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【綜述推薦】發(fā)動(dòng)機(jī)典型壽命敏感件環(huán)境譜加速技術(shù)研究現(xiàn)狀（工業(yè)和信息化部電子第五研究所）

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唐慶云, 劉天嬌, 胡毅, 等. 發(fā)動(dòng)機(jī)典型壽命敏感件環(huán)境譜加速技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(12): 1-9.
TANG Qing-yun, LIU Tian-jiao, HU Yi, et al. Research Status of Environmental Spectrum Acceleration Techniques for Typical Life Sensitive Parts in Engines[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(12): 1-9.

發(fā)動(dòng)機(jī)典型壽命敏感件環(huán)境譜加速技術(shù)研究現(xiàn)狀.pdf

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唐慶云¹，劉天嬌¹，胡毅²，劉俊邦¹，張洪彬^1*

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412000）

摘要：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命敏感件環(huán)境譜加速技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。從加速環(huán)境譜的編制原則、編制方法以及當(dāng)量關(guān)系的確定和驗(yàn)證等方面，詳細(xì)介紹了加速環(huán)境譜的概念內(nèi)涵。發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命主要受金屬敏感件的腐蝕和非金屬敏感件的老化制約，重點(diǎn)從常規(guī)加速腐蝕試驗(yàn)、多因素綜合腐蝕試驗(yàn)和高溫加速腐蝕試驗(yàn)等3個(gè)方面闡述了加速腐蝕試驗(yàn)方法。從液體介質(zhì)老化、熱氧老化、綜合環(huán)境老化等方面介紹了以橡膠為代表的非金屬加速老化試驗(yàn)方法。最后指出目前當(dāng)量關(guān)系確定方法的局限性和多因素綜合模擬方法研究方面的欠缺，提出應(yīng)綜合材料、腐蝕、力學(xué)、環(huán)境等多學(xué)科的相關(guān)理論和實(shí)踐，制定更加科學(xué)合理的當(dāng)量關(guān)系確定方法，以及注重新型試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)等建議。

關(guān)鍵詞：環(huán)境譜；加速試驗(yàn)；腐蝕；老化；壽命評(píng)價(jià)；發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)量關(guān)系

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是直升機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，低空、近海飛行是其主要任務(wù)場(chǎng)景。與渦扇、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其壽命指標(biāo)要求明顯更長(zhǎng)。因此，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在壽命周期內(nèi)受環(huán)境條件的影響更為顯著。近年來(lái)，我國(guó)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障中，因腐蝕/老化環(huán)境影響導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效主要集中在壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片、機(jī)匣和本體/成附件橡膠件等環(huán)境敏感構(gòu)件上^[1-2]。金屬腐蝕和非金屬的老化是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞和功能性能下降的重要因素。

為了研究環(huán)境敏感件的腐蝕/老化行為，對(duì)其服役環(huán)境的模擬就顯得尤為重要。為縮短試驗(yàn)周期，通常的做法是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行人工加速試驗(yàn)，為此需要建立對(duì)應(yīng)的加速環(huán)境譜。由于金屬腐蝕和非金屬老化在失效模式、失效機(jī)理以及加速模擬方法上存在顯著區(qū)別，本文對(duì)金屬腐蝕和橡膠老化的環(huán)境譜加速技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，為開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)敏感構(gòu)件的加速腐蝕/老化試驗(yàn)提供借鑒。

1 加速環(huán)境譜的概念內(nèi)涵

1.1 加速環(huán)境譜

裝備的腐蝕和老化與其服役環(huán)境密切相關(guān)，服役環(huán)境是裝備使用壽命的重要影響因素之一。服役環(huán)境包括自然環(huán)境、誘發(fā)環(huán)境以及局部環(huán)境等，盡管服役環(huán)境受到服役時(shí)間、地理位置等因素的影響而存在不確定性，但是其變化往往存在一定的周期性^[3]。基于裝備經(jīng)歷的環(huán)境腐蝕/老化歷程，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)一定的方法以“譜”的形式^[4]，等效地將環(huán)境因素作用于研究對(duì)象，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其腐蝕/老化行為進(jìn)行評(píng)價(jià)，是目前工程上常用的研究手段。因此，加速環(huán)境譜在裝備環(huán)境工程領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值。

