熱/自然交變環(huán)境下玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠 復(fù)合材料模擬使役工況試驗(yàn)研究

彭星，孫彩云，叢大龍，陳漢賓，吳永鵬，周富，唐晶晶，董玲抒，高詩情

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

隨著我國武器裝備的升級換代，高機(jī)動(dòng)裝備動(dòng)力艙面臨越來越嚴(yán)酷的熱/自然交變環(huán)境，特別是作為現(xiàn)代空地一體戰(zhàn)紐帶的航空裝備，由于其動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)加劇，導(dǎo)致航空裝備的機(jī)動(dòng)反應(yīng)靈活、作戰(zhàn)功能全面、攻擊火力精確和生存能力強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)難以充分發(fā)揮[1-3]。由于裝備動(dòng)力系統(tǒng)的功率不斷提高，裝備動(dòng)力艙內(nèi)熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)持續(xù)加劇，導(dǎo)致整流罩、電子元器件、儀器設(shè)備等艙內(nèi)關(guān)鍵零部件出現(xiàn)性能退化或功能喪失，嚴(yán)重影響了裝備的戰(zhàn)技指標(biāo)[4-7]。多種航空裝備均采用低導(dǎo)熱系數(shù)的纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)的有效控制，保證艙內(nèi)各零部件的正常工作[8-9]。

氣凝膠是指以納米量級顆粒相互聚集構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)固態(tài)材料，其骨架顆粒直徑為4～20 nm，孔隙尺寸為20～500 nm，孔隙率高達(dá)90%以上，被譽(yù)為“藍(lán)煙”[10]。氣凝膠在熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等方面都表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，尤其是在熱學(xué)方面，具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可低至5 mW/(m·K)，能有效地阻隔熱的傳導(dǎo)和輻射，是一種超級絕熱材料，但其力學(xué)性能較低[11]。在纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料中，纖維的加入可產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維脫粘、纖維拔出、纖維橋聯(lián)等增韌機(jī)制，增加復(fù)合材料破壞前所吸收的能量，從而提高材料的力學(xué)性能，同時(shí)氣凝膠復(fù)合材料還具有較好的成形性[12]。

在裝備動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)的持續(xù)影響下，纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料也會(huì)出現(xiàn)性能退化的現(xiàn)象，會(huì)隨使役時(shí)間的增加而發(fā)生變化[13]。由于模擬使役工況的試驗(yàn)難度大，國內(nèi)對裝備動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境下纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料的性能退化研究較少，少有明確的退化規(guī)律提出[14]。

本文以玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料為研究對象，以濕熱、鹽霧和高溫試驗(yàn)為裝備動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境試驗(yàn)譜，以振動(dòng)試驗(yàn)為加速因子，開展5 個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)室模擬使役工況加速試驗(yàn)。對比分析樣件初始狀態(tài)和每一個(gè)周期試驗(yàn)后的宏觀形貌、微觀形貌、元素組成、導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱性能等，研究纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料的性能隨模擬使役工況試驗(yàn)時(shí)間的退化規(guī)律，提升裝備動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)控制水平，支撐高機(jī)動(dòng)裝備在熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)控制領(lǐng)域的發(fā)展。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

以玻璃纖維預(yù)制體為增強(qiáng)體，以正硅酸乙酯（TEOS）為硅源，采用溶膠-凝膠法和超臨界流體干燥工藝，將SiO2溶膠與玻璃纖維預(yù)制體混合，加入玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%，形成凝膠混合體。然后將混合體經(jīng)老化和干燥后，即制備得到玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料[15-17]。試樣編號和對應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，制備了3 種規(guī)格的樣件，每一類樣件并制備了1 組平行樣。200 mm×200 mm 的樣件用于宏觀形貌觀察、微觀形貌觀察、元素組成測試和25/80 ℃當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)測試，φ200 mm 的樣件用于300 ℃當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)測試，300 mm×400 mm 的樣件用于熱面溫度200 ℃時(shí)的隔熱性能測試，共計(jì)8 件樣件。

