自然大氣環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置可行性研究
    對于結(jié)構(gòu)材料在大氣環(huán)境中使用的安全性的研究目前主要有兩種形式，其一是在自然大氣環(huán)境中暴露，其二是用人工模擬大氣環(huán)境對材料進行加速試驗。

    自然暴露具有真實性，由于材料使用常常是在各種不同的自然環(huán)境中，它可能是干熱、高溫潮濕、含鹽霧的海上、化工廠內(nèi)腐蝕性環(huán)境，高原低氣壓環(huán)境及風沙較大的沙漠環(huán)境等。要對它們進行自然暴露試驗通常要在這些不同環(huán)境的地區(qū)建立自然暴露試驗場，因此規(guī)模較大耗費較高，同時各種氣候條件經(jīng)常變化，而且變化是不規(guī)則的，試驗的一致性、重現(xiàn)性常常不能滿足要求，更為重要的是材料自然暴露失效時間和材料服役時間是一致的，因此對它們的安全服役的研究失去了意義。

    二戰(zhàn)前美軍的武器裝備由于未面對全球氣候條件進行充分試驗，導致二戰(zhàn)期間用于南太平洋地區(qū)作戰(zhàn)的武器裝備，在運輸貯存期大量損壞和失效。戰(zhàn)后美軍花了20多年時間對全球氣候進行調(diào)查統(tǒng)計制訂了“MIL-HDKB-310研制軍用產(chǎn)品用全球氣候數(shù)據(jù)”，在此基礎(chǔ)上制定了美國軍用標準“MIL-STD-810國防部試驗方法標準”。北大西洋公約組織也公布了一系列環(huán)境試驗方法及標準，STANGT2895、STANGT4242、STANGT4370及AECT100、AECTP200、AECTP300、AECTP400。同時國際電工委員會IEC68-1出版物也公布了“基本環(huán)境規(guī)程”。這些方法規(guī)程適用于人工模擬自然環(huán)境因素對材料裝備進行加速試驗。

一、關(guān)于大氣腐蝕環(huán)境試驗

    對于工程材料而言，它們總是暴露在大氣腐蝕氣氛中，為了減少對材料的腐蝕，通常對其表面進行防護處理，而這些防護不可避免地也將受到大氣環(huán)境的影響而失效。另外環(huán)境溫度的變化對材料會形成溫度應(yīng)力，使其變形，造成運動部件卡死從而導致裝備失效。

    從大氣腐蝕的效果看，為了在短期內(nèi)取得試驗結(jié)果，必須加速腐蝕過程。通常采用的方法有增加試驗溫度，增加相對濕度，增加凝露程度，增加腐蝕介質(zhì)濃度，增加試驗時間，增加機械應(yīng)力，使溫度周期變化等。

    溫度變化將促進物質(zhì)的其他變化，一般來講，溫度升高10℃，化學反應(yīng)速度增加2~3倍。在正常情況下，腐蝕物在金屬表面形成保護層，在較高溫度下可能不形成保護層，使腐蝕過程加快。一般而言，增加相對濕度腐蝕速度會加快。在多數(shù)氣候里都有凝露期，只是凝露的時間和程度不同而已，有凝露的腐蝕速度較無凝露要快。

    大氣中存在各種不同的腐蝕物質(zhì)，加速試驗的腐蝕介質(zhì)應(yīng)當是經(jīng)常出現(xiàn)的物質(zhì)，一般是NaCL，SO2，H2S及酸性大氣。

    鹽霧腐蝕大氣環(huán)境的影響主要分為腐蝕影響，電氣影響和物理影響。腐蝕影響有電化學引起的腐蝕，加速應(yīng)力腐蝕，鹽在水中電離后形成酸或堿溶液；電氣影響主要表現(xiàn)在由于鹽沉積引起電子裝備的損壞，導電層的產(chǎn)生，絕緣材料和金屬的腐蝕。物理影響出現(xiàn)在機械部分和組件的活動部分阻塞和粘結(jié)，由于電解作用導致漆層起泡。

    鹽霧試驗主要由鹽液濃度，暴露持續(xù)時間、溫度、空氣循環(huán)、鹽霧沉降率等因素決定。從美國軍標及國際電工委員會的試驗方法看，鹽濃度都定在5±0.1%，溫度為35±2℃，氣流速度基本為零，鹽霧沉降單位在80cm2收集器上收集到溶液為1-2ml/n，暴露時間為48h，但是經(jīng)驗表明對于至少4個24h的干燥條件，比連續(xù)暴露于鹽霧大氣中更接近真實的暴露，具有更高的破壞潛力，關(guān)鍵是控制干燥速率和增加循環(huán)次數(shù)。

    在進行二氧化硫腐蝕試驗中，主要的試驗參數(shù)有SO2的濃度，相對濕度，溫度，氣流速度試驗持續(xù)時間，根據(jù)大量經(jīng)驗和數(shù)年的試驗數(shù)據(jù)及國際相關(guān)試驗方法，選擇SO2的濃度為25±5ppm是合適的，該濃度足以對試驗產(chǎn)生合理的加速性而又不致于改變使用時的腐蝕機理，當相對濕度低于70%RH時，幾乎不發(fā)生腐蝕，當濕度超過85%RH時腐蝕物質(zhì)的結(jié)構(gòu)顯著改變，選取75%RH濕度時大多數(shù)情況下腐蝕物質(zhì)的性質(zhì)與現(xiàn)場自然暴露的物質(zhì)相擬，試驗選取相對濕度為75%RH。試驗溫度高于30℃時，就有改變自然腐蝕的傾向，當溫度過低時，試驗時間又過長，因此選取25±2℃的試驗溫度較為合適，使用連續(xù)氣流流經(jīng)試驗箱，這樣既可使SO2濃度恒定，又不會因箱內(nèi)吸附表面吸附氣體而使?jié)舛冉档汀Ｔ囼灣掷m(xù)時間可根據(jù)試驗的嚴酷程度而定，一般應(yīng)不低于4天。