1.2 編制原則

由于裝備經(jīng)歷的實(shí)際環(huán)境復(fù)雜多樣，完全模擬真實(shí)的環(huán)境條件在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上不具備可操作性。在編制加速環(huán)境譜時(shí)，一般采用“宜粗不宜細(xì)”的處理方式^[3-7]，應(yīng)抓住主要環(huán)境影響因素，編制原則主要有：

1）相關(guān)性。在試驗(yàn)中再現(xiàn)具體對(duì)象實(shí)際服役過(guò)程出現(xiàn)的損傷形式、損傷特征和腐蝕產(chǎn)物的組成成分^[5-8]。這實(shí)際上是要求加速條件與實(shí)際條件下失效模式和失效機(jī)理的一致性，是編制加速環(huán)境譜的前提。

2）加速性。大大縮短實(shí)際環(huán)境下腐蝕歷程的時(shí)間，使加速腐蝕試驗(yàn)周期和費(fèi)用減少到工程可接受的范圍^[5-8]，這是編制加速環(huán)境譜的根本目的所在。

3）可實(shí)施性。能夠依據(jù)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備能力完成全部譜塊的試驗(yàn)，在試驗(yàn)實(shí)施上不能太復(fù)雜^[8]。這是加速環(huán)境譜的客觀限制。

4）當(dāng)量關(guān)系。加速環(huán)境譜與實(shí)際環(huán)境之間的可以通過(guò)一定的方法和準(zhǔn)則確定當(dāng)量加速關(guān)系^[8]。這是加速環(huán)境譜的核心價(jià)值。

1.3 編制方法

加速環(huán)境譜的編制方法總體上可以分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是根據(jù)裝備服役環(huán)境的實(shí)測(cè)條件，對(duì)影響裝備的主要環(huán)境因素進(jìn)行當(dāng)量折算，進(jìn)而編制加速環(huán)境譜。文獻(xiàn)[9]提出了自然環(huán)境因素向加速環(huán)境譜的轉(zhuǎn)化方法，包括環(huán)境應(yīng)力水平、作用時(shí)間、作用順序以及環(huán)境譜的轉(zhuǎn)化與綜合等。文獻(xiàn)[10]利用寧波地區(qū)近10年的環(huán)境數(shù)據(jù)編制了自然環(huán)境譜，并基于腐蝕電量相等的原理給出了可供實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)用的寧波地區(qū)加速環(huán)境譜。

另一類(lèi)常用的編制方法是參考已知的加速環(huán)境譜，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)譜塊和試驗(yàn)條件進(jìn)行剪裁和調(diào)整，形成所需的加速環(huán)境譜。美國(guó)空軍編制的針對(duì)亞熱帶地區(qū)帶涂層體系的載荷/環(huán)境譜（CASS譜）較為合理，成為很多研究者的參考對(duì)象。文獻(xiàn)[3]在CASS譜的基礎(chǔ)上，結(jié)合后勤裝備特點(diǎn)，編制了加速環(huán)境譜。崔騰飛等^[11]結(jié)合CASS譜編制了某工業(yè)海洋地區(qū)的加速環(huán)境譜，并以7B04-T6鋁合金試樣為對(duì)象開(kāi)展了試驗(yàn)。結(jié)果表明，平均腐蝕電流密度的折算系數(shù)與編譜時(shí)間的折算系數(shù)極為接近。

加速環(huán)境譜的編制主要涉及2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，其一是局部加速環(huán)境譜的確定。局部環(huán)境是造成裝備結(jié)構(gòu)具體腐蝕損傷的決定性因素^[12]，但裝備的局部環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量比較困難，不同部位的局部環(huán)境差異也較大。此外，同樣技術(shù)狀態(tài)的產(chǎn)品，在不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域，所形成的腐蝕損傷也不一樣，導(dǎo)致局部環(huán)境譜的普適性較差^[4]。為此，需要將“局部”控制在一個(gè)合適的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，環(huán)境數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的環(huán)境效應(yīng)都具有一定的相對(duì)獨(dú)立性。文獻(xiàn)[8]按照外部結(jié)構(gòu)上表面和下表面、內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)和內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)等典型結(jié)構(gòu)分區(qū)，分別編制了直升機(jī)的加速腐蝕環(huán)境譜，如圖1所示。文獻(xiàn)[13]則按照關(guān)鍵部位的不同類(lèi)型，編制了艦載戰(zhàn)斗機(jī)的疲勞關(guān)鍵部位腐蝕加速試驗(yàn)譜和腐蝕失效關(guān)鍵部位加速試驗(yàn)關(guān)鍵譜。