表1 試樣編號及設(shè)計(jì)參數(shù) Tab.1 Sample numbers and design parameters

1.2 方法

按照如圖1 所示的動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)譜開展模擬使役工況試驗(yàn)。首先是開展樣件的初始狀態(tài)性能測試；然后開展第一周期的濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)及性能測試；最后按此循環(huán)完成樣件5 個(gè)周期的模擬使役工況試驗(yàn)。模擬使役工況的試驗(yàn)方法見表2，主要包括濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)。

圖1 模擬使役工況試驗(yàn)譜 Fig.1 Test spectrum of service condition simulation

表2 試驗(yàn)方法 Tab.2 Tests methods

1.3 測試方法

采用Sirion200 型場發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌，加速電壓為20 kV。采用EDS 能譜分析儀分析樣件熱阻層微區(qū)的元素組成。采用HFM446 耐馳熱流法導(dǎo)熱儀和 CHY-200 測厚儀測試樣件熱阻層25/80 ℃的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。采用WNK-200G 型智能型高溫雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀和CHY-200 測厚儀測試樣件300 ℃的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。采用平板型隔熱性能測試系統(tǒng)測試樣件熱面溫度為200 ℃時(shí)的隔熱性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌分析

裝備動(dòng)力艙在熱/自然交變環(huán)境下的纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料，經(jīng)濕熱、鹽霧、高溫、效應(yīng)影響后變化明顯，其模擬使役工況試驗(yàn)后的宏觀形貌可以定性反映其受到的環(huán)境損傷[18-20]。樣件模擬使役工況試驗(yàn)后的宏觀形貌如圖2 所示。樣件整體為白色，隨著模擬使役工況試驗(yàn)的進(jìn)行，樣件顏色逐漸變黃；在4、5 周期試驗(yàn)后，顏色明顯全面變黃，但表面平整無破損。分析原因是，樣件在4、5 周期試驗(yàn)后，受到的環(huán)境損傷很大，導(dǎo)致表面顏色發(fā)生明顯變化，會(huì)導(dǎo)致其微觀形貌也發(fā)生明顯變化。

圖2 樣件在模擬使役工況試驗(yàn)后的宏觀形貌 Fig.2 Macroscopic morphology of samples after service condition simulation tests: a) initial;b) 1 cycle;c) 2 cycles;d) 3 cycles;e) 4 cycles;f) 5 cycles

2.2 微觀形貌分析

樣件模擬使役工況試驗(yàn)后的微觀形貌如圖3 所示。玻璃纖維直徑為13.5～17.5 μm，其形狀清晰，作為骨架支撐整體的熱阻層，SiO2氣凝膠呈顆粒狀或塊 狀，分布在玻璃纖維的間隙中，減少了玻璃纖維之間在熱傳導(dǎo)中產(chǎn)生的熱橋效應(yīng)，有利于降低該熱阻層或樣件的導(dǎo)熱系數(shù)[16,21-22]。隨著模擬使役工況試驗(yàn)的進(jìn)行，SiO2氣凝膠逐漸減少，在4、5 周期試驗(yàn)后，SiO2氣凝膠明顯減少。分析原因是，SiO2氣凝膠在經(jīng)歷了相當(dāng)于7 500、9 375 Fh 的使役工況試驗(yàn)后，其納米多孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，導(dǎo)致其坍塌和脫落，出現(xiàn)明顯減少的現(xiàn)象。這表明樣件的SiO2氣凝膠在4、5 周期試驗(yàn)后，受到的環(huán)境損傷很大，會(huì)導(dǎo)致其性能發(fā)生明顯退化。

圖3 樣件在模擬使役工況試驗(yàn)后的微觀形貌 Fig.3 Microscopic topography of samples after service condition simulation tests: a) initial;b) 1 cycle;c) 2 cycles;d) 3 cycles;e) 4 cycles;f) 5 cycles

