，在材料性能降低的同時，還伴隨有外觀龜裂，尺寸變形等問題。因此，在開展非金屬材料失效分析過程中應(yīng)對非金屬材料的失效特征進(jìn)行綜合分析，各類常見非金屬材料的失效模式及其表現(xiàn)形式如下。

1.橡膠及橡膠制品

外觀異常：橡膠制品在生產(chǎn)過程中因模具缺陷或人為因素造成產(chǎn)品外觀出現(xiàn)破損；因壓縮量、保壓時間控制不當(dāng)，導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸超差；因老化出現(xiàn)噴霜、龜裂、變色、發(fā)粘；因模具未對準(zhǔn)、模具設(shè)計(jì)不合理、壓力過小等造成飛邊、錯位等缺陷。

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

內(nèi)部缺陷：工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生氣泡、分層、氣孔等。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)造成產(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。

斷裂：過載、疲勞斷裂，低溫脆性斷裂。

老化：在力、熱、光等作用下出現(xiàn)發(fā)粘、變脆、變硬、變色等。

2.塑料制品

外觀異常：在生產(chǎn)或貯存過程中因外力造成材料表面出現(xiàn)損傷。

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

內(nèi)部缺陷：工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)氣泡、裂紋等。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)造成產(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。

斷裂：塑料因過載、疲勞、應(yīng)力集中、內(nèi)部缺陷等原因發(fā)生斷裂。

開裂：塑料因熱處理工藝控制不當(dāng)或機(jī)械雜質(zhì)造成開裂。

變形：塑料受溫度、外力等影響發(fā)生變形。

老化：在力、熱、光等作用下出現(xiàn)發(fā)粘、變脆、變硬、變色等。

3.合成樹脂

外觀異常：產(chǎn)品因生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致顏色異常，貯存不當(dāng)形成結(jié)晶等。

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)造成產(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。

老化：在力、熱、光等作用下出現(xiàn)發(fā)粘、變脆、變硬、變色等。

4.膠粘劑

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

內(nèi)部缺陷：因溫度、壓力等工藝參數(shù)控制不當(dāng)或操作不當(dāng)，造成膠粘劑固化后內(nèi)部形成氣泡等缺陷。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)、固化條件控制不當(dāng)?shù)仍斐僧a(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。如高溫、高壓、輻射等導(dǎo)致的揮發(fā)、聚合、降解、水解、氧化等，使得膠粘劑不再具備粘接能力。

固化：厭氧膠因氧氣含量不足在使用前發(fā)生固化反應(yīng)。

5.涂料

外觀異常：顏料使用不當(dāng)、原料配比不合理、貯存不當(dāng)?shù)仍斐赏苛贤庥^異常。

性能超差：原料配比、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)、貯存不當(dāng)?shù)仍斐僧a(chǎn)品部分或全部指標(biāo)無法滿足使用要求。

6.纖維及特種紡織品

外觀異常：因編織工藝控制不當(dāng)，導(dǎo)致跳線、斷絲、折疊、纏繞、扭曲等。

性能超差：紡絲工藝控制不合格導(dǎo)致性能指標(biāo)無法滿足使用要求。

斷裂：過載發(fā)生斷裂。

7.石油產(chǎn)品

性能超差：水分超標(biāo)、添加劑失效、高溫氧化導(dǎo)致酸值增加、降解、聚合或水解，從而使得傳熱性能、潤滑性能、附著性能等指標(biāo)無法滿足使用要求。

夾雜：原料中含有雜質(zhì)或在生產(chǎn)過程中不慎混入雜質(zhì)。

8.基礎(chǔ)化學(xué)品

性能超差：生產(chǎn)工藝不當(dāng)，原材料質(zhì)量缺陷、儲存環(huán)境不當(dāng)導(dǎo)致性能指標(biāo)無法滿足使用要求。

9.碳、石墨材料及制品

內(nèi)部缺陷：因溫度、壓力、保溫時間等工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生裂紋等缺陷。

性能超差：保溫時間、壓力等生產(chǎn)工藝不當(dāng)導(dǎo)致性能指標(biāo)無法滿足使用要求。

10.陶瓷材料及制品

內(nèi)部缺陷：因溫度、壓力、保溫時間等工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、夾雜、分層、氣孔、疏松等缺陷。