其二是氣象環(huán)境、化學(xué)環(huán)境、機(jī)械載荷等多因素綜合環(huán)境譜的編制。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為造成結(jié)構(gòu)損傷和開(kāi)裂的主導(dǎo)因素是交變載荷，環(huán)境的作用則是加速這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，因此按照“環(huán)境服從載荷”的原則對(duì)環(huán)境譜和載荷譜進(jìn)行了組合，形成了某結(jié)構(gòu)件的環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜。文獻(xiàn)[14]提出了將溫度、濕度和振動(dòng)同時(shí)作用于樣品的綜合試驗(yàn)譜，加速試驗(yàn)結(jié)果與自然貯存試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

1.4 當(dāng)量關(guān)系的確定與驗(yàn)證

所謂當(dāng)量關(guān)系，是指在加速環(huán)境譜與基準(zhǔn)環(huán)境譜（如地面停放環(huán)境譜）作用下達(dá)到相同腐蝕/老化程度的時(shí)間比例關(guān)系，與加速系數(shù)的概念接近。當(dāng)量關(guān)系可表示為：

α=t₁/t₂

式中：α為加速環(huán)境譜的當(dāng)量關(guān)系；t₁、t₂分別為基準(zhǔn)環(huán)境譜和加速環(huán)境譜作用下達(dá)到相同腐蝕/老化程度的時(shí)間。

由上述定義可知，如何量化表征腐蝕/老化的程度決定是確定當(dāng)量關(guān)系的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的相關(guān)研究，目前當(dāng)量關(guān)系的確定方法主要有3類(lèi)^[15]，分別是基于電化學(xué)原理的腐蝕電流法和環(huán)境嚴(yán)酷性指數(shù)法，以腐蝕深度、腐蝕面積、腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕等級(jí)等指標(biāo)作為腐蝕損傷程度度量的物理參量法，以及以損傷變量、疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命等作為指標(biāo)的力學(xué)損傷對(duì)比法。這3類(lèi)當(dāng)量關(guān)系的確定方法從腐蝕的物理本質(zhì)、宏觀表現(xiàn)形式以及最終影響效果等不同的角度對(duì)加速環(huán)境譜的當(dāng)量關(guān)系進(jìn)行了度量。

對(duì)于當(dāng)量關(guān)系的驗(yàn)證，通常需要將加速試驗(yàn)結(jié)果與基準(zhǔn)環(huán)境譜下的腐蝕情況進(jìn)行對(duì)比分析。比較理想的情況是，可以將加速試驗(yàn)后對(duì)象的腐蝕情況，與真實(shí)服役一定時(shí)限裝備的腐蝕情況進(jìn)行對(duì)比。如文獻(xiàn)[16]將某結(jié)構(gòu)模擬件加速試驗(yàn)后表面的腐蝕情況與外場(chǎng)不同服役年限飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕程度進(jìn)行了對(duì)比，得出加速譜作用1個(gè)完整的試驗(yàn)周期相當(dāng)于地面停放1 a的結(jié)論。然而，加速譜驗(yàn)證需要裝備的使用履歷、經(jīng)歷的環(huán)境條件、維修情況等多方面的信息綜合研判，目前更多地是采用自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果對(duì)加速試驗(yàn)結(jié)果和當(dāng)量關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[17]對(duì)比了某模擬涂裝試樣加速試驗(yàn)2個(gè)循環(huán)和某地自然環(huán)境試驗(yàn)2 a后色差、光澤度等的變化規(guī)律和疲勞壽命，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了加速試驗(yàn)環(huán)境譜的正確性。文獻(xiàn)[11]對(duì)比了鋁合金的加速試驗(yàn)結(jié)果和沿海地區(qū)自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為兩者的腐蝕模式一致，機(jī)理相同，計(jì)算出當(dāng)量關(guān)系為97.33。

