吸波泡棉貯存狀態下的老化壽命預估

羅丹，楊華明，楊萬均，肖敏，陳星昊，陳源

（中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039）

引言

吸波泡棉的主要功能是改變雷達波或其他電磁波的輻射分布，其應用不僅是軍事上隱身與反隱身、對抗與反對抗的范圍。其主要用于電子裝備/設備內部，既可以填充空隙，又具有很好的吸波作用[1-5]。吸波泡棉的老化，不僅會降低其品質和壽命，而且其結構完整性直接關系著吸波性能發揮，其物理結構損壞，將大大增加雷達波的反射率，造成屏蔽或隱身失效。而物理結構的變化通常表現為力學性能指標的改變，因此，吸波泡棉的力學性能是其重要的特征參數之一，本文選擇了拉伸強度和斷裂伸長率這兩項力學性能指標，研究其在5個不同溫度點下的力學性能，通過計算得出不同溫度條件下的老化速率常數，進而外推常溫貯存（通常為25 ℃）條件下的老化速率常數，建立常溫貯存條件下的性能退化方程，根據確定的力學性能失效判據，在置信度不低于95 %、常溫貯存25 ℃條件下，計算得出吸波泡棉的老化壽命。以期為考核吸波泡棉的耐老化性能，有效地指導實際使用和貯存。

1 試驗與測試

1.1 試驗樣品

本文采用吸波泡棉拉伸試樣，按GB/T 6344-2008《軟質泡沫聚合材料拉伸強度和斷裂伸長率的測定》規定的試樣參數和試樣數量進行試樣制備，試樣按同一方向利用刀模從厚度為20 mm的平板型樣品上切割而成，尺寸參數如圖1所示，制備好的吸波泡棉拉伸樣見圖2。

1.2 熱分析測試及溫度點確定

為合理確定吸波泡棉的最高試驗溫度，首先采用Q600 SDT同步熱分析儀對試驗樣品進行熱分析測試，當溫度為130 ℃的時候，該材料的熱失重達到1 %，所以初步確定最高熱老化試驗溫度為130 ℃。超過此溫度點時，熱失重出現了非線性特征，說明此時材料老化出現了突變，即老化機理已發生改變[6]。因此為了保證老化試驗中的機理一致性，將試驗溫度下降10 ℃，最終確定最高熱老化試驗溫度為120 ℃。

1.3 熱老化試驗

文中以吸波泡棉為試驗對象，選定了5個溫度條件，參照GB/T 7141-2008《塑料熱老化試驗方法》開展熱老化試驗，具體試驗步驟如下：

1）根據確定的最高試驗溫度，選擇了80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃五個試驗溫度條件。

2）按確定的溫度條件，將熱老化試驗箱設置到所需要的溫度。穩定2 h后，將采用覆膜包覆的試樣均勻放置于試驗箱中，并記錄試驗時間。

3）當老化試驗時間達到預定的取樣檢測周期，從熱老化試驗箱中取出一組試樣，去掉覆膜，按要求進行測試。

4）當試驗時間達到最后一個取樣周期（64天），或已經超出失效判據，停止試驗。

本試驗在熱老化試驗箱中開展，試驗情況如圖3所示。

1.4 力學性能測試

每次從試驗箱中取出的拉伸試樣，按照GB/T 2918-2018《塑料 試樣狀態調節和試驗的標準環境》要求，在標準實驗室環境（23 ℃±2 ℃）下放置24 h后，采用GB/T 6344-2008《軟質泡沫聚合材料拉伸強度和斷裂伸長率的測定》規定的方法，使用精密電子萬能材料試驗機進行拉伸強度和斷裂伸長率測試，并記錄該材料的拉伸強度值、斷裂伸長率值。

圖1 吸波泡棉拉伸試樣尺寸（厚度20 mm）

圖2 制備好的吸波泡棉拉伸樣

圖3 吸波泡棉熱老化試驗情況

2 試驗結果與討論

2.1 力學性能試驗結果

吸波泡棉拉伸試樣和斷裂伸長率試樣在經過為期64天的熱老化試驗后，五個溫度點的拉伸強度、斷裂伸長率平均值見表1和表2。

2.2 老化壽命表征參數確定

通過對表1、表2的數據進行綜合分析，可以看出吸波泡棉的拉伸強度在試驗過程中，出現了較大幅度的波動，下降趨勢與試驗溫度的相關性較弱，如圖4所示；而斷裂伸長率在試驗過程中的數據呈現出了較為明顯的下降趨勢，且下降幅度與試驗溫度呈正相關關系，如圖5所示。因此，本試驗選擇試樣斷裂伸長率作為基于力學性能的老化壽命表征指標。

