肖敏,趙全成,楊華明,符朝旭,羅丹,楊萬(wàn)均
(1.西南技術(shù)工程研究所,重慶 400039;2.國(guó)防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心,重慶 400039;3. 海南萬(wàn)寧大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,海南 萬(wàn)寧 571500;4.甘肅敦煌大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,甘肅 敦煌 736200;5.西藏拉薩大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,拉薩400039)
以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家,自20 世紀(jì)60 年代起,就開(kāi)始探索研究自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù),以此來(lái)彌補(bǔ)自然環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室人工模擬加速環(huán)境試驗(yàn)的不足,拓展環(huán)境試驗(yàn)新技術(shù)新方法[1]。至今,自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)已發(fā)展為一項(xiàng)成熟的環(huán)境試驗(yàn)技術(shù),成為環(huán)境試驗(yàn)的三大試驗(yàn)技術(shù)之一[1-4]。
在大力發(fā)展自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)的同時(shí),各先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家也紛紛對(duì)自然環(huán)境暴露試驗(yàn)、自然環(huán)境加速暴露試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室人工模擬加速環(huán)境試驗(yàn)三者之間的加速性和可信度進(jìn)行了深入研究。大量的研究結(jié)果表明:自然加速暴露試驗(yàn)的加速性比自然暴露試驗(yàn)的高,同時(shí)可信度比實(shí)驗(yàn)室老化試驗(yàn)的高[3-5]。這一研究成果使得自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)得到了大力推廣與應(yīng)用,已成為發(fā)達(dá)國(guó)家提高產(chǎn)品質(zhì)量與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的制勝法寶。
從 “十五” 開(kāi)始,我國(guó)通過(guò)10 年的技術(shù)攻關(guān),突破了多項(xiàng)自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法的裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)。研制開(kāi)發(fā)了跟蹤太陽(yáng)等多種自然加速試驗(yàn)裝置,在種類(lèi)和數(shù)量上,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自然加速試驗(yàn)裝置的突破,在自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)上也基本跟上了國(guó)外的發(fā)展步伐[6-14]。但是,在自然環(huán)境加速試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)的等效性方面尚未有足夠的數(shù)據(jù)積累與研究。文中采用6141 硅橡膠,在高原、沙漠、濕熱三個(gè)自然環(huán)境條件下,開(kāi)展了玻璃框、黑箱、強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)四種成熟的自然環(huán)境加速試驗(yàn)裝置與方法,與戶(hù)外暴露自然環(huán)境試驗(yàn)方法的對(duì)比試驗(yàn)[15-18],并較系統(tǒng)地研究了兩者的等效性,為更好地推動(dòng)自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)與裝置在我國(guó)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
玻璃框試驗(yàn)裝置原理為在大氣環(huán)境中,通過(guò)采用玻璃框屏蔽雨、雪的影響,從而模擬和強(qiáng)化軍用車(chē)輛、艦船、飛機(jī)內(nèi)部或室內(nèi)的環(huán)境條件,達(dá)到加速高分子材料及部件性能劣化的作用。玻璃框自然環(huán)境加速試驗(yàn)狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 玻璃框自然環(huán)境加速試驗(yàn)狀態(tài)Fig.1 State of glass frame as the natural environmental accelerated test device
