通过开展某型枪械系统拟采用的两种新型纤维增强复合材料在我国热带海洋、寒带寒冷和高原高辐射三种典型大气自然环境下的户外暴露试验，对两种新型纤维增强复合材料在三种典型大气自然环境下的环境适应性进行了对比分析，得到了两种新型纤维增强复合材料在我国三种典型大气自然环境中的环境适应性优劣排序，获得了两种新型纤维增强复合材料在我国三种典型大气自然环境中的力学性能变化规律，掌握了环境温度等环境因素对两种新型纤维增强复合材料力学性能的影响规律。

在现代高技术战争和反恐防突中，武器装备的轻量化是实现快速反应、高机动突防和火力机动的重要条件之一。如何达到高的作战效能和装备重量之间的完美结合，采用更加轻质的材料是目前装备有效减重的首选途径之一。为了满足装备部件物理机械性能和轻量化的要求，具有密度低、比强度高、比刚度大、比模量突出、耐腐蚀等优良的性能的纤维增强复合材料已经逐步在轻武器研制中获得应用。但是，装备拟采用的纤维增强复合材料及部件的环境适应性如何、贮存寿命有多长、性能随时间的劣化规律和各种环境应力对其的影响效果怎样，目前尚是困扰纤维增强复合材料在武器装备上广泛应用的一个系列关键问题，针对这一问题，我们对某型枪械系统拟采用的新型碳纤维和玻璃纤维增强复合材料在我国典型大气自然环境中的环境适应性进行了分析研究，为某枪械系统选材提供了技术支撑，为两类纤维增强复合材料在武器装备上的推广应用，实现武器装备的有效轻量化起到了积极的推动作用。

试验与测试

试验采用的样品为某枪械系统拟采用的某牌号新型高强度碳纤维增强复合材料A，其主要成分为尼龙6+碳纤，以及某牌号新型高强度玻璃纤维增强复合材料B，其主要成分为尼龙6+玻纤。

为研究这两种新型纤维增强复合材料在我国典型大气自然环境中的环境适应性，达到满足某型枪械系统全天候全地域服役的要求，我们分别在代表热带海洋气候的海南试验站、代表寒带寒冷气候的黑龙江试验站和代表高原高太阳辐射的西藏试验站采用两种材料制成的拉伸样与冲击样，开展了为期两年的户外暴露环境试验，以期对其环境适应性进行分析研究。两种复合材料在三个典型环境中的户外暴露试验状态如图1所示。表1为海南试验站、黑龙江试验站、西藏试验站三个典型大气自然环境试验站的气候类型与有关环境数据。

图1 两种复合材料试样户外暴露试验状态

表1  三典型试验站气候类型与有关环境数据

试验样品于6月份完成投试工作，经过2年的户外暴露试验，共获得9个周期的试验检测数据。

测试结果

检测获得的试验数据通过统计分析与处理后，采用图表分析法获得了A、B两类新型纤维增强复合材料样品在海南、黑龙江和西藏三个典型大气自然环境下的拉伸与冲击性能随时间的变化规律，如图2～图4所示。

图2 海南试验站拉伸与冲击强度保留率变化规律图

图3 黑龙江试验站拉伸与冲击强度保留率变化规律图

图4 西藏试验站拉伸与冲击强度保留率变化规律图

分析与讨论

01环境湿度对样品性能的影响分析

从图2～图4我们可以看出，A、B两类试验材料，在海南试验站的样品性能变化波动幅度最小，基本无大的上下波动情况出现，在黑龙江试验站次之，其性能变化上下波动范围在上下约10%～20%以内（拉伸强度的波动幅度略小），在西藏试验站的样品性能变化波动幅度最大，其性能变化上下波动范围在上下约20%～30%以内（拉伸强度的波动幅度略小）。对比分析三个试验站点的月平均相对湿度变化规律，如图5所示，可以看出，海南试验站的月平均相对湿度波动幅度最小，其环境相对湿度常年在80%左右；黑龙江试验站次之，其环境相对湿度年相对湿度基本在40%～80%之间波动，表现为春秋低，夏冬高；西藏试验站月平均相对湿度波动幅度最大，其环境相对湿度年相对湿度基本在20%～60%之间波动，表现为夏高冬低。

图5 三站月平均相对湿度变化规律图

上述对比分析表明：样品的性能变化波动幅度大小与试验环境的相对湿度波动大小相关，环境相对湿度的波动越大，样品的性能波动幅度越大。这也表明，环境湿度是引起两种材料力学性能波动的主要因素，且环境湿度对于样品性能的影响在试验站点与试验周期内具有可逆性。当夏季西藏和黑龙江两地的相对湿度升高时，样品的冲击强度也随之升高，而拉伸强度与冲击强度相反，随湿度的升高而降低；当西藏的冬季和黑龙江的春季两地的相对湿度降低时，样品的冲击强度也随之降低，而拉伸强度则随相对湿度的降低而升高。

02环境温度与太阳辐射对样品性能的影响分析

对比图2～图4我们可以得到，在海南和黑龙江，A样品的性能变化幅度均较B样品大，表明：B样品在海南和黑龙江的环境适应性较A样品好。在西藏，B样品的性能变化幅度均较A样品大，表明：A样品在西藏的环境适应性较B样品好。

