民机蒙皮材料紫外老化加速环境谱研究

李毓镇，李庄，李凌飞，杨绪帅

民机蒙皮材料紫外老化加速环境谱研究

李毓镇1，李庄2，李凌飞1，杨绪帅1

（1.北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191；2.中国航空综合技术研究所，北京 100028）

研究紫外辐射环境对蒙皮材料的性能退化影响，进而对民机的紫外辐射防护设计提供重要依据，并依据其使用环境编制加速环境谱。通过分析民机的任务特点和使用环境，基于民机巡航高度下紫外辐射强度的仿真结果和相关紫外环境试验标准，提出了适用于民机蒙皮材料的紫外老化加速环境谱，给出了各试验条件的确定方法，以及加速环境谱与外场实际使用环境的当量加速关系。以民机机身部位蒙皮试样为例，初步开展了若干周期的紫外老化试验，蒙皮表面材料的形貌改变和性能退化验证了所提出的加速环境谱的可行性。

民用飞机；蒙皮材料；紫外辐射；环境试验；加速环境谱；当量加速关系

当飞机处于巡航高度时，大气的紫外辐射环境对蒙皮涂层的影响较为突出。民机蒙皮表面的涂层属于高分子材料，在紫外线的长期照射下，化学键容易被破坏，从而发生老化分解，最终影响涂层对基体金属的保护作用，为民机高空飞行的安全性带来隐患[1-3]。因此，必须研究紫外辐射对民机蒙皮材料性能退化的影响，为开展民机的紫外辐射防护设计提供相应的指导。

民机的实际使用年限较长，通常超过25 a，在外场实际使用环境下，观察其特性的改变，时间过长。为了减少试验时间，需要通过加速试验的方法加速材料的损伤老化过程，在较短的试验时间内达到民机使用一定时间后的材料老化效果。因此，加速环境谱的编制和加速环境谱与外场实际使用环境当量加速关系的确定则是实施加速试验的重要前提。

目前，橡胶、涂层、玻璃等高分子材料的紫外老化试验已经得到了广泛研究[4-14]，现有的紫外辐射标准的试验对象也多为橡胶、涂层、塑料等非金属材料[15]。考虑到民机复杂的民机系统和任务环境，以民机为试验对象的紫外辐射标准还未制定。同时，以民机典型材料为试验对象的紫外辐射研究，试验方法也各不相同，辐射量和结果大相径庭。本文在分析民机任务特点和使用环境的基础上，结合巡航高度下紫外辐射强度的仿真结果和已有的国内外研究成果，提出了适用于民机蒙皮材料的紫外老化加速环境谱，以及相应的当量加速关系，并通过典型蒙皮材料的紫外老化试验，验证了加速环境谱的可行性。

1 民机任务特点和使用环境分析

1.1 民机任务特点

在民机的使用寿命期内，实际飞行时间所占的比例不可忽视，民用客机或运输机平均每天的飞行时间为6～10 h，与地面停放时间之比为0.35～0.7[16]。民机在巡航飞行和地面停放时，其紫外辐射环境存在较大的不同。因此，在编制民机加速环境谱时，要同时考虑民机巡航环境和地面停放环境对蒙皮材料的紫外老化影响。不同飞机飞行时达到的最大高度不同，除了公务机的飞行高度可以达到15 km外，一般情况下，民机的飞行高度不会超过13 km。

1.2 紫外辐射环境分析

太阳辐射波中，波长在200～400 nm范围内的非可见光叫作紫外线，其中长波紫外线（320～400 nm）有超过98%的能量能够穿过臭氧层和云层；中波紫外线（280～320 nm）的穿透力较弱，臭氧层可以吸收大部分的辐射能量，只有不足2%能够穿过臭氧层；短波紫外线（200～280 nm）的穿透能力最弱，其全部的辐射能量基本被平流层的臭氧吸收[17]。因此，造成高分子材料化学键断裂的紫外辐射波长在280～400 nm，其辐照能量在整个光谱能量中占比为6.8%。

表1 光谱能量分布

Tab.1 Spectral energy distribution

2 加速环境谱的编制

通过分析民机实际使用地区的环境资料和使用时间，确定加速环境谱中的试验条件。本文以海南地区为例，编制针对民机蒙皮材料的紫外老化加速环境谱。在编制过程中应注意，加速环境谱既要反映民机的实际使用情况，又要缩短试验时间，节约试验成本，且易于操作，能够在实验室中实现对应的试验技术。

