蒙皮薄膜材料自然環境老化性能研究

符文貞　張金奎

摘 要：對蒙皮薄膜材料的自然環境老化性能進行了試驗研究。以浮空器研制和應用為背景，獲得了具有重要工程研究價值的蒙皮材料自然老化性能數據，真實反應了蒙皮薄膜材料在應用環境中的老化過程。

關鍵詞：蒙皮薄膜材料 自然環境 老化

1 前言

由于浮空器長期處于滯空狀態，且空間環境極其復雜，蒙皮薄膜材料不可避免的受到環境中多種因素的影響。蒙皮薄膜材料環境老化性能直接影響著臨近空間飛艇研制進度和應用效能，因此材料的老化問題隨著浮空器研制和應用的深入越來越受到人們關注[1-3]。對此國內外學者[2-5]開展了蒙皮薄膜材料老化性能對比分析、加速老化性能測試等大量的研究工作。

本文針對環境因素對蒙皮薄膜材料老化性能的影響，開展材料自然環境老化性能研究。

2 蒙皮薄膜材料結構特點及老化研究

現代浮空器材料一般為多層復合結構，主要有耐候層、阻氣層和承力層組成。影響材料老化的因素主要是日光輻射（紫外線）、高低溫環境、臭氧老化和水。2006年，Said M A等人[8]研究了幾種高強度纖維（Zylon、Kevlar、Vectran和Spectra）的抗紫外線性能，試驗結果表明Spectra抗紫外線性能最佳。

現階段浮空器蒙皮材料老化性能研究主要集中在材料間性能對比和材料老化性能研究；在浮空器應用較廣泛的今天，特別是發展迅速的臨近空間飛艇，使得氣囊材料在其服役環境下的老化性能愈加重要。

3 蒙皮薄膜材料自然環境老化性能

本文利用浮空器研制和應用過程中的試驗數據，對蒙皮薄膜材料的自然老化性能進行研究。蒙皮材料為URETEK，耐候層為Polyurethane，承力纖維為Vectran，密度185 g/m2，出廠斷裂強力86N/mm。在浮空器球體上每間隔一段時間，進行球體材料取樣，制作試驗件進行單軸拉伸試驗，根據GB/T3923.1測定蒙皮薄膜材料的斷裂強力，監測材料的自然環境老化

性能。

3.1試驗結果

從表1可以看出，蒙皮材料隨著自然環境老化時間的增長其斷裂強力逐漸降低；由于在浮空器生產和試驗階段蒙皮材料折迭、摩擦等引入損傷導致URETEK斷裂強力前期下降較快，后期下降變慢。

3.2 蒙皮薄膜材料老化性能

通過對三種浮空器履歷的統計及載荷的梳理，得到了表1中強環境作用（外場使用）時間、弱環境作用（庫存）時間及載荷系數。由表1可知，自然環境老化時間（強環境作用時間）和載荷系數相等時，其強弱環境作用時間不同，URETEK的剩余斷裂強力有很大差異；自然環境作用時間、強環境作用時間和弱環境作用時間極其相近時，載荷系數不同，URETEK的剩余斷裂強力影響也較大。

4 結論

（1）本文使用的蒙皮薄膜材料URETEK老化性能數據為浮空器真實使用環境下得到的，具有重要的工程研究價值，且真實反應了浮空器蒙皮薄膜材料的老化性能。

（2）自然環境老化時間和載荷系數相等時，其強弱環境作用時間不同，URETEK的剩余斷裂強力有很大差異；自然環境作用時間、強環境作用時間和弱環境作用時間極其相近時，載荷系數不同，URETEK的剩余斷裂強力影響也較大。

參考文獻：

[1] 張禮學，王中偉，平流層飛艇環境適應性評價模型[J]，航空學報，2012，33（x），1-8.

[2] 白向紅，飛艇蒙皮材料力學性能演化規律研究[D]，哈爾濱工業大學碩士學位，2009.

[3] 楊秉，楊健，李小將等，臨近空間飛艇運行環境及其影響，航天器環境工程，2008，25（6），555-557。

[4] Shoji M，Kouichi S，Toyotoshi K，Tear propagation of a high-performace airship envelope material[J]，Journal of Aircraft，2008，45（5），1546-1553。

[5] 顧正銘，平流層飛艇蒙皮材料的研究[J]，航天返回與遙感，2007，28（1），62-66。

[6] 王兆希，竇寶峰，逄型召，平流層浮空器用柔性復合材料的斷裂性能[J]，復合材料學報，2011，28（2），211-216。

[7] Said M A，Dingwall B，Gupta A，et al，Investigation of ultraviolet（UV）resistance for high strength fibers[J]，Advances in space Research，2006，37，2052-2058。

[8] Shoji Maekawa，Tear Propagation of a High Performance Airship Envelope Material[C]，7th AIAA Aviation Technology，Integration and Operation Conference（ATIO）

，Belfast，Northen Ireland，2007。