11.礦物質(zhì)及其制品

內(nèi)部缺陷：因溫度、壓力、保溫時間等工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、夾雜、分層、氣孔、疏松等缺陷。

12.聚合物基復(fù)合材料

外觀異常：因原材料質(zhì)量缺陷，生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀起皮、鼓包、裂紋等，材料在內(nèi)外力或其他因素作用下出現(xiàn)磕碰傷、劃傷、腐蝕、氧化等。

內(nèi)部缺陷：時間、溫度、壓力等工藝控制不當(dāng)，纖維和樹脂浸潤性差等原因，造成孔隙、氣泡、氣孔、分層、脫粘、斷裂、相分離、相變、固化不完全產(chǎn)生應(yīng)力集中等。

夾雜：樹脂、纖維中存在夾雜物或在工藝過程中混入夾雜物。

性能超差：因高溫、高濕、輻照、腐蝕、溶劑等造成樹脂基體溶脹、開裂、降解使機(jī)械性能、耐燒蝕性能降低。

分層：因原料不合格、纖維體積含量控制不當(dāng)、鋪層順序或方向錯誤、纖維排列錯誤、固化工藝不合理、機(jī)械加工等導(dǎo)致材料承受載荷能力不足或因應(yīng)力集中而發(fā)生分層。

基體開裂：因基體、增強(qiáng)體性能指標(biāo)超差、鋪層工藝或順序不當(dāng)、環(huán)境溫濕度控制不當(dāng)、使用條件不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致基體開裂。

纖維斷裂：纖維性能超差、設(shè)計(jì)缺陷、使用不當(dāng)?shù)仍?，使纖維在載荷（拉伸、壓縮、沖擊、彎曲、剪切等）作用下發(fā)生斷裂。

變形：復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中因生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致纖維或制品發(fā)生形變，或復(fù)合材料在外力作用下發(fā)生膨脹、扭曲等形變。

斷裂：材料因載荷過高、疲勞等發(fā)生斷裂。

三、非金屬原材料失效模式庫的應(yīng)用

當(dāng)航天非金屬材料發(fā)生質(zhì)量問題后，利用非金屬材料失效模式庫輔助開展質(zhì)量問題定位與分析工作，具體工作流程見圖2，通過對非金屬材料發(fā)生質(zhì)量問題的類型進(jìn)行準(zhǔn)確判定，并將其失效模式的表現(xiàn)形式與航天非金屬材料失效模式庫中的信息進(jìn)行對比，能夠快速找到問題線索，并結(jié)合失效材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對質(zhì)量問題發(fā)生的環(huán)境條件和表現(xiàn)形式進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，為質(zhì)量問題的快速定位提供技術(shù)支撐，進(jìn)而針對質(zhì)量問題制定解決措施。

圖2 非金屬材料失效模式庫指導(dǎo)非金屬質(zhì)量問題分析與解決流程

四、結(jié)束語

本文對航天非金屬材料的失效模式進(jìn)行了梳理分析，通過開展舉一反三工作，并結(jié)合航天非金屬材料結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，對航天非金屬材料的失效模式及故障機(jī)理進(jìn)行歸納和總結(jié)，初步建立航天非金屬材料失效模式庫，有助于更加全面的掌握航天非金屬材料質(zhì)量控制薄弱環(huán)節(jié)，提前采取針對性控制措施，為航天非金屬材料質(zhì)量問題分析和解決提供支撐。非金屬材料失效問題的發(fā)生不僅與材料本身質(zhì)量缺陷有關(guān)，還與其服役環(huán)境和使用條件有很大關(guān)系，因此，必須按照質(zhì)量管理體系計(jì)劃、實(shí)施、檢查、處理（PDCA）循環(huán)管理模式，構(gòu)建故障模式庫的動態(tài)更新機(jī)制，即隨著科研生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和認(rèn)識水平的不斷提高，對航天非金屬材料故障模式庫實(shí)施動態(tài)完善，不斷提高失效模式庫的指導(dǎo)作用。后續(xù)，將進(jìn)一步研究通過信息化手段，將非金屬材料常見失效模式推送到設(shè)計(jì)選用桌面，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)師系統(tǒng)合理、正確的選用和使用非金屬材料。