2.1 试验条件

2.1.1 紫外辐射量

为了计算民机1 a地面接受的紫外辐射量，可以从民机停放紫外辐射与军机所接受辐射量对比估计得到。文献[18]通过紫外照射试验结果与多架飞机外场使用不同年限涂层情况对比，确定了军机每年接受的紫外辐射量是5.18 MJ/m2，对应接受照射的天数是120 d。对于民机蒙皮而言，其全年365 d均接受光照，因此民机1 a地面接受的紫外辐射量为15. 8 MJ/m2。

对于巡航高度下的紫外辐射量，采用辐射传输的计算模式，考虑传输过程中的主要影响因素计算巡航高度下紫外辐射强度。紫外辐射在空气中的传输过程受到许多因素的影响，大气臭氧、太阳高度、云量和气溶胶是影响紫外传输的主要因素[19]。

1）气溶胶对紫外线的散射和吸收是引起紫外辐射强度改变的重要原因，不同厚度的气溶胶对紫外强度的衰减有不同的影响，而且气溶胶的尺度、时间和空间都有很大的变化，增加了传输计算的难度。同时气溶胶的散射遵从Mie散射，散射的横截面积随波长变化[20]。因此，气溶胶是影响巡航紫外辐射的一个重要因素。

2）一般情况下，云高为2 500～8 000 m，飞机巡航高度一般在10 000 m左右，所以云对巡航高度下紫外辐射的影响较小。

3）臭氧主要分布在平流层中，吸收紫外线的能力较强，臭氧的垂直分布是影响紫外传输的重要原因。由于13 000 m巡航高度处的臭氧浓度明显小于30 000 m处的臭氧浓度，所以此时臭氧对紫外线有一定的吸收效果，但不是主要影响因素。

4）民机处于巡航飞行时，天顶角在不断变化，所以不考虑此因素对紫外辐射的影响。

5）地表的反射对大气吸收紫外有一定的影响。大多地表的紫外辐射的反射率在0.01～0.1。除了新雪的反射率可以达到83.5%外，其余地表的反射率均很小，对紫外辐射的影响有限[21]，不考虑其对巡航高度下紫外辐射的影响。

经以上分析可知，民机巡航飞行时，影响紫外传输过程的主要因素是气溶胶，利用Disort传输模型和Libratran计算软件计算巡航高度下的紫外辐射强度[22-23]。将气溶胶设为默认值，暂不考虑其他因素，波长设置为280～400 nm，海拔高度为13 000 m，差值为1.5，计算模型为Disort。巡航高度的水平辐照度和扩散向下辐照度如图1所示，总向下辐照度为两者之和。为了快速分析高分子材料的耐紫外性能，基于两者的峰值进行计算总辐照度，故民机巡航高度处的紫外辐照强度为1.68 W/m2。由于我国民机的平均飞行时间约为8 h，所以巡航高度处的紫外辐射总量为17.66 MJ/m2。因此，民机机载产品的典型材料1 a内接受的紫外辐射总量近似为33.46 MJ/m2。

图1 巡航高度的辐照度

2.1.2 紫外照射时间

不同的试验目的，高分子材料的紫外照射时间也各不相同。ISO的紫外试验标准中，1个试验周期为24 h，按照试验方法，紫外照射时间分为8、20、24 h。8 h是为了尽可能模拟实际情况，20 h是为了考察光效应，考虑到民机高分子材料失效主要原因也是光效应，所以照射时间应在20 h左右。我国海南地区紫外线最严重时，1 d有光的照射时间在14 h左右，故将照射时间暂定为14 h。

2.1.3 试验温度

高温会加剧高分子材料的紫外老化进程，已有标准均推荐了紫外老化试验各阶段的黑板温度值，通常是参考高分子材料使用地区的夏季最高地面温度确定黑板温度的量值。参考GB 2423.24[24]等相关标准，我国海南地区的平均温度是21.9 ℃，1年的温度峰值是37.7 ℃，1 d中该峰值温度持续时间约为4 h。民机的材料接受紫外辐射后，实际温度会比最高温度高出10 ℃，所以把试验条件中的温度暂定为(55±10) ℃。

2.1.4 灯源的选择

大部分的测试中都采用UVA-340灯源，可以很好地模拟太阳光的紫外线部分，UVA-351用于模拟穿透材料后的紫外辐射情况。若要用于人工加速试验，可选用UVB-313灯源[25]，其发射的短波波长更短，破坏性更强。为了紫外辐射试验能最大程度地加速材料老化，快速分析材料的耐紫外辐射性能，本文采用UVB-313灯。