2.3 元素組成分析

纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料中的玻璃纖維在模擬使役工況試驗(yàn)后，其元素組成變化情況可以反映纖維受到的環(huán)境損傷程度[23]。樣件玻璃纖維在模擬使役工況試驗(yàn)后的元素組成如圖4 所示，玻璃纖維元素主要由O、Mg、Al、Si、K、Ca 組成。隨著模擬使役工況試驗(yàn)的進(jìn)行，玻璃纖維元素組成沒有明顯的變化趨勢，表明樣件中玻璃纖維受環(huán)境效應(yīng)的損傷較小，未導(dǎo)致其性能發(fā)生退化。因此，纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料的性能退化僅是SiO2氣凝減少導(dǎo)致，與玻璃纖維的關(guān)系不大。

圖4 樣件在模擬使役工況試驗(yàn)后的纖維組成 Fig.4 Fiber element compositions of samples after service condition simulation tests

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)分析

纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)是評判其性能好壞的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，導(dǎo)熱系數(shù)越低，說明其控制裝備動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)的效果越好[24]。樣件在模擬使役工況試驗(yàn)后的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果如圖5 所示。隨著模擬使役工況試驗(yàn)的進(jìn)行，其在25、80、300 ℃的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)均呈增大趨勢，而且均在4 周期試驗(yàn)后升高幅度較大。樣件25 ℃當(dāng)量導(dǎo)熱 系數(shù)由初始的0.018 9 W/(m·K)升高至0.026 4 W/(m·K)，80 ℃當(dāng) 量 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 由 0.028 2 W/(m·K)升 高 至0.039 7 W/(m·K)，300 ℃當(dāng) 量 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 由0.040 6 W/(m·K)升高至0.082 5 W/(m·K)。在4 周期試驗(yàn)后，樣件中的SiO2氣凝膠明顯減少，使得其導(dǎo)熱系數(shù)在4 周期試驗(yàn)后出現(xiàn)明顯的增大現(xiàn)象。此外，測試溫度越高，樣件導(dǎo)熱系數(shù)在4 周期試驗(yàn)后的增幅也越大。這是因?yàn)椴ＡЮw維的紅外遮光性較差，SiO2氣凝膠明顯減少后，對熱量的阻隔和反射也明顯減弱，隨著溫度的升高，減弱的趨勢更為明顯。

圖5 樣件在模擬使役工況試驗(yàn)后的導(dǎo)熱系數(shù) Fig.5 Thermal conductivity of samples after service condition simulation tests

2.5 隔熱性能分析

纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料的隔熱性能是衡量其裝備動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)控制效果的關(guān)鍵性能參數(shù)[7]。樣件在模擬使役工況試驗(yàn)后，熱面溫度為200 ℃時(shí)的隔熱性能如圖6 所示。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，樣件熱面溫度和冷面溫度在30 min 之后趨于穩(wěn)定，保溫60 min 后結(jié)束試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)樣件熱面溫度為200 ℃、環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，其初始狀態(tài)至5 周期試驗(yàn)后的冷面溫度分別為51.0、52.5、56.3、58.1、66.2、68.5 ℃。隨著模擬使役工況試驗(yàn)的進(jìn)行，樣件冷面溫度呈升高趨勢。某型航空裝備動(dòng)力艙對隔熱材料的隔熱要求是“熱面溫度為200 ℃時(shí)，冷面溫度不超過75 ℃”。因此，雖然玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣 凝膠復(fù)合材料隔熱性能下降，但在5 周期模擬試驗(yàn)后，其隔熱性能仍能滿足裝備要求，該材料具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

圖6 樣件在模擬使役工況試驗(yàn)后熱面溫度 為200 ℃時(shí)的隔熱性能 Fig.6 Thermal insulation performance of samples after service condition simulation tests at hot surface temperature 200 ℃