2 典型金屬敏感件加速腐蝕試驗(yàn)方法

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的主要金屬敏感件是壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片、機(jī)匣等，涉及的材料有不銹鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金等，它們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)中的局部環(huán)境條件以及損傷機(jī)理均有所不同，因此采用的加速試驗(yàn)方法也有區(qū)別。

2.1 常規(guī)加速腐蝕試驗(yàn)

常規(guī)的加速腐蝕試驗(yàn)方法已經(jīng)發(fā)展有十余種，如濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、周浸試驗(yàn)等^[18-20]。其中，濕熱試驗(yàn)又分為恒定濕熱試驗(yàn)和交變濕熱試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)有中性鹽霧試驗(yàn)、酸性鹽霧試驗(yàn)、干濕交替循環(huán)試驗(yàn)（鹽霧試驗(yàn)和恒定濕熱試驗(yàn)組合）等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了鋅、鎂、鑄鐵、鋼、鈦合金、鋁合金等多種金屬及合金的加速腐蝕行為和機(jī)理^[20-34]，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于制定加速腐蝕試驗(yàn)譜具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。如缺少干燥過(guò)程的傳統(tǒng)鹽霧試驗(yàn)與實(shí)際腐蝕情況存在較大區(qū)別^[30]，而干濕交替循環(huán)試驗(yàn)則可以較好地模擬碳鋼等材料表面液膜的周期性變化情況，與實(shí)際情況更加接近^[33-34]。鹽霧顆粒大小會(huì)影響試樣腐蝕產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，當(dāng)顆粒較大時(shí)，會(huì)對(duì)銹層的致密結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞^[31]，單獨(dú)采用鹽霧試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)材料服役壽命是不合適的^[32]。

2.2 多因素綜合腐蝕試驗(yàn)

為了提高加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際腐蝕的相關(guān)性，多因素綜合試驗(yàn)方法近年來(lái)受到了關(guān)注。多因素綜合試驗(yàn)一般是在考慮腐蝕主要影響因素的基礎(chǔ)上，將上述試驗(yàn)手段進(jìn)行整合，對(duì)于判斷材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和腐蝕行為預(yù)測(cè)都有很強(qiáng)的實(shí)際意義^[21]，但對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求比較高。美國(guó)的Q-FOG循環(huán)腐蝕試驗(yàn)機(jī)、日本的CASS試驗(yàn)機(jī)可以開(kāi)展3種以上因素的綜合試驗(yàn)^[35]。國(guó)內(nèi)北京航空材料研究院研制的“人工氣候復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)機(jī)”^[36]可以根據(jù)需要同時(shí)調(diào)控雨、霧、濕度、溫度、風(fēng)、光輻射以及振動(dòng)等環(huán)境因子；西南技術(shù)工程研究所研制了一種可以同時(shí)施加光照、鹽霧、溫度、濕度和風(fēng)速等5種因素的綜合環(huán)境模擬加速試驗(yàn)箱，對(duì)金屬、塑料和涂層的加速腐蝕具有較好的相關(guān)性和高加速性^[37]；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等高校也建立了相關(guān)的綜合因素腐蝕實(shí)驗(yàn)室。多因素綜合腐蝕試驗(yàn)可以有效地提高加速腐蝕試驗(yàn)的模擬性、加速性和相關(guān)性，但目前缺少綜合試驗(yàn)方法相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)設(shè)備在環(huán)境因素的控制精度、綜合因素的施加方法以及試驗(yàn)對(duì)象的普適性等方面還需要進(jìn)一步研究。

2.3 高溫腐蝕試驗(yàn)

對(duì)于壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片等工作溫度較高的部件，其腐蝕行為受高溫環(huán)境影響比較顯著。壓氣機(jī)葉片在海洋環(huán)境下的腐蝕主要是鹽霧和水蒸氣的協(xié)同作用。早期，人們?cè)跇悠繁砻嫱扛惨粚虞^厚的固體NaCl沉積膜，并在高溫水蒸氣中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。但在實(shí)際服役中，葉片表面很難有大量固態(tài)鹽的沉積，因而這種情況與壓氣機(jī)葉片的真實(shí)工況存在較大差距。文獻(xiàn)[38]認(rèn)為，更加接近真實(shí)情況的做法是在足夠高的溫度下對(duì)試樣噴灑鹽溶液。Cao等^[39]建立了一種可以在高溫下比較精確地控制鹽溶液和水蒸氣的模擬試驗(yàn)裝置。

