CN109612915A - 复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法 - Google Patents

复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法 Download PDF

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张登
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Abstract

本发明公开了复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，包括如下步骤，步骤1：收集选定海域的海洋大气环境数据，制定出该海域的环境谱；步骤2：确定湿热加速老化试验参数；步骤3，加速试验环境当量计算。本发明确定的复合材料海洋大气当量加速环境谱及当量关系可用于飞机的结构选材和防护体系、腐蚀关键结构日历寿命试验研究与验证、设计与评定等。

Description

复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法
技术领域
本发明涉及飞机环境谱编制技术领域，尤其涉及复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法。
背景技术
海洋环境下飞机不同于陆基飞机，其服役环境相对恶劣，一直处于高温、高湿、高盐分的海洋环境下；部分结构遭受盐雾、飞溅海水以及干/湿交替循环侵蚀，腐蚀问题非常严重，极大的影响了飞机的结构寿命。由于自然老化试验周期太长，为快速确定自然环境对飞机结构的腐蚀影响，需建立自然环境谱与实验室加速环境谱的当量关系，从而，在较短时间内获得飞机材料、防护体系在飞机停放环境下的腐蚀损伤规律。由于不同的结构/材料对环境的敏感性不同，需建立相对应的加速环境谱分析其在典型海洋环境下的腐蚀规律。国内目前在编制飞机环境谱时一般仅针对不同机型和不同环境进行区分，并未针对材料进行细分，故当前的环境谱无法体现同一环境谱对不同材料加速效果的差异。
发明内容
本发明的目的：提出复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，针对复合材料编制对应的环境谱并确定当量关系。
本发明的技术方案：
复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，包括如下步骤：
步骤1：收集选定海域的海洋大气环境数据，制定出该海域的环境谱；
步骤2：确定湿热加速老化试验参数；
步骤3，加速试验环境当量计算：
1)湿热老化试验
根据不同湿热环境下的吸湿扩散速率或不同湿热环境下的湿热效应试验给出加速吸湿老化的经验工程公式来计算折算系数，即
式中：K为时间折算系数；T1Φ1为实际暴露的温度和湿度；T2Φ2为加速试验的温度和湿度；T2≤60℃时，C＝46.1；
2)紫外照射试验
一个周期紫外作用时间取决于紫外试验箱中试验件表面上的紫外辐射强度和外场真实环境中一个暴露周期接受的紫外辐射量；当试验箱紫外线辐射强度60W/m2，每个试验周期所需的紫外线照射时间t为：
式中，Q'Z为外场真实环境的暴露周期平均紫外辐射强度。
优选的，步骤1中海洋大气环境数据包括温、湿度和年均盐雾谱，该海域的环境谱包括年均太阳总辐射量、年均太阳辐射强度、紫外线含量、凝露次数。
优选的，步骤2中的湿热加速老化试验的试验条件为：
湿热加速老化环境：温度：T＝600C；相对湿度：RH＝(95～100)％；
紫外照射试验环境条件：紫外线辐射强度：60W/m2；温度：T＝55℃；根据选定海域日照情况及其紫外线年辐射量即可得到紫外照射加速试验的时间。
优选的，海南海域的环境谱为：年均太阳总辐射量为Q＝4687MJ/m2，年均太阳辐射强度为Q'Z＝306W/m2，其中紫外线含量为6.53％，凝露每次作用时间为5.5小时，年均发生凝露的次数为320次。
优选的，可得到复合材料在海南海域的加速环境谱为：
(1)湿热老化：蒸馏水溶液，温度T＝60℃，暴露时间106小时；
(2)紫外老化试验：温度T＝55℃，暴露时间118小时；
(3)循环进行湿热老化和紫外老化试验12次。
本发明的有益效果：本发明确定的复合材料的海洋大气当量加速环境谱及当量关系可用于飞机的结构选材和防护体系、腐蚀关键结构日历寿命试验研究与验证、设计与评定等。
附图说明
图1为复合材料加速环境谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的介绍。
本发明以海南海洋大气环境谱为基础，给出了复合材料加速环境试验模块参数的确定方法及加速环境谱与服役环境的当量关系，编制了适合复合材料的典型海洋大气环境加速环境谱。
1.1海南海域环境谱
表1、表2为海南海域14年间的年均温-湿度谱和年均盐雾谱。实测数据显示该海域年均太阳总辐射量为Q＝4687MJ/m2，年均太阳辐射强度为Q'Z＝306W/m2，其中紫外线含量为6.53％。
据统计飞机结构表面温度低于大气温度，相对湿度RH≥65％时，在达到结构露点温度差的条件下，结构的表面会产生凝露。实测统计海南海域每天在飞机结构表面有5～6小时空气湿润程度达到饱和状态，可假设每次凝露从形成开始以及在飞机表面停留的作用时间为5.5小时。实测结果表明，该海域年均发生凝露的次数为320次。
表1海南海域年均温-湿度谱
表2海南海域年均盐雾谱
1.2复合材料裸材加速环境谱
1.2.1加速环境谱构成
复合材料老化是湿度、温度和光照三个主要环境因素,为了研究温度和湿度对复合材料老化的影响，通常进行湿热加速老化试验。为了考虑光照对复合材料的老化影响，采用紫外照射试验加速老化。
湿热加速老化环境为：
温度：T＝60℃；相对湿度：RH＝(95～100)％；
紫外照射试验环境条件：
紫外线辐射强度：60W/m2；温度：T＝55℃；根据海南海域日照情况及其紫外线年辐射量即可得到紫外照射加速试验的时间。
1.2.2加速试验环境当量计算方法
1)湿热老化试验
根据不同湿热环境下的吸湿扩散速率或不同湿热环境下的湿热效应试验给出加速吸湿(老化)的经验工程公式来计算折算系数，即
式中：K为时间折算系数；T1Φ1为实际暴露的温度和湿度；T2Φ2为加速试验的温度和湿度；T2≤60℃时，C＝46.1。
试验采用60℃蒸馏水浸泡，可认为T2为60℃，Φ2为100％，可获不同温湿度下的折算系数，如表3所示。
表3不同温-湿度与加速试验的折算系数
根据表1的数据和表3中的折算系数，将不同温度和湿度的作用时间等效为60℃蒸馏水浸泡的时间：
一年中T＝25℃时对应的浸泡时间t1＝72.2h；
一年中T＝30℃时对应的浸泡时间t2＝804h；
一年中T＝35℃时对应的浸泡时间t3＝400h；
一年中T＝40℃时对应的浸泡时间t4＝0.6h。
浸泡时间t＝t1+t2+t3+t4＝1276.8h
2)紫外照射试验
一个周期紫外作用时间取决于紫外试验箱中试验件表面上的紫外辐射强度和外场真实环境中一个暴露周期接受的紫外辐射量。当试验箱紫外线辐射强度60W/m2，外场真实环境的暴露周期平均紫外辐射强度为Q'Z时，每个试验周期所需的紫外线照射时间为：
海南海域年均紫外总辐射强度为306MJ/m2，可得：
即紫外照射子试验作用时间为1417小时。
复合材料裸材的加速环境谱如图1所示。由于每个模块试验时间较长，为便于开展试验及观测，在每个试验模块时间上都乘以了0.08333(即1/12)的因子，故加速环境谱12个循环相当与在海南海域服役一年。