黑箱試驗(yàn)裝置原理為在大氣環(huán)境中,利用密封黑色箱體加速吸收和聚集熱量的作用,從而模擬軍用車(chē)輛、裝甲車(chē)輛、坦克在使用過(guò)程中,其外用材料由于經(jīng)受太陽(yáng)輻射和內(nèi)部密閉箱體的熱效應(yīng)所處的高溫環(huán)境,即通過(guò)強(qiáng)化太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng),達(dá)到加速裝備外用材料性能劣化速率的作用。黑箱自然環(huán)境加速試驗(yàn)狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 黑箱自然環(huán)境加速試驗(yàn)狀態(tài)Fig.2 State of black box as the natural environmental accelerated test device
強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框試驗(yàn)裝置原理為在大氣環(huán)境中,采用密閉玻璃框屏蔽雨、雪的影響,同時(shí)加入強(qiáng)制通風(fēng)與遮陽(yáng)設(shè)備,從而模擬和強(qiáng)化軍用車(chē)輛、艦船、飛機(jī)內(nèi)部或室內(nèi)的環(huán)境條件,達(dá)到加速高分子材料及部件性能劣化,強(qiáng)化與控制溫濕度的作用。強(qiáng)制通風(fēng)自然環(huán)境加速試驗(yàn)狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 強(qiáng)制通風(fēng)自然環(huán)境加速試驗(yàn)狀態(tài)Fig.3 State of forced ventilation as the natural environmental accelerated test device
單軸跟蹤太陽(yáng)試驗(yàn)裝置原理為在大氣環(huán)境中,通過(guò)增加轉(zhuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng),使暴露架隨太陽(yáng)跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng),從而充分強(qiáng)化太陽(yáng)輻射的光和熱效應(yīng),達(dá)到加速暴露面上試驗(yàn)樣品的性能劣化速度的作用。單軸跟蹤太陽(yáng)自然環(huán)境加速試驗(yàn)狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 單軸跟蹤太陽(yáng)自然環(huán)境加速試驗(yàn)狀態(tài)Fig.4 State of tracking solar shelf as the natural environmental accelerated test device
根據(jù)上述四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)裝置的原理與作用,確定了3 條試驗(yàn)對(duì)象選擇原則:對(duì)自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法主加速因子敏感;能較快反映出自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法的加速性;材料使用范圍廣泛。根據(jù)材料選擇原則,選擇了軍工產(chǎn)品中常用的硅橡膠作為自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法的驗(yàn)證材料。
硅橡膠是以硅氧鍵單元為主鏈,以有機(jī)基為側(cè)基的線(xiàn)型聚合物。硅橡膠具有優(yōu)異的耐高低溫、耐臭氧及大氣老化性能,并兼有良好介電、憎水,適于制造在空氣、臭氧、滑油和電場(chǎng)中工作的橡膠基件、膠板和型材。6141 硅橡膠又是主要應(yīng)用于殲擊機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部位墊片、密封圈、飛行員面罩、座艙調(diào)壓膜片、儀表密封圈、減振器件、直升機(jī)頻率匹配器、操縱系統(tǒng)墊片等部位的飛機(jī)常用硅橡膠。因此,在文中選擇了6141 硅橡膠作為玻璃框、黑箱、強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)裝置與方法與戶(hù)外暴露自然環(huán)境試驗(yàn)方法的等效性研究試驗(yàn)對(duì)象。
采用了圖表分析法和秩和檢驗(yàn)法兩種等效分析方法。
圖表分析法是將一組樣本對(duì)觀察值列入適當(dāng)?shù)谋砀裰校⒏鶕?jù)表格中的數(shù)據(jù)繪圖,比較各圖中數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì),以此觀察這個(gè)樣本對(duì)中的兩個(gè)樣本的規(guī)律變化趨勢(shì),并借此判斷兩者變化規(guī)律是否具有一致性。它是一種定性評(píng)價(jià)一組樣本對(duì)相關(guān)性的分析方法[19]。
在本研究中,將戶(hù)外暴露自然環(huán)境試驗(yàn)和4 種自然環(huán)境加速試驗(yàn)所得的性能變化數(shù)據(jù)列入同一表格中,并根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)繪圖,比較各圖中數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。進(jìn)而分析在同一自然環(huán)境試驗(yàn)條件下,不同自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與自然環(huán)境試驗(yàn)方法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果是否具有相同的分布規(guī)律及相關(guān)性?xún)?yōu)劣,從而初步定性判斷兩者是否具有等效性。
