蒙皮薄膜材料自然环境老化性能研究
摘 要：对蒙皮薄膜材料的自然环境老化性能进行了试验研究。以浮空器研制和应用为背景，获得了具有重要工程研究价值的蒙皮材料自然老化性能数据，真实反应了蒙皮薄膜材料在应用环境中的老化过程。
关键词：蒙皮薄膜材料 自然环境 老化
1 前言
由于浮空器长期处于滞空状态，且空间环境极其复杂，蒙皮薄膜材料不可避免的受到环境中多种因素的影响。蒙皮薄膜材料环境老化性能直接影响着临近空间飞艇研制进度和应用效能，因此材料的老化问题随着浮空器研制和应用的深入越来越受到人们关注[1-3]。对此国内外学者[2-5]开展了蒙皮薄膜材料老化性能对比分析、加速老化性能测试等大量的研究工作。
本文针对环境因素对蒙皮薄膜材料老化性能的影响，开展材料自然环境老化性能研究。
2 蒙皮薄膜材料结构特点及老化研究
现代浮空器材料一般为多层复合结构，主要有耐候层、阻气层和承力层组成。影响材料老化的因素主要是日光辐射（紫外线）、高低温环境、臭氧老化和水。2006年，Said M A等人[8]研究了几种高强度纤维（Zylon、Kevlar、Vectran和Spectra）的抗紫外线性能，试验结果表明Spectra抗紫外线性能最佳。
现阶段浮空器蒙皮材料老化性能研究主要集中在材料间性能对比和材料老化性能研究；在浮空器应用较广泛的今天，特别是发展迅速的临近空间飞艇，使得气囊材料在其服役环境下的老化性能愈加重要。
3 蒙皮薄膜材料自然环境老化性能
本文利用浮空器研制和应用过程中的试验数据，对蒙皮薄膜材料的自然老化性能进行研究。蒙皮材料为URETEK，耐候层为Polyurethane，承力纤维为Vectran，密度185 g/m2，出厂断裂强力86N/mm。在浮空器球体上每间隔一段时间，进行球体材料取样，制作试验件进行单轴拉伸试验，根据GB/T3923.1测定蒙皮薄膜材料的断裂强力，监测材料的自然环境老化
性能。
3.1试验结果
从表1可以看出，蒙皮材料随着自然环境老化时间的增长其断裂强力逐渐降低；由于在浮空器生产和试验阶段蒙皮材料折迭、摩擦等引入损伤导致URETEK断裂强力前期下降较快，后期下降变慢。
3.2 蒙皮薄膜材料老化性能
通过对三种浮空器履历的统计及载荷的梳理，得到了表1中强环境作用（外场使用）时间、弱环境作用（库存）时间及载荷系数。由表1可知，自然环境老化时间（强环境作用时间）和载荷系数相等时，其强弱环境作用时间不同，URETEK的剩余断裂强力有很大差异；自然环境作用时间、强环境作用时间和弱环境作用时间极其相近时，载荷系数不同，URETEK的剩余断裂强力影响也较大。
4 结论
（1）本文使用的蒙皮薄膜材料URETEK老化性能数据为浮空器真实使用环境下得到的，具有重要的工程研究价值，且真实反应了浮空器蒙皮薄膜材料的老化性能。
（2）自然环境老化时间和载荷系数相等时，其强弱环境作用时间不同，URETEK的剩余断裂强力有很大差异；自然环境作用时间、强环境作用时间和弱环境作用时间极其相近时，载荷系数不同，URETEK的剩余断裂强力影响也较大。
参考文献：
[1] 张礼学，王中伟，平流层飞艇环境适应性评价模型[J]，航空学报，2012，33（x），1-8.
[2] 白向红，飞艇蒙皮材料力学性能演化规律研究[D]，哈尔滨工业大学硕士学位，2009.
[3] 杨秉，杨健，李小将等，临近空间飞艇运行环境及其影响，航天器环境工程，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] 顾正铭，平流层飞艇蒙皮材料的研究[J]，航天返回与遥感，2007，28（1），62-66。
[6] 王兆希，窦宝峰，逄型召，平流層浮空器用柔性复合材料的断裂性能[J]，复合材料学报，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。