Claims (5)

1.复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：收集选定海域的海洋大气环境数据，制定出该海域的环境谱；
步骤2：确定湿热加速老化试验参数；
步骤3，加速试验环境当量计算：
1)湿热老化试验
根据不同湿热环境下的吸湿扩散速率或不同湿热环境下的湿热效应试验给出加速吸湿老化的经验工程公式来计算折算系数，即
式中：K为时间折算系数；T1Φ1为实际暴露的温度和湿度；T2Φ2为加速试验的温度和湿度；T2≤60℃时，C＝46.1；
2)紫外照射试验
一个周期紫外作用时间取决于紫外试验箱中试验件表面上的紫外辐射强度和外场真实环境中一个暴露周期接受的紫外辐射量；当试验箱紫外线辐射强度60W/m2，每个试验周期所需的紫外线照射时间t为：
式中，Q'Z为外场真实环境的暴露周期平均紫外辐射强度。
2.如权利要求1所述的复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，步骤1中海洋大气环境数据包括温、湿度和年均盐雾谱，该海域的环境谱包括年均太阳总辐射量、年均太阳辐射强度、紫外线含量、凝露次数。
3.如权利要求1所述的复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，步骤2中的湿热加速老化试验的试验条件为：
湿热加速老化环境：温度：T＝600C；相对湿度：RH＝(95～100)％；
紫外照射试验环境条件：紫外线辐射强度：60W/m2；温度：T＝55℃；根据选定海域日照情况及其紫外线年辐射量即可得到紫外照射加速试验的时间。
4.如权利要求1所述的复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，海南海域的环境谱为：年均太阳总辐射量为Q＝4687MJ/m2，年均太阳辐射强度为Q'Z＝306W/m2，其中紫外线含量为6.53％，凝露每次作用时间为5.5小时，年均发生凝露的次数为320次。
5.如权利要求4所述的复合材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，得到复合材料在海南海域的加速环境谱为：
(1)湿热老化：蒸馏水溶液，温度T＝60℃，暴露时间106小时；
(2)紫外老化试验：温度T＝55℃，暴露时间118小时；
(3)循环进行湿热老化和紫外老化试验12次。
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