秩和檢驗(yàn)法是對(duì)一組樣本對(duì)的所有觀察值,按照從小至大的次序排列,每一觀察值按次序編號(hào),稱(chēng)為秩,對(duì)兩個(gè)樣本觀察值分別計(jì)算秩和進(jìn)行檢驗(yàn)的一種分析方法。如果一組樣本對(duì)中的兩個(gè)樣本總體服從同一理論分布,則這兩樣本的觀察值在多數(shù)情況下是相間排列的。因此,可以通過(guò)確定秩和的上下界限,與統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行比較,從而判斷兩樣本總體的分布是否一致。秩和檢驗(yàn)法是一種用于檢驗(yàn)兩樣本總體分布是否一致的非參數(shù)檢驗(yàn)法。在秩和檢驗(yàn)法中,一般采用樣本容量較小的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判別。秩和檢驗(yàn)法可有效檢驗(yàn)兩組數(shù)據(jù)間是否存在顯著性的差異,用以證明新的試驗(yàn)方法的可靠性[20]。
根據(jù)秩和檢驗(yàn)法,在本研究中首先假設(shè):各自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法在顯著水平為0.05 的條件下,性能老化趨勢(shì)與自然環(huán)境試驗(yàn)方法的性能老化趨勢(shì)相同,即兩種試驗(yàn)方法的材料性能老化服從于同樣的規(guī)律。設(shè)m為各自然環(huán)境試驗(yàn)方法獲得的數(shù)據(jù)量,n為各自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法獲得的數(shù)據(jù)量。
根據(jù)秩和檢驗(yàn)法,其計(jì)算公式為:

式中:di為自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)的秩;統(tǒng)計(jì)量T為其秩和。
式中:μ(α)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的置信限,其值可通過(guò)查表得到;TL(m,n;α)為統(tǒng)計(jì)量T的置信下限;TU(m,n;α) 為統(tǒng)計(jì)量T的置信上限。
當(dāng)計(jì)算得到的秩和T的實(shí)際值T0滿(mǎn)足TL(m,n;α) 當(dāng)T0≤TL(m,n;α)或T0≥Tu(m,n;α)時(shí),則假設(shè)不成立。可認(rèn)為自然環(huán)境加速試驗(yàn)獲得的材料老化性能變化規(guī)律與自然環(huán)境試驗(yàn)獲得的材料老化性能變化規(guī)律沒(méi)有一致性,也就是說(shuō)兩者不符合相同的規(guī)律。進(jìn)而,可以判定兩者不具有等效性。 根據(jù)選定的等效分析方法,為系統(tǒng)研究自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與自然環(huán)境試驗(yàn)方法的等效性,試驗(yàn)選取了目前研制較成熟的玻璃框、黑箱、強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)裝置,試驗(yàn)環(huán)境分別選擇了代表我國(guó)典型高原、沙漠、濕熱三個(gè)自然環(huán)境試驗(yàn)條件的西藏拉薩、甘肅敦煌、海南萬(wàn)寧三個(gè)自然環(huán)境試驗(yàn)站點(diǎn)。采用6141 硅橡膠為對(duì)象,開(kāi)展了四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與戶(hù)外暴露自然環(huán)境試驗(yàn)方法為期2 年的對(duì)比試驗(yàn)。由于自然老化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致硅橡膠交聯(lián)密度、硬度明顯增加[21],拉伸性能也會(huì)出現(xiàn)明顯變化,因此選擇了其拉伸強(qiáng)度保留率作為老化表征參數(shù)。 戶(hù)外暴露自然環(huán)境試驗(yàn)狀態(tài)如圖5 所示。三個(gè)典型試驗(yàn)站氣候類(lèi)型與有關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)見(jiàn)表1;6141 硅橡膠在三個(gè)典型環(huán)境試驗(yàn)站試驗(yàn)2 年得到的玻璃框、黑箱、強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)4 種自然環(huán)境加速試驗(yàn)與戶(hù)外暴露自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。 圖5 戶(hù)外暴露自然環(huán)境試驗(yàn)狀態(tài)Fig.5 Outdoor exposure natural environmental test state 表1 三典型試驗(yàn)站氣候類(lèi)型與有關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)[22-23]Tab.1 Climate and environmental data of 3 typical exposure sites[22-23] 表2 敦煌、萬(wàn)寧、拉薩試驗(yàn)站6141 硅橡膠兩年試驗(yàn)期拉伸強(qiáng)度保留率數(shù)據(jù)Tab.2 Retention rate of tensile strength of 6141 silicone rubber in two-year test period at Dunhuang,Wanning and Lhasa test stations % 續(xù)表 運(yùn)用圖表分析法,結(jié)合表2 的數(shù)據(jù),繪制出了高原、沙漠、濕熱三個(gè)典型環(huán)境條件下,6141 硅橡膠采用玻璃框、黑箱、強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與戶(hù)外暴露方法在2 年試驗(yàn)期的拉伸強(qiáng)度保留率變化規(guī)律及對(duì)比分析圖,見(jiàn)圖6。 