H2S腐蝕試驗的試驗參數(shù)與SO2試驗相似。

    酸性大氣試驗的試驗參數(shù)與鹽霧試驗相似，溫度為35±2℃，沉降在80cm2收集器收集1~2ml/n噴霧用的試驗溶液是每4L去離子水中含11.9MG濃度，95~98%的硫酸。用每4L去離子水中含8.8mg濃度68~71%的硝酸，配置成PH值為4.17的溶液。

綜合以上腐蝕試驗方法，得到腐蝕環(huán)境綜合試驗倉的主要技術(shù)參數(shù)如下：

    倉體內(nèi)膽采用耐鹽霧和酸的聚氯乙烯硬質(zhì)板材，倉內(nèi)兩側(cè)安裝均流板，保溫層與倉體內(nèi)膽靠內(nèi)膽側(cè)安裝加熱和制冷裝置。SO2和H2S經(jīng)過濾與空調(diào)箱的空氣混合后通過管道進入倉內(nèi)，氣流通過均流板水平流入另一側(cè)的均流板，氣流再經(jīng)中合洗滌，再經(jīng)流量計和水環(huán)真空泵將氣體排空，空調(diào)箱完成對倉內(nèi)氣體的溫濕度調(diào)節(jié)。

    鹽霧的產(chǎn)生由鹽霧噴塔完成，倉內(nèi)設(shè)置××個噴霧塔，噴霧塔的數(shù)量和位置根據(jù)試驗要求增減和位置移動。

    雖然現(xiàn)行試驗標準推薦了腐蝕性氣體的濃度和鹽霧沉降量的要求。但本試驗倉可以在一定范圍內(nèi)增加腐蝕濃度，只要增加濃度后不改變材料的腐蝕機理，即可做其它腐蝕目的的試驗。

大氣腐蝕試驗倉的技術(shù)難點主要是結(jié)構(gòu)材料的兼容性和對大氣滯后系統(tǒng)的溫濕度控制。

二、關(guān)于溫度、濕度、日照、淋雨綜合氣候環(huán)境試驗

    裝備長時間在高溫環(huán)境下暴露可能會出現(xiàn)不同材料膨脹，不僅使零部件相互咬死，潤滑劑粘度變低及外流影響潤滑效果，還可導致材料尺寸改變，密封材料老化失效，防護涂層龜裂，合成材料放氣等影響。低溫暴露可能會使裝備材料硬化和脆化，潤滑油粘度增加，影響潤滑效果，水的結(jié)冰。高低溫的變化產(chǎn)生溫度應(yīng)力使設(shè)備變形，防護層硬化變脆脫落。在溫度較高的環(huán)境中暴露，可能使裝備的金屬發(fā)生氧化和電蝕，加速電化學反應(yīng)，破壞防護涂層，電氣絕緣和電性能變壞，潤滑劑性能下降，吸濕材料性能下降，產(chǎn)生凝露改變材料的性能。裝備長時間暴露在太陽光下，會產(chǎn)生材料及防護涂層產(chǎn)生光化學反應(yīng)，特別是紫外光的量子能很高，它能直接破壞碳碳鍵或使材料發(fā)生水解反應(yīng)。降雨的作用表現(xiàn)在沖蝕材料表面，增大腐蝕作用、促進霉菌生長。

    試驗環(huán)境參數(shù)的選擇，美軍標選擇最高誘發(fā)溫度為71℃，低溫為-51℃，試驗溫度確定為-55~88℃，升降溫速率不大于2℃/min。太陽輻射按現(xiàn)行國際和國家標準均規(guī)定輻照強度為1.12KW/m2。降雨強度國際標準按降雨嚴酷程度分為10mm/min、100mm/min、400mm/min，美軍標則推薦采用100mm/min的降雨強度。濕度范圍的選取，建議低濕選取IEC要求的空氣中含濕量不大于20gm3，相當于在35℃溫度下濕度不大50%R.H，高濕選取在于95%R.H?？紤]到輻照強度的燈距試品的距離不能太遠，否則會影響到對試品的照射強度或增大燈的功率，因此建議倉體高度約×M較為合適。

試驗倉的主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)如下：

技術(shù)難點：主要是節(jié)能，如何排出降雨水，水在蒸發(fā)器上結(jié)霜影響制冷效果等。

三、關(guān)于高原環(huán)境試驗

    高原環(huán)境綜合試驗倉主要模擬高原條件下的低氣壓和較強的紫外光，低氣壓可能會造成裝備氣體或液體流出密封不嚴的殼體，密封容器變形破損，低密材料物理化學性能的改變，空氣密度下降使導熱性變差引起裝備過熱，潤滑劑蒸發(fā)，電弧或電暈放電等，強的紫外光量子能量很大，加快高分子材料及防護涂料裂解失效。

低氣壓選擇在4000M左右的高度約52Kpa，紫外光強度選擇在1-3個太陽常數(shù)下的紫外光分量，波長選取在200-500nm。本試驗倉不打算將砂塵試驗引入箱內(nèi)，因為如果沙塵清理不徹底時，可能造成真空泵的損壞。