2.2 加速环境谱

根据以上分析，最终得到的加速环境谱如图2所示。以24 h为1个循环，紫外照射时间为14 h，高温持续时间为4 h，增温和降温均为2 h，相对湿度是65%。根据试验具体要求，设计紫外试验箱，本文使用UVB-313灯，在310 nm波长的辐射强度为0.66 W/m2，转化为总辐照度的转换系数为47.91。根据紫外环境模拟需求和紫外辐射的特点设计紫外辐射试验箱，紫外老化试验箱（8台灯）中暴露1循环的辐射总量为12.7 MJ/m2。

图2 加速环境谱

3 当量加速关系

基于紫外辐射总量计算加速环境谱的加速因子a，以相同辐射量为理论基础，计算紫外辐射试验箱产生民机z时间段内接受的紫外辐射量所需要的时间r，z和r的比值即是加速因子a[26]。因此，紫外老化试验箱产生民机1 a接受的紫外辐射量的时间2.63 d，则加速因子为138。

目前的紫外辐射环境试验的研究中，对加速因子的范围没有明确的要求。为了节约时间和成本，在短时间内分析材料的性能变化，加速因子在100左右可以接受。

4 实例

为验证上述加速环境谱的可行性，选取民机机身部位的蒙皮试样在上述加速环境谱下试验若干周期。试验件以LY12作为基材，以H06-27锌黄底漆和S04-81聚氨酯面漆作为防护涂层。制备6个尺寸大小为25 mm×25 mm的试样（其中1个作为对照试样），如图3所示。

经紫外辐照若干周期后，试样的光学显微照片（从左至右辐射时间逐渐增加）如图4所示。可以看出，在经过紫外照射若干周期后，试样表面局部出现不同程度的起泡现象。

图3 蒙皮试样

图4 紫外辐照后试样照片

机身蒙皮试样的UV-vis表面反射光谱如图5所示。在经过紫外照射后，蒙皮表面的反射率有轻微的下降，其原因主要有2方面：一方面，蒙皮接收紫外辐照后表面鼓泡，形貌改变引起反射率的下降；另一方面，蒙皮表面涂层材料性能的改变造成反射率的下降。

图5 蒙皮试样表面反射光谱

5 结论

1）本文在Libradtran紫外辐射强度仿真和其他相关紫外辐射标准的基础上，结合民机的使用特点和任务环境，提出了针对民机蒙皮材料的紫外老化加速环境谱的编制方法。加速环境谱中的试验参数可根据民机具体的使用地区和使用时间进行调整，具有较好的普适性。

2）基于紫外辐射总量确定当量加速关系，利用试验时间可以对蒙皮材料实际使用时间进行分析，进而为民机的紫外辐射防护设计提供重要依据。

3）以民机机身蒙皮材料为例，进行若干周期的紫外老化试验，试样出现明显的鼓泡现象，并且表面反射率出现轻微下降，试验结果证明了所提出的加速环境谱的可行性。

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Accelerated Environmental Spectrum of Ultraviolet Aging for Civil Aircraft Envelop Material

LI Yu-zhen1, LI Zhuang2, LI Ling-fei1, YANG Xu-shuai1

(1. School of Reliability and Systems Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. AVIC China Aero-polytechnology Establishment, Beijing 100028, China)

The work aims to study the effect of ultraviolet radiation environment on the performance degradation of envelop material to provide an important basis for the ultraviolet radiation protection design of civil aircraft and compile the accelerated environmental spectrum according to its use environment. By analyzing the task characteristics and use environment of civil aircraft, the accelerated environmental spectrum of ultraviolet aging for civil aircraft envelop material was proposed based on the simulation results of ultraviolet radiation intensity at cruising altitude of civil aircraft and relevant ultraviolet environmental test standards. Then, the determination method of each environmental parameter and the equivalent acceleration relationship between the accelerated environmental spectrum and the actual application environment in the external field were given. Several cycles of ultraviolet aging tests were carried out on envelop material samples of civil aircraft body parts. The surface morphological changes and performance degradation of the envelop material verified the feasibility of the proposed accelerated environmental spectrum.

civil aircraft; envelop material; ultraviolet radiation; environmental test; accelerated environmental spectrum; equivalent acceleration relationship

2022-09-12；

2023-02-17

LI Yu-zhen (1998-), Male, Postgraduate.

李庄（1988—），女，硕士。

LI Zhuang (1988-), Female, Master.

李毓镇, 李庄, 李凌飞, 等.民机蒙皮材料紫外老化加速环境谱研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(6): 043-048.

V216

A

1672-9242(2023)06-0043-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.006

2022–09–12；

2023–02–17

李毓镇（1998—），男，硕士研究生。

LI Yu-zhen, LI Zhuang, LI ling-fei, et al.Accelerated Environmental Spectrum of Ultraviolet Aging for Civil Aircraft Envelop Material[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 043-048.

责任编辑：刘世忠