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發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的循環(huán)氧化和熱腐蝕正在引起日益深入的研究^[40-46]。循環(huán)氧化是在高溫下試驗(yàn)一段時(shí)間后，再在低溫下放置一段時(shí)間，這樣構(gòu)成一個(gè)循環(huán)；熱腐蝕一般采用涂鹽的方法進(jìn)行模擬。文獻(xiàn)[45-46]研究了涂層的循環(huán)氧化和熔鹽熱腐蝕行為，熱腐蝕試驗(yàn)均采用涂鹽方法進(jìn)行，每個(gè)熱腐蝕試驗(yàn)循環(huán)后，對(duì)樣品進(jìn)行清洗稱量，并重新涂鹽，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)。采用的鹽成分有75%Na₂SO₄+25%K₂SO₄，75%Na₂SO₄+ 25%NaCl以及純Na₂SO₄。但是研究渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)近海飛行時(shí)，必須考慮氯離子對(duì)腐蝕行為的影響。彭新等^[45]對(duì)比研究了普通NiCoCrAlYSi涂層和梯度NiCoCr-AlYSi涂層在Na₂SO₄+K₂SO₄和Na2SO4+NaCl這2種混合鹽中的熱腐蝕行為，證明了NaCl的存在可以顯著加速2種涂層的腐蝕過(guò)程。文獻(xiàn)[47]認(rèn)為，由于航空燃油含硫量極低（＜0.001%），渦輪葉片在海洋環(huán)境下服役可以看成是單純NaCl熔融鹽膜作用下的熱腐蝕，因此采用涂覆飽和NaCl溶液的方法，對(duì)DZ40M和K452這2種材料在900 ℃NaCl熔鹽中的循環(huán)熱腐蝕行為進(jìn)行了研究。

3 橡膠加速老化試驗(yàn)方法

除了金屬件腐蝕，以橡膠材料為代表的非金屬件的老化也是制約發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的重要因素。作為高分子材料，橡膠的老化受到其自身材料特性和外部環(huán)境條件等多種因素的影響。溫度是橡膠老化極為主要的環(huán)境影響因素之一，提高試驗(yàn)溫度在大部分情況下可以顯著加速老化過(guò)程，其理論依據(jù)是時(shí)溫等效原理。高溫加速老化的試驗(yàn)結(jié)果需要借助于性能退化模型和加速模型（如阿倫尼烏斯模型等）外推到正常使用溫度，進(jìn)而對(duì)使用壽命、可靠性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為提高數(shù)據(jù)外推的精度，加速老化試驗(yàn)的溫度應(yīng)力水平要求不少于4個(gè)，且最高試驗(yàn)溫度下老化機(jī)理應(yīng)與正常使用溫度下一致，即應(yīng)確保加速試驗(yàn)條件下的失效機(jī)理一致性。由于擴(kuò)散限制氧化（Diffusion-limited oxidation，DLO）效應(yīng)的存在，樣件的尺寸不宜過(guò)大。橡膠加速老化試驗(yàn)涉及失效機(jī)理一致性驗(yàn)證、性能退化模型建立、加速模型確定等內(nèi)容^[48]。本文重點(diǎn)對(duì)加速老化試驗(yàn)方法現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從橡膠件介質(zhì)環(huán)境的角度，加速老化的試驗(yàn)方法可以分為液體介質(zhì)老化和熱氧老化2類(lèi)，加速老化試驗(yàn)的重點(diǎn)在于對(duì)老化試驗(yàn)結(jié)果的表征和老化機(jī)理的分析。