樣件模擬使役工況試驗(yàn)后，熱面溫度為200 ℃時(shí)的冷面平均溫度與環(huán)境溫度的交變溫差如圖7 所示，用于表示樣件對熱/自然交變環(huán)境效應(yīng)的控制效果。未采用玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料控制時(shí)，其熱/自然交變溫差為樣件熱面溫度與環(huán)境溫度之間的差值，即175 ℃；采用纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料控制后，其熱/自然交變溫差為26.0 ℃，大幅降低了動(dòng)力艙的熱/自然交變溫差。隨著模擬使役工況的進(jìn)行，其熱/自然交變溫差呈升高趨勢，1—5 周期試驗(yàn)后的交變溫差分別為27.5、31.3、33.1、41.2、43.5 ℃。樣件的交變溫差在4 周期試驗(yàn)后的升高幅度最大，經(jīng)5 個(gè)周期模擬使役工況試驗(yàn)后，樣件的熱/自然交變溫差升高了67.31%。樣件交變溫差、隔熱性能與其導(dǎo)熱系數(shù)具有一致的變化規(guī)律，因?yàn)闃蛹母魺嵝阅苡善鋵?dǎo)熱系數(shù)決定，其導(dǎo)熱系數(shù)保持較低取決于SiO2氣凝膠納米結(jié)構(gòu)不被破壞。

圖7 樣件在模擬使役工況試驗(yàn)后熱面溫度為 200 ℃時(shí)的交變溫差 Fig.7 Alternating temperature differences of samples after service condition simulation tests at hot surface temperature 200 ℃

結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果得出，濕熱試驗(yàn)的相對濕度（95%±5%）和溫度（65 ℃）對玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料的影響不明顯，鹽霧試驗(yàn)的中性鹽霧對玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料的影響也不明顯。高溫試驗(yàn)的溫度（200 ℃）對玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料有一定影響，高溫會(huì)使氣凝膠中的納米孔徑被放大，甚至破壞，導(dǎo)致其可能大于空氣的自由程，使材料內(nèi)部的零對流被破壞，增大內(nèi)部的傳熱，從而導(dǎo)致該材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大。振動(dòng)試驗(yàn)的隨機(jī)振動(dòng)對玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料有明顯的影響，劇烈的機(jī)械振動(dòng)會(huì)破壞SiO2氣凝膠復(fù)合材料的納米多孔結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料內(nèi)部的零對流、低傳導(dǎo)和低輻射都會(huì)被打破，增大內(nèi)部的傳熱，從而導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)增大。

綜上所述，減小玻璃纖維的直徑，優(yōu)化SiO2氣凝膠的溶膠配比和干燥工藝，從而提高玻璃纖維SiO2氣凝膠的結(jié)合力，強(qiáng)化SiO2氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)，減少氣凝膠的原始孔徑，降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，最終提高其性能保持率。

3 結(jié)論

針對裝備動(dòng)力艙熱/自然交變環(huán)境下玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料，開展了模擬使役工況試驗(yàn)和性能功能測試分析，得出以下主要結(jié)論。

1）經(jīng)模擬使役工況試驗(yàn)后，玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料的顏色由白色逐漸變成黃色，SiO2氣凝膠含量逐漸減少，纖維元素組成變化不明顯，導(dǎo)熱系數(shù)升高，隔熱性能降低。

2）玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料在前3 個(gè)周期模擬使役工況試驗(yàn)后，性能退化不明顯，在4 周期模擬使役工況試驗(yàn)后，出現(xiàn)了明顯的性能退化。

3）玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料經(jīng)5 個(gè)周期的模擬使役工況試驗(yàn)后，其常溫導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026 4 W/(m·K)，熱面溫度為200 ℃時(shí)，冷面平均溫度僅為68.5 ℃，熱/自然交變溫差為43.℃，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。