通過(guò)圖6 可以看出,在高原、沙漠兩個(gè)典型環(huán)境條件下,6141 硅橡膠采用玻璃框、黑箱、強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與戶(hù)外暴露方法在2 年試驗(yàn)期的拉伸強(qiáng)度保留率變化規(guī)律吻合度好,具有較高的一致性。在濕熱環(huán)境條件下,6141 硅橡膠采用玻璃框、黑箱、單軸跟蹤太陽(yáng)3種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與戶(hù)外暴露方法在2 年試驗(yàn)期的拉伸強(qiáng)度保留率變化規(guī)律吻合度也很好,表明其也具有較高的一致性。采用強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法,在2 年試驗(yàn)期得到的拉伸強(qiáng)度保留率變化規(guī)律曲線(xiàn),與戶(hù)外暴露試驗(yàn)方法在2 年試驗(yàn)期的拉伸強(qiáng)度保留率變化規(guī)律曲線(xiàn)在總體上仍保持一致的下降規(guī)律,但在保留率的下降幅度上較其他三種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與戶(hù)外暴露試驗(yàn)方法的下降幅度要大得多。 針對(duì)這一現(xiàn)象分析認(rèn)為,這是由于萬(wàn)寧試驗(yàn)站的年平均溫度高達(dá)24.6 ℃,全年溫差小,冬季時(shí)間短,且冬季月平均溫度也接近20 ℃,而強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框試驗(yàn)裝置對(duì)環(huán)境溫度的強(qiáng)化效果好,在萬(wàn)寧試驗(yàn)站最高可達(dá)1.8 倍的溫度強(qiáng)化效果,這使得樣品在強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框試驗(yàn)中幾乎全年均受到30 ℃以上的溫度影響,這大大加快了樣品的力學(xué)性能退化速率,也表明強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框試驗(yàn)裝置在濕熱環(huán)境條件下對(duì)硅橡膠的拉伸強(qiáng)度性能退化具有更好的加速性。 圖6 6141 拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律及對(duì)比Fig.6 Change rule and comparison of 6141 tensile strength:a) Dunhuang station; b) Wanning station; c) Lhasa station 分別將6141 硅橡膠在高原、沙漠、濕熱三個(gè)典型環(huán)境條件下,得到的4 種自然環(huán)境加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)與各自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照秩和檢驗(yàn)法的方法進(jìn)行匯總排序,見(jiàn)表3。 從表2 中的數(shù)據(jù)可知,在敦煌試驗(yàn)站,對(duì)于強(qiáng)制通風(fēng)、單軸跟蹤太陽(yáng)、黑箱三種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法,m=9,n=12;對(duì)于玻璃框自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法,m=9,n=11;在萬(wàn)寧試驗(yàn)站,對(duì)于玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)、黑箱三種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法,m=8,n=12;對(duì)于強(qiáng)制通風(fēng)自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法,m=8,n=11;在拉薩試驗(yàn)站,對(duì)于玻璃框、強(qiáng)制通風(fēng)、單軸跟蹤太陽(yáng)、黑箱四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法,m=8,n=12。 根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)排序,以敦煌試驗(yàn)站,強(qiáng)制通風(fēng)自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與戶(hù)外暴露自然環(huán)境試驗(yàn)方法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例,取α=0.05,根據(jù)式(1)、 式( 2)、 式(3) 分別計(jì)算得:T0=104,TL(9,12;0.05)≈71.42,TU(9,12;0.05)=126.58。 