3.1 液體介質(zhì)老化

橡膠材料作為密封件，其工作環(huán)境離不開(kāi)油介質(zhì)環(huán)境，因此研究橡膠材料的耐油介質(zhì)老化行為具有重要的意義。目前學(xué)者們對(duì)于橡膠材料在潤(rùn)滑油、液壓油、絕緣油、變壓器油等多種油液環(huán)境下的介質(zhì)老化行為進(jìn)行了研究，一般是將橡膠試樣浸沒(méi)在盛有油液的玻璃瓶、燒杯、密封罐等容器內(nèi)，然后連同容器放入烘箱中進(jìn)行高溫加速老化^[49-52]。橡膠材料在油液中老化后的宏觀性能指標(biāo)受到研究者們的廣泛關(guān)注，油介質(zhì)對(duì)橡膠具有萃取和溶脹作用，老化后橡膠諸如硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、定伸應(yīng)力等指標(biāo)均會(huì)發(fā)生變化，即便是同一個(gè)性能指標(biāo)，不同材質(zhì)的橡膠在不同介質(zhì)老化后的變化規(guī)律往往不同，甚至可能相反。特種氟橡膠在柴油機(jī)油中老化后硬度增加^[53]，而崔志博^[54]研究的橡膠在耐潤(rùn)滑油介質(zhì)老化試驗(yàn)后，其硬度下降，且扯斷伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度均下降。老化試驗(yàn)時(shí)間也是一個(gè)重要的試驗(yàn)因素，試驗(yàn)時(shí)間較短，可能無(wú)法觀察到明顯的性能變化，但試驗(yàn)時(shí)間的設(shè)定客觀上取決于材料的耐介質(zhì)老化能力，主觀上與研究目的密切相關(guān)。蘇正濤等^[55]研究了FS6265硫化膠在150 ℃的RP-3燃油中的老化性能，老化10 d后，F(xiàn)S6265仍有較好的力學(xué)性能，在–50 ℃低溫條件下仍具有較好的密封性能，借此表明FS6265是航空煤油的優(yōu)秀密封材料。

造成橡膠老化后宏觀性能變化的原因在于橡膠分子鏈發(fā)生了變化，總體上分為交聯(lián)反應(yīng)和斷鏈反應(yīng)，這2類(lèi)反應(yīng)中占優(yōu)勢(shì)的反應(yīng)類(lèi)型將主導(dǎo)老化后的物理和力學(xué)性能變化。Mofidi等^[56]研究了NBR在不同油介質(zhì)中的老化試驗(yàn)，結(jié)果表明，造成橡膠老化后磨損的原因可能是內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)裂解或機(jī)械破損。Guo等^[57]研究了硅橡膠在人工模擬環(huán)境（PEM燃料電池環(huán)境）下的加速老化，老化后硅橡膠的表面粗糙度隨著老化時(shí)間的增加而增加，最后發(fā)生裂紋擴(kuò)展。老化的主要原因是表面發(fā)生化學(xué)降解，老化機(jī)理是主鏈的斷裂和交聯(lián)鍵的水解。

影響橡膠在介質(zhì)中老化的因素除了橡膠自身的材料特性外，還與填料、介質(zhì)中活性基團(tuán)的含量有關(guān)。朱杰等^[58]研究了填料（BaSO₄、白炭黑、石墨、SnO₂）對(duì)四丙氟橡膠耐腐蝕介質(zhì)性能的影響。研究結(jié)果表明，在HCl溶液介質(zhì)中試驗(yàn)一定時(shí)間后，4種填料配合劑填充的性能均降低，其中BaSO₄配合劑填充的橡膠，力學(xué)性能最好。在H₂S溶液介質(zhì)試驗(yàn)后，四丙氟硫化膠的各項(xiàng)性能也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相對(duì)于其他3種填料，經(jīng)過(guò)石墨配合劑填充過(guò)的四丙氟橡膠的各項(xiàng)性能保持得較好。Torbacke等^[59]研究了不同基體的流體介質(zhì)對(duì)橡膠彈性體力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，流體介質(zhì)中羧基含量會(huì)影響促NBR降解作用。

3.2 熱氧老化

導(dǎo)致橡膠老化的影響因子有很多，其中最常見(jiàn)的一種是熱空氣老化，熱氧老化是研究橡膠物理和化學(xué)變化的通用方法^[60]，具有操作方便、測(cè)試成本相對(duì)較低、能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲得足夠樣本數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)行熱氧老化試驗(yàn)時(shí)，擴(kuò)散限制氧化效應(yīng)是值得關(guān)注的一個(gè)現(xiàn)象，對(duì)老化試驗(yàn)結(jié)果影響較大。Celina等^[61]在85~140 ℃條件下對(duì)NBR的熱氧老化試驗(yàn)表明，材料表面老化程度大于材料內(nèi)部，這是由于O₂進(jìn)入橡膠內(nèi)部的速率比內(nèi)部消耗O₂的速率要小。研究顯示，一般的橡膠老化都遵循擴(kuò)散限制氧化規(guī)律。Patel等^[62]對(duì)比研究了室溫硫化硅橡膠在200 ℃密閉系統(tǒng)中的熱氧老化和空氣中的熱老化行為，通過(guò)壓縮強(qiáng)度、硬度等宏觀性能的變化和分子鏈動(dòng)力學(xué)分析，證明了密閉條件下的研究方法更接近該橡膠的實(shí)際服役條件。

