航天非金屬材料失效模式庫構建與應用

楊慶功、張增陽、陳衛娜、敬毅超、王闖 /中國運載火箭技術研究院

非金屬材料具有質量輕、比強度高、高韌性、耐燒蝕等一系列優點，是航天材料體系的重要組成部分。航天非金屬材料中的有機材料，其性能受溫度、壓力、濕度等環境因素的影響較大，長期暴露或接觸高溫、高濕以及高壓環境，極易造成材料失效；非金屬材料失效呈現出影響因素復雜、材料性能隨時間的延長逐漸降低直至喪失以及失效過程不易被察覺等特點，常常對航天產品研制造成較大影響，因此非金屬材料質量保證始終是航天產品質量控制的重要內容。

為從源頭有效控制航天非金屬材料常見質量問題的發生，確保航天產品質量，有必要從生產、包裝、運輸、儲存、交付、驗收等各階段對航天非金屬材料可能發生的失效模式進行歸納總結和分析，提前辨識航天非金屬材料潛在的失效風險，制定有針對性的預防措施，這既有利于全面掌握航天非金屬材料質量控制薄弱環節，也有利于從根本上提高航天非金屬材料質量水平與可靠性。構建航天非金屬材料失效模式庫，可以為航天非金屬材料質量問題分析與定位提供技術支撐，有效降低非金屬材料失效分析難度，輔助快速解決航天非金屬材料質量問題。本文以航天非金屬材料常見失效模式為基礎，在充分考慮航天非金屬材料功能與結構的條件下，按照航天非金屬材料產品類別，對各類航天非金屬材料的失效模式進行分析和研究，建立了航天非金屬材料失效模式基礎數據庫。

一、航天非金屬材料失效模式的構建流程

航天非金屬材料失效模式庫構建流程見圖1。由于航天非金屬材料的失效模式與材料類別具有很強的關聯性，如橡膠及橡膠制品常見的失效模式為夾雜和老化，而膠粘劑和涂料等常見的失效模式則是性能超差，因此在構建航天非金屬材料失效模式過程中，首先按照航天非金屬材料的產品特點和用途對其進行分類，在產品類別確定后，對各類非金屬材料的失效模式進行系統梳理，一是對各類歷史質量問題信息進行進行統計分析，二是組織專業技術人員結合航天非金屬材料的成分、結構特點及服役環境等開展技術分析，統計分析和技術分析應覆蓋航天非金屬材料生產、加工、包裝、運輸、貯存以及交付使用等各個環節。梳理完成后，按照產品類別分別形成各類非金屬材料的失效模式清單，在此基礎上，結合金屬材料歷史質量問題“歸零”和舉一反三情況，從材料組成、結構與性能等方面針對各種失效模式開展機理分析，明確各類失效模式的失效原因應對措施，編制完成非金屬材料失效模式庫，經專家審查后正式發布用于指導非金屬材料的質量管控，并在后續工作對其不斷迭代，持續提高失效模式庫的科學性和覆蓋性。

圖1 航天非金屬材料失效模式庫構建流程

二、航天非金屬材料常見失效模式及機理

航天非金屬材料的性能受原材料、生產加工、使用環境等一系列因素的綜合影響，因此當航天非金屬材料發生失效時，其失效模式的表現形式往往并非以單一現象呈現，常常伴隨多種現象，如橡膠及橡膠制品，當其發生老化失效時，在材料性能降低的同時，還伴隨有外觀龜裂，尺寸變形等問題。因此，在開展非金屬材料失效分析過程中應對非金屬材料的失效特征進行綜合分析，各類常見非金屬材料的失效模式及其表現形式如下。

1.橡膠及橡膠制品

外觀異常：橡膠制品在生產過程中因模具缺陷或人為因素造成產品外觀出現破損；因壓縮量、保壓時間控制不當，導致產品尺寸超差；因老化出現噴霜、龜裂、變色、發粘；因模具未對準、模具設計不合理、壓力過小等造成飛邊、錯位等缺陷。

夾雜：原料中含有雜質或在生產過程中不慎混入雜質。

內部缺陷：工藝參數控制不當導致產品內部產生氣泡、分層、氣孔等。

性能超差：原料配比、生產工藝控制不當造成產品部分或全部指標無法滿足使用要求。

斷裂：過載、疲勞斷裂，低溫脆性斷裂。

老化：在力、熱、光等作用下出現發粘、變脆、變硬、變色等。

2.塑料制品

外觀異常：在生產或貯存過程中因外力造成材料表面出現損傷。

夾雜：原料中含有雜質或在生產過程中不慎混入雜質。

內部缺陷：工藝參數控制不當導致產品內部出現氣泡、裂紋等。

性能超差：原料配比、生產工藝控制不當造成產品部分或全部指標無法滿足使用要求。

斷裂：塑料因過載、疲勞、應力集中、內部缺陷等原因發生斷裂。

開裂：塑料因熱處理工藝控制不當或機械雜質造成開裂。

變形：塑料受溫度、外力等影響發生變形。

老化：在力、熱、光等作用下出現發粘、變脆、變硬、變色等。

3.合成樹脂

外觀異常：產品因生產工藝控制不當導致顏色異常，貯存不當形成結晶等。

夾雜：原料中含有雜質或在生產過程中不慎混入雜質。

性能超差：原料配比、生產工藝控制不當造成產品部分或全部指標無法滿足使用要求。

老化：在力、熱、光等作用下出現發粘、變脆、變硬、變色等。

4.膠粘劑

夾雜：原料中含有雜質或在生產過程中不慎混入雜質。

內部缺陷：因溫度、壓力等工藝參數控制不當或操作不當，造成膠粘劑固化后內部形成氣泡等缺陷。

性能超差：原料配比、生產工藝控制不當、固化條件控制不當等造成產品部分或全部指標無法滿足使用要求。如高溫、高壓、輻射等導致的揮發、聚合、降解、水解、氧化等，使得膠粘劑不再具備粘接能力。