表3 敦煌、萬(wàn)寧、拉薩三個(gè)試驗(yàn)站自然環(huán)境加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)與自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)排序Tab.3 Ranking of natural environmental accelerated test data and natural environmental test data at Dunhuang, Wanning and Lhasa test stations % 由于TL(9,12;0.05)=71.42 同理,根據(jù)秩和檢驗(yàn)法的設(shè)定和相關(guān)計(jì)算公式,運(yùn)用試驗(yàn)樣品在敦煌、萬(wàn)寧、拉薩三個(gè)試驗(yàn)站運(yùn)用自然環(huán)境試驗(yàn)方法和自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法開(kāi)展試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可分別計(jì)算得到6141 硅橡膠樣品在敦煌、萬(wàn)寧、拉薩三個(gè)試驗(yàn)站玻璃框、強(qiáng)制通風(fēng)、單軸跟蹤太陽(yáng)、黑箱4 種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法相對(duì)于自然環(huán)境試驗(yàn)方法的秩和及判斷條件的上下限,分別見(jiàn)表4—6。 從表4—表6 的數(shù)據(jù)可以看出,運(yùn)用6141 硅橡膠樣品在敦煌、萬(wàn)寧、拉薩三個(gè)試驗(yàn)站玻璃框、強(qiáng)制通風(fēng)、單軸跟蹤太陽(yáng)、黑箱四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與自然環(huán)境試驗(yàn)方法試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到的實(shí)際秩和值T0值均滿(mǎn)足:TL 表4 敦煌試驗(yàn)站各自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與自然環(huán)境試驗(yàn)方法的秩和檢驗(yàn)法計(jì)算值Tab.4 Rank sum test values of natural environment accelerated test method and natural environment test method at Dunhuang test station 表5 萬(wàn)寧試驗(yàn)站各自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與自然環(huán)境試驗(yàn)方法的秩和檢驗(yàn)法計(jì)算值Tab.5 Rank sum test values of natural environment accelerated test method and natural environment test method at Wanning test station 表6 拉薩試驗(yàn)站各自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與自然環(huán)境試驗(yàn)方法的秩和檢驗(yàn)法計(jì)算值Tab.6 Rank sum test values of natural environment accelerated test method and natural environment test method at Lhasa test station 運(yùn)用圖表分析法,得到了在高原、沙漠、濕熱三個(gè)典型環(huán)境條件下,6141 硅橡膠采用玻璃框、黑箱、強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)4 種自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與戶(hù)外暴露方法在2 年試驗(yàn)期的拉伸強(qiáng)度保留率變化規(guī)律吻合度好,具有較高的一致性的分析結(jié)果。 運(yùn)用檢驗(yàn)分析法,得到了在顯著水平為0.05 的條件下,6141 硅橡膠樣品在敦煌、萬(wàn)寧、拉薩三個(gè)試驗(yàn)站開(kāi)展玻璃框、強(qiáng)制通風(fēng)、單軸跟蹤太陽(yáng)、黑箱四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)獲得的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其在敦煌、萬(wàn)寧、拉薩三個(gè)試驗(yàn)站開(kāi)展戶(hù)外暴露試驗(yàn)獲得的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別服從同一變化規(guī)律的分析結(jié)果。 綜合以上分析結(jié)果,可以得出結(jié)論:在高原、沙漠、濕熱三個(gè)典型環(huán)境條件下,6141 硅橡膠開(kāi)展的玻璃框、黑箱、強(qiáng)制通風(fēng)玻璃框、單軸跟蹤太陽(yáng)四種自然環(huán)境加速試驗(yàn)與三個(gè)典型環(huán)境條件下的戶(hù)外暴露試驗(yàn),其拉伸強(qiáng)度性能變化規(guī)律一致,其自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法與戶(hù)外暴露試驗(yàn)方法具有等效性。
4 試驗(yàn)與檢測(cè)結(jié)果




5 圖形分析與結(jié)果

6 秩和檢驗(yàn)分析與結(jié)果




7 結(jié)論