與介質(zhì)老化類(lèi)似，不同材質(zhì)的橡膠熱氧老化后指標(biāo)的變化趨勢(shì)可能并不相同，這與橡膠的分子結(jié)構(gòu)和老化機(jī)理有關(guān)。裴濤等^[63]研究了氟硅橡膠在200 ℃條件下的熱空氣老化，在200 ℃熱空氣環(huán)境試驗(yàn)22 d后，氟硅橡膠100%定伸應(yīng)力和硬度小幅度上升，扯斷伸長(zhǎng)率下降。張錄平等^[64]研究了特種氟橡膠材料的在不同溫度的熱氧老化對(duì)其力學(xué)性能和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響，100%定伸應(yīng)力先增加、后減小，而扯斷伸長(zhǎng)率是先減小、后增大，老化初期主要是以交聯(lián)反應(yīng)為主，后期則是以降解反應(yīng)為主。

橡膠老化研究中活化能是一個(gè)重要的概念，可以在一定程度上反映出老化機(jī)理的改變。Elena等^[65]開(kāi)展了NBR熱氧加速老化試驗(yàn)，研究了老化前后NBR的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、吸氧量、殘留應(yīng)力以及質(zhì)量等指標(biāo)的變化。研究結(jié)果表明，NBR試樣應(yīng)力增加的過(guò)程對(duì)應(yīng)于熱降解第一階段的活化能（87~ 88 kJ/mol）；而熱降解的第二階段活化能（116~ 117 kJ/mol）對(duì)應(yīng)于NBR橡膠的吸氧量和扯斷伸長(zhǎng)率減小的過(guò)程。

3.3 綜合環(huán)境老化

機(jī)械應(yīng)力是影響發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠件老化的重要因素之一，因此機(jī)械應(yīng)力與溫度、介質(zhì)等綜合環(huán)境下的老化更貼近橡膠的實(shí)際服役條件。機(jī)械應(yīng)力的作用形式有持久拉伸、持久壓縮等，目前關(guān)于持久壓縮狀態(tài)下橡膠加速老化試驗(yàn)的研究較多。文獻(xiàn)[66]開(kāi)展了FX-4橡膠在不同介質(zhì)環(huán)境下的持久壓縮老化試驗(yàn)，壓縮率為10%和25%，結(jié)果表明，試驗(yàn)溫度和壓縮率是影響其老化的主要因素。文獻(xiàn)[67]研究了EPDM在25%壓縮率的持久壓縮下的熱氧老化行為，對(duì)壓縮狀態(tài)下的貯存壽命進(jìn)行了推算。文獻(xiàn)[68]對(duì)比研究了NBR在自由狀態(tài)和15%壓縮率承壓狀態(tài)下的加速老化行為，結(jié)果表明，機(jī)械應(yīng)力對(duì)密封圈的熱氧老化有顯著的促進(jìn)作用，但這種促進(jìn)作用隨著試驗(yàn)溫度的升高而減弱。

