聚碳酸酯材料在热空气和自然环境中老化的力学性能

　　聚碳酸酯是一种无色、无毒、阻燃的新型热塑性工程塑料，具有机械强度高、耐蠕变性好、优良的抗冲击强度、电绝缘性及耐热性等优点，而且使用温度范围宽(-50～125 ℃)、可见光透过率高达 90 %，已广泛应用于汽车、机械、电子器材、建筑材料、医疗保健和家庭用品等领域。在航空航天领域，聚碳酸酯用于飞机的座舱罩和挡风玻璃，随着对聚碳酸酯研究的不断深入，其在航空航天领域的应用越来越多。

　　聚碳酸酯材料用作航空材料，由于目前飞机飞行速度不断提高，飞机所处的环境温差变化大，使用环境比较复杂，会受到日晒、雨淋、风吹、紫外线照射等多种因素的综合影响，很容易发生老化。拟采用聚碳酸酯板材作为飞机的灯罩，然而在飞机上的使用经验不足，因此本文根据聚碳酸酯灯罩的使用工况及环境条件，采用热空气加速老化以及分别在西安和海南进行自然环境老化这两种方式，评定聚碳酸酯材料在这两种老化条件下的力学性能(包括拉伸性能、弯曲性能和冲击性能)及银纹敏感性，验证材料的老化性能及适用性，为设计材料选用提供可靠的性能数据。

　　灯罩大小不同，使用部位不同可采用不同厚度的聚碳酸酯板材。

　　1、 实验部分

　　1.1 实验材料

　　聚碳酸酯板材由锦西化工研究院提供，厚度 6 mm。

　　1.2 辅助材料

　　试验介质：丙酮、异丙醇、乙二醇、丙二醇、乙醇、3#航空燃油、乙酸乙酯、二氯乙烷、JLG-103 密封剂。

　　1.3 实验设备

　　(1)拉伸性能和弯曲性能试验：美国 INSTRON 4467 电子拉力机；(2)无缺口冲击强度试验：JB-6 型冲击试验机；(3)缺口冲击试验：XCY-4 型冲击试验机；1.4 性能测试。

　　(1)自然环境老化试验按照 GB/T3681-2000 分别在西安和海南大气暴露试验场进行为期 1 年的聚碳酸酯板材自然大气无背板暴晒试验。暴晒角为南向 45°，分别在 3 个月、6 个月和 12 个月取样一次，每次取拉伸、弯曲、无缺口冲击、缺口冲击试样各 6 根，色板 3 片。

　　(2)拉伸性能测试参照 GB/T1040.1-2006 和 GB/T1040.2-2006规定进行，采用 1B 型试样，加载速率为 10 mm/min，测定其拉伸强度、拉伸模量及断裂延伸率。

　　(3)弯曲试验参照 GB/T9341-2008，测定其弯曲强度，试验参数条件：压头半径 5 mm，弯曲夹具支座半径为 5 mm，试样厚度为(6.0±0.2)mm，跨距 L=96 mm，加载速率 V=2 mm/min。

　　(4)简支梁冲击试验参照 GB/T1043.1-2008，无缺口冲击强度，采用 1 型试样，试样厚度为(6.0±0.2)mm。缺口冲击试验采用 1 型试样，A 型缺口。力学性能每组试验测量 6 个试样，取 5 个有效数据的平均值作为试验结果。

　　(5)银纹性能测试参照 HB6657-1992 航空有机玻璃银纹试验方法，分别在 9 种不同的溶剂作用下测定溶剂-应力银纹。

　　2、 结果与讨论

　　2.1 老化试验对板材力学性能的影响

　　2.1.1 热空气加速老化试验结果分析

　　由于聚碳酸酯板材的加工成型温度为 80～90 ℃，当聚碳酸酯用作飞机机身内部的灯罩时，飞机舱内温度夏天最高 40 ℃左右，而用作机翼的灯罩时，经受太阳暴晒，舱外温度 60 ℃左右，因此本文采用 60 ℃的热空气加速老化温度，分别加热处理 100、240、720、1440 和 2160 h，研究聚碳酸酯板材的耐老化情况。

　　从表 1 和表 2 可知，与未老化处理的材料相比，聚碳酸酯板材在 60 ℃的高温干燥鼓风试验箱内分别加热处理 100、240、720、1440 和 2160 h 后的力学性能略微有所变化，总体来说变化不大。说明聚碳酸酯板材具有较好的耐热空气加速老化性能。

　　2.1.2 自然老化试验结果分析

　　选取两种不同气候类型的地区：湿热气候的海南和干燥气候的西安作为对比，分别进行为期 1 年的自然老化试验。从表 3 和表 4 可知，在海南和西安分别进行 3 个月、6 个月和 12 个月自然老化后，板材的拉伸、弯曲、冲击性能与板材室温下的数据相差不大，说明 1 年的自然老化对板材力学性能影响不大。

　　2.2 材料银纹敏感性试验结果分析

　　2.2.1 材料自身因素及溶剂影响板材银纹敏感性试验

　　将未进行老化处理的聚碳酸酯板材在室温下进行应力-溶剂银纹试验，接触介质分别为异丙醇、乙二醇、丙二醇、乙醇、3#航空燃油、JLG-103 密封剂、丙酮、乙酸乙酯以及二氯乙烷，检查试样是否有银纹、龟裂或其它化学降解迹象。结果见表 5。

　　2.2.2 材料自身因素及自然环境影响板材银纹敏感性试验

　　将聚碳酸酯板材，分别在海南、西安自然老化 3 个月、6 个月和 12 个月后在室温下进行应力-溶剂银纹试验，接触介质分别为异丙醇、乙二醇、丙二醇、乙醇、3#航空燃油、JLG-103 密封剂、丙酮、乙酸乙酯以及二氯乙烷，，检查试样是否有银纹、龟裂或其它化学降解迹象。试验结果均为试样接触丙酮时，试样开裂随之断裂；接触乙酸乙酯时，试样表面降解出现裂纹；接触二氯乙烷时，试样表面降解。异丙醇、乙二醇、丙二醇、乙醇、3#航空燃油、JLG-103 密封剂未发现有腐蚀性银纹，与表 5 未进行自然环境老化的应力银纹情况相同。

　　试验结果可知自然环境老化和未进行老化处理的聚碳酸酯板材具有相同的银纹敏感性。自然环境老化对聚碳酸酯板材的银纹敏感性变化影响较小。酮类、脂类和二氯甲烷可明显腐蚀聚碳酸酯，并在受力条件下使聚碳酸酯产生一定深度的裂纹。因此，聚碳酸酯板材作为飞机的灯罩在使用过程中，应避免使用酮类、脂类和二氯甲烷，以免使材料产生银纹、龟裂或其它化学降解。醇类溶剂、3#航空燃油和 JLG-103 密封剂对聚碳酸酯银纹性能影响较小，使用较为安全。

　　3、 结论

　　对厚度为 6 mm 的聚碳酸酯板材在热空气加速老化条件下的力学性能以及自然老化下的力学性能和抗银纹性进行了研究。在这两种老化条件下，聚碳酸酯板材均具有较好的力学性能。自然环境老化对聚碳酸酯板材的银纹敏感性变化影响较小。聚碳酸酯板材可设计用作飞机的灯罩，在使用过程中，应避免使用酮类、脂类和氯烃类等溶剂。

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