表1 吸波泡棉拉伸強度數據

表2 吸波泡棉斷裂伸長率數據

2.3 失效判據確定

失效判據確定為吸波泡棉斷裂伸長率下降到85 %，則認為產品失效，即失效判據為原始值的0.5倍。

2.4 斷裂伸長率保留率計算

斷裂伸長率保留率按式（1）計算獲得：

式中：

Ps—該種材料第i次取樣試樣斷裂伸長率保留率；

Ii—該種材料第i次取樣試樣品斷裂伸長率值；

I0—該種材料斷裂伸長率原始值。

對表2中吸波泡棉斷裂伸長率的數據按照式（1）計算后，斷裂伸長率保留率的變化趨勢如圖6所示。

2.5 基于力學性能的老化壽命預估基本原理

由于該材料屬于高分子材料，在熱老化過程中，其力學性能保留率P與老化時間τ的關系可用公式（2）進行描述：

圖4 吸波泡棉拉伸強度隨試驗時間的變化趨勢

式中：

P—老化時間為τ時的性能保留率；

τ—老化時間，d；

K—性能變化的速率常數，d-1；

A—常數；

α—修正系數，常數。

如果試驗數據計算結果顯示lnP與τα線性相關關系顯著，即相關系數大于查表值時，式（2）中則α取1；如果線性關系不顯著，參數α采用逐次逼近法計算獲得，逼近準則是α精確到小數點后兩位時，使式（3）中I最小；

式中：

Pij—第i個老化試驗溫度下，第j個測試點的性能變化指標試驗值；

—第i個老化試驗溫度下，第j個測試點的性能變化指標預測值。

老化特性指標變化的速率常數K與溫度T的關系服從Arrhenius方程，見式（4）：

式中：

T—絕對溫度，K；

E—表觀活化能，J·mol-1；

Z—頻率因子，d-1；

R—氣體常數，J·K-1·mol-1。

通過熱老化試驗數據可計算得出不同溫度條件下的力學性能老化速率常數，進而可外推預測常溫（通常為25 ℃）條件下的老化速率常數。根據確定的失效臨界值，可以在置信度為90 %或95 %、溫度為25 ℃條件下，計算出相應產品基于力學性能變化的老化壽命。

2.6 數據處理過程

1）首先進行測試數據的誤差處理，剔除粗大誤差；

2）選取吸波泡棉的斷裂伸長率作為評定指標，計算其保留率；

3）進行曲線擬合和檢驗；

4）計算變化速率常數；

5）建立常溫條件下的老化方程；

6）代入常溫貯存條件進行計算；

表3 吸波泡棉斷裂伸長率保留率與試驗時間擬合方程

表4 25 ℃下吸波泡棉斷裂伸長率保留率變化參數計算結果

7）預估吸波泡棉的貯存壽命。

從圖6中吸波泡棉斷裂伸長率保留率的變化趨勢來看，其與試驗時間符合式（2）描述的規律，因此,按照以上的數據處理過程，進行回歸計算，采用逐次逼近法求得吸波泡棉α=0.51。

得到5個老化溫度下吸波泡棉斷裂伸長率變化的擬合方程，見表3。

從表3中可以看出，吸波泡棉的lnP與τα線性相關系數大于查表值，說明在95 %置信度下，lnP與τα的線性關系顯著。

進一步計算，得到吸波泡棉在常溫貯存條件（25 ℃）下，老化壽命時間τ與斷裂伸長率保留率關系方程式中各參數的計算結果，見表4。

將所確定的失效判據0.5，常溫貯存條件25 ℃，以及表4中的參數代入式中，計算獲得吸波泡棉的老化壽命約7.6年，置信度為95 %。

吸波泡棉以力學性能（斷裂伸長率）低于原始值的50 %為失效判據，在常溫條件（25 ℃）下，老化壽命約7.6年，置信度為95 %。