在持久拉伸老化試驗(yàn)方面，需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓ぱb夾具給橡膠試樣提供加速老化試驗(yàn)期間所需的拉力。文獻(xiàn)[69]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)拉伸應(yīng)力大小的工裝，研究了3種橡膠材料在0~40%等不同拉伸率下的加速老化試驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)變量的施加可以明顯加速老化進(jìn)程。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)橡膠老化的研究對(duì)象集中在已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用的較成熟的橡膠牌號(hào)，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)用氟醚橡膠、氟橡膠等新型橡膠材料的加速老化試驗(yàn)方法、機(jī)理等的報(bào)道較少。老化試驗(yàn)中，重點(diǎn)考慮了氣候環(huán)境因素、介質(zhì)環(huán)境、恒定機(jī)載載荷等因素的影響，尚未形成關(guān)于動(dòng)載荷（如往復(fù)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等）對(duì)橡膠密封件的完整試驗(yàn)方法。以橡膠為代表的非金屬加速老化試驗(yàn)方法研究仍不夠系統(tǒng)和深入。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)壽命敏感件的服役環(huán)境特點(diǎn)，制定加速環(huán)境譜，并開(kāi)展加速腐蝕/老化試驗(yàn)，是快速研究發(fā)動(dòng)機(jī)壽命敏感件腐蝕/老化行為的主要手段。目前，國(guó)內(nèi)外在加速環(huán)境譜的制定、加速腐蝕試驗(yàn)和加速老化試驗(yàn)等方面開(kāi)展了比較全面的研究，但仍存在一定的不足，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

1）加速環(huán)境譜當(dāng)量關(guān)系的確定方法需要進(jìn)一步深入研究。目前的方法存在一定的局限性，如腐蝕電流法不適用于非金屬涂層，且由于腐蝕過(guò)程中電流的變化和測(cè)量的不確定性，現(xiàn)行方法多將腐蝕電流作為常量，與實(shí)際情況存在差距。以腐蝕深度、腐蝕面積、腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕等級(jí)等指標(biāo)作為腐蝕損傷程度度量的物理參量法則嚴(yán)重依賴于各參量的測(cè)量準(zhǔn)確度，而實(shí)際上，由于客觀或主觀原因，這些參量的測(cè)試也存在不確定性。力學(xué)損傷對(duì)比法主要依靠自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果與加速試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，難以體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)局部環(huán)境的影響，且加速腐蝕損傷數(shù)據(jù)的分散性較大。因此，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和壽命要求的不斷提高，應(yīng)綜合材料、腐蝕、力學(xué)、環(huán)境等多學(xué)科的相關(guān)理論和實(shí)踐，制定更加科學(xué)合理的當(dāng)量關(guān)系確定方法。

2）多因素綜合模擬方法的研究比較欠缺?？紤]實(shí)際服役環(huán)境的多因素綜合加速模擬還存在較大的技術(shù)難度，如模擬在高溫燃?xì)猸h(huán)境下渦輪葉片的疲勞腐蝕，較高液體壓力下橡膠密封件的快速運(yùn)動(dòng)等。多因素綜合模擬方法的實(shí)現(xiàn)應(yīng)在強(qiáng)化耦合條件下腐蝕/老化理論研究的基礎(chǔ)上，注重對(duì)新型試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)。

綜上所述，針對(duì)目前環(huán)境譜加速技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀，需要在當(dāng)量關(guān)系確定方法和多因素綜合模擬方法上開(kāi)展進(jìn)一步研究，為發(fā)動(dòng)機(jī)的定壽和延壽工作提供技術(shù)支撐，助力新時(shí)代裝備的高質(zhì)量發(fā)展。

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2025-10-16201閱讀氣相色譜儀
國(guó)產(chǎn)氣相色譜儀推薦

隨著實(shí)驗(yàn)分析儀器需求的不斷增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)氣相色譜儀逐漸成為了許多實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)場(chǎng)所的重要選擇。相較于進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)氣相色譜儀不僅具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)，而且在技術(shù)性能、售后服務(wù)和功能擴(kuò)展性方面取得了顯著的進(jìn)步。

2025-10-22395閱讀氣相色譜儀

氣流干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

2011-04-16608閱讀
高壓加速老化試驗(yàn)箱測(cè)試汽車(chē)燈具性能和壽命

2024-08-26261閱讀
第二輪第五批中央生態(tài)環(huán)境保護(hù)督察集中通報(bào)4個(gè)典型案例

第二輪第五批中央生態(tài)環(huán)境保護(hù)督察組深入一線、深入現(xiàn)場(chǎng)，查實(shí)了一批突出生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，核實(shí)了一批不作為、慢作為，不擔(dān)當(dāng)、不碰硬，甚至敷衍應(yīng)對(duì)、弄虛作假等形式主義、官僚主義問(wèn)題。為發(fā)揮警示作用，切實(shí)推動(dòng)問(wèn)題

2025-06-232777閱讀總烴分析儀
我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展_朱光文.

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