电磁线圈发射器环氧材料高温老化特性研究
电磁线圈发射器是新概念电磁武器的重要组成部分,具有发射物体体积和质量范围大、发射速度可调、能源安全简便、结构灵活等优点,可广泛用于科学研究、国防军工等领域。
玻纤/环氧复合材料是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良复合绝缘材料,因为其热固性与良好的电绝缘性能,可用于电子设施的浇铸。
3240玻纤/环氧是电磁发射线圈内壁导向筒、匝间绝缘等固件的绝缘材料之一。
在高温、高压等极端物理场条件下,线圈发射器极易损坏,因此研究3240环氧/玻纤的老化特性,对线圈发射器的使用寿命评估具有重要意义。
热老化影响研究及原因分析
在110℃的实验条件下,试样表面无明显变化。在130℃、150℃的实验条件下,随着老化时间增加,试样表面颜色变化明显,在同一老化时间下,老化温度越高,试样表面的颜色变化越深;在150℃实验条件下,实验进行到末期时,试样表面颜色已完全呈现为炭黑色,并且不再发生变化。
在110、130、150℃这3种老化温度下,随着老化时间的增加,试样的质量损失率均呈现出上升趋势;在同一老化时间下,老化温度越高,试样的质量损失率越大。这是因为在老化初期,高温导致环氧板试样中水以及热稳定性比较差的一些物质分解逃逸。在实验的中后期,试样的止损变化率趋于稳定,线性度较好,这是因为到了实验的中后期,试样的大分子物质发生化学键的断裂,同时生成了具有易挥发性质的小分子物质,从而导致环氧板试样的质量损失率继续变大,但是质量损失率的变化比较稳定。因此,可以通过对环氧板试样在72h之后的质损数据进行拟合分析,以得到试样质损的函数表达式,从而通过当前试样的质损来计算其剩余使用寿命。
由于实际实验中,老化时间不够、老化温度较低,使得在老化前期水分子以及其他易挥发物质的挥发较慢,导致质量损失率相对高温试验下试样的质量损失率更小,使得中后期老化过程中,试样的质量损失率受到水分子挥发与大分子化学键断裂的双重影响从而导致拟合效果较差。
因为更高的老化温度使得试样中的水分子等易挥发物质在老化前期便能快速挥发掉,在实验中后期只需考虑大分子化学键断裂所导致的质损变化。这是因为3240玻纤/环氧中含有一定的玻璃纤维,而玻璃纤维具有较高的热稳定性,不会反应产生易挥发物质,此时整个玻纤/环氧试样只有环氧树脂部分氧化分解产生了易挥发物质。因此,到了实验后期,玻纤/环氧试样的质量损失率变化相较于环氧树脂会有一个较为明显的减缓趋势。
在进行老化试验前,试样的抗冲击强度为104.85kJ/m2,实验进行到216h时,试样的抗冲击强度分别为88.15kJ/m2(110℃)、89.03kJ/m2(130℃)、87.11kJ/m2(150℃),此时试样的抗冲击强度分别下降至老化前试样抗冲击强度的84.07%(110℃)、84.91%(130℃)、83.08%(150℃);在实验的后期,试样的抗冲击强度下降的幅度开始减缓,实验进行到648h时,试样的抗冲击强度分别为84.20kJ/m2(110℃)、82.50kJ/m2(130℃)、80.32kJ/m2(150℃),此时试样的抗冲击强度分别下降至老化前试样抗冲击强度的80.31%(110℃)、78.68%(130℃)、76.60%(150℃)。
可见,在同一老化时间下,实验温度越高,试样的抗冲击强度下降越快。这是因为热氧的实验条件加速了环氧树脂基体的氧化反应,使得连接碳骨架的醚键断裂、基体树脂和玻纤脱粘,以及环氧板中原本紧密的分子网络结构变得疏松,导致交联网链的活动能力降低,破坏了树脂和玻纤的界面结合能力,不利于应力的分散,使得试样的抗冲击强度降低。
在进行老化试验前,试样的弹性模量为26.30GPa,实验进行到216h时,试样的弹性模量分别为25.21GPa(110℃)、24.42GPa(130℃)、23.94GPa(150℃),此时试样的弹性模量分别下降至老化前试样弹性模量的95.86%(110℃)、92.85%(130℃)、91.03%(150℃);在实验的后期,试样的弹性模量下降的幅度开始减缓,实验进行到648h时,试样的弹性模量分别为24.80GPa(110℃)、23.74GPa(130℃)、23.06GPa(150℃),此时试样的弹性模量分别下降至老化前试样弹性模量的94.30%(110℃)、90.27%(130℃)、87.68%(150℃)。可见,在同一老化时间下,实验温度越高,试样的弹性模量下降越快。
这是因为老化过程作为不可逆的化学反应,会伴随有外观、结构和性能的变化。