固化：厭氧膠因氧氣含量不足在使用前發生固化反應。

5.涂料

外觀異常：顏料使用不當、原料配比不合理、貯存不當等造成涂料外觀異常。

性能超差：原料配比、生產工藝控制不當、貯存不當等造成產品部分或全部指標無法滿足使用要求。

6.纖維及特種紡織品

外觀異常：因編織工藝控制不當，導致跳線、斷絲、折疊、纏繞、扭曲等。

性能超差：紡絲工藝控制不合格導致性能指標無法滿足使用要求。

斷裂：過載發生斷裂。

7.石油產品

性能超差：水分超標、添加劑失效、高溫氧化導致酸值增加、降解、聚合或水解，從而使得傳熱性能、潤滑性能、附著性能等指標無法滿足使用要求。

夾雜：原料中含有雜質或在生產過程中不慎混入雜質。

8.基礎化學品

性能超差：生產工藝不當，原材料質量缺陷、儲存環境不當導致性能指標無法滿足使用要求。

9.碳、石墨材料及制品

內部缺陷：因溫度、壓力、保溫時間等工藝參數控制不當導致產品內部產生裂紋等缺陷。

性能超差：保溫時間、壓力等生產工藝不當導致性能指標無法滿足使用要求。

10.陶瓷材料及制品

內部缺陷：因溫度、壓力、保溫時間等工藝參數控制不當導致產品內部產生裂紋、夾雜、分層、氣孔、疏松等缺陷。

11.礦物質及其制品

內部缺陷：因溫度、壓力、保溫時間等工藝參數控制不當導致產品內部產生裂紋、夾雜、分層、氣孔、疏松等缺陷。

12.聚合物基復合材料

外觀異常：因原材料質量缺陷，生產工藝控制不當導致產品外觀起皮、鼓包、裂紋等，材料在內外力或其他因素作用下出現磕碰傷、劃傷、腐蝕、氧化等。

內部缺陷：時間、溫度、壓力等工藝控制不當，纖維和樹脂浸潤性差等原因，造成孔隙、氣泡、氣孔、分層、脫粘、斷裂、相分離、相變、固化不完全產生應力集中等。

夾雜：樹脂、纖維中存在夾雜物或在工藝過程中混入夾雜物。

性能超差：因高溫、高濕、輻照、腐蝕、溶劑等造成樹脂基體溶脹、開裂、降解使機械性能、耐燒蝕性能降低。

分層：因原料不合格、纖維體積含量控制不當、鋪層順序或方向錯誤、纖維排列錯誤、固化工藝不合理、機械加工等導致材料承受載荷能力不足或因應力集中而發生分層。

基體開裂：因基體、增強體性能指標超差、鋪層工藝或順序不當、環境溫濕度控制不當、使用條件不當等導致基體開裂。

纖維斷裂：纖維性能超差、設計缺陷、使用不當等原因，使纖維在載荷（拉伸、壓縮、沖擊、彎曲、剪切等）作用下發生斷裂。

變形：復合材料在生產過程中因生產工藝控制不當導致纖維或制品發生形變，或復合材料在外力作用下發生膨脹、扭曲等形變。

斷裂：材料因載荷過高、疲勞等發生斷裂。

三、非金屬原材料失效模式庫的應用

當航天非金屬材料發生質量問題后，利用非金屬材料失效模式庫輔助開展質量問題定位與分析工作，具體工作流程見圖2，通過對非金屬材料發生質量問題的類型進行準確判定，并將其失效模式的表現形式與航天非金屬材料失效模式庫中的信息進行對比，能夠快速找到問題線索，并結合失效材料結構特點，在對質量問題發生的環境條件和表現形式進行深入分析的基礎上，為質量問題的快速定位提供技術支撐，進而針對質量問題制定解決措施。

圖2 非金屬材料失效模式庫指導非金屬質量問題分析與解決流程

四、結束語

本文對航天非金屬材料的失效模式進行了梳理分析，通過開展舉一反三工作，并結合航天非金屬材料結構與功能關系，對航天非金屬材料的失效模式及故障機理進行歸納和總結，初步建立航天非金屬材料失效模式庫，有助于更加全面的掌握航天非金屬材料質量控制薄弱環節，提前采取針對性控制措施，為航天非金屬材料質量問題分析和解決提供支撐。非金屬材料失效問題的發生不僅與材料本身質量缺陷有關，還與其服役環境和使用條件有很大關系，因此，必須按照質量管理體系計劃、實施、檢查、處理（PDCA）循環管理模式，構建故障模式庫的動態更新機制，即隨著科研生產實踐經驗的積累和認識水平的不斷提高，對航天非金屬材料故障模式庫實施動態完善，不斷提高失效模式庫的指導作用。后續，將進一步研究通過信息化手段，將非金屬材料常見失效模式推送到設計選用桌面，以指導設計師系統合理、正確的選用和使用非金屬材料。