结合表1列出的三典型试验站气候类型与有关环境数据分析，可以看出，海南试验站年平均温度为24.6℃，年平均相对湿度为86%，为常年高温高湿环境；黑龙江试验站年平均温度为-1.8℃，年平均相对湿度为66%，为典型的低温环境；而西藏试验站的年平均温度为4.5℃，年平均相对湿度为55%，其和海南试验站比，其温度与相对湿度均没有海南试验站的高温高湿严酷，其和黑龙江试验站比，其环境温度没有黑龙江试验站低，年温差波动没有黑龙江试验站大（黑龙江试验站极端低温数据为-52.3℃，夏季高温可达35℃以上，平均年温差达到76.4℃，有明显的夏烈冬寒特征），和海南和黑龙江两试验站相比，西藏试验站的年太阳辐射量较海南试验站高出2772MJ/m2，较黑龙江试验站高出3678MJ/m2，是典型的高辐射环境，由此分析可得：试验所用该牌号新型高强度碳纤维增强复合材料样品（A）对太阳辐射的环境适应性较好，对温度与湿度的环境适应性较差。试验所用该牌号新型高强度玻璃纤维增加复合材料样品（B）对温度与湿度的环境适应性较好，对太阳辐射的环境适应性较差。

图6～图7分别为A样品与B样品在海南、西藏、黑龙江三站的拉伸强度与冲击强度保留率变化对比分析图。

图6 A样品三站拉伸强度与冲击强度保留率变化对比分析图

图7 B样品三站拉伸强度与冲击强度保留率变化对比分析图

通过图6～图7的对比，我们可以看到：

A样品在西藏其性能是围绕原始值上下波动，除去环境湿度对其的影响，可以认为其性能大致在原始值附近变化，性能表现较为稳定，结果同样表明：A样品对西藏地区的环境有较好的环境适应性，对太阳辐射有较好的耐受性。

A样品在海南试验站其拉伸强度保留率低于原始值约30%，冲击强度保留率高于原始值约50%，在黑龙江试验站其拉伸强度保留率低于原始值约20%，冲击强度保留率高于原始值约30%，结果表明：A样品在黑龙江的环境适应性优于万宁，其对高温高湿环境的耐受性较差。

比较A样品在三个典型环境下的性能稳定性为：西藏＞黑龙江＞海南。

B样品在黑龙江其性能基本围绕原始值上下波动，除去环境湿度对其的影响，在两年的试验期内，其拉伸强度呈现出极缓慢的下降趋势，其冲击强度则呈现出极缓慢的上升趋势，可以认为其性能大致在原始值附近变化，性能表现较为稳定，表明：B样品对黑龙江地区的环境有较好的环境适应性，对低温有较好的耐受性。

B样品在海南试验站其拉伸强度保留率低于原始值约20%，冲击强度保留率高于原始值约30%，在西藏试验站其拉伸强度保留率高于原始值约15%，冲击强度保留率低于原始值约20%。从图形和试验数据可以看出，在两年的试验期内，海南地区与西藏地区对B样品的性能影响是完全相反的。在海南试验站受高温高湿环境因素影响，其拉伸强度表现为低于原始性能值，且其拉伸强度保留率基本上保持在低于原始性能值20%的稳定水平上，呈现出极缓慢的下降趋势，其冲击强度表现为高于原始性能值，除去冲击强度测试数据的分散性影响，其冲击强度保留率基本上高于原始性能值30%的稳定水平上；在西藏试验站受环境太阳辐射因素影响，以及环境湿度冬低夏高的周期性变化影响，其拉伸强度表现为高于原始性能值，其拉伸强度保留率基本上以高于原始性能值15%为中线，随环境湿度的波动呈现出上下波动的现象，其冲击强度表现为低于原始性能值，其冲击强度保留率基本上以低于原始性能值20%为中线，随环境湿度的波动呈现出与拉伸强度保留率相反的上下波动现象。

比较B样品在三个典型环境下的性能稳定性为：黑龙江＞西藏＞海南。B样品在西藏地区的性能稳定性略优于海南地区，但其在西藏和海南的拉伸强度和冲击强度性能表现行为是完全相反的。这是典型的由于环境特征影响因素不同造成的材料性能变化完成不同的经典例证。因此，型号产品在选材时，应根据产品使用时对材料提出的具体性能指标要求，分服役环境有针对性的进行材料选择。

结论

通过对某型枪械系统拟采用的A、B两种新型高强度纤维增强复合材料，在我国热带海洋、寒带寒冷和高原高辐射三种典型大气自然环境下，开展为期两年的户外暴露试验所获得的环境试验数据的对比分析，可以得出以下结论：

a. 太阳辐射与环境温度、湿度对碳纤维增强复合材料A和玻璃纤维增强复合材料B的拉伸强度与冲击强度呈现相反的影响作用。在高太阳辐射的西藏地区，A、B两类纤维增强复合材料表现为拉伸强度升高，冲击强度降低，在高温高湿的海南地区和低温寒的黑龙江地区，A、B两类纤维增强复合材料表现为拉伸强度降低，冲击强度升高。

b. 环境相对湿度是造成A和B两种材料性能波动的主要环境因素，且其对A、B两类材料的性能影响具有可逆性。随着环境相对湿度的升高，A、B两类材料的拉伸强度随之降低，冲击强度随之升高，反之，随着环境相对湿度的降低，A、B两类材料的拉伸强度随之升高，冲击强度随之降低。在两年的试验期内，在西藏地区，A、B两类材料随环境相对湿度的波动，其性能变化在性能检测中值上下20%～30%范围内波动（拉伸强度的波动幅度略小），在黑龙江地区，A、B两类材料随环境相对湿度的波动，其性能变化在性能检测中值上下10%～20%范围内波动（拉伸强度的波动幅度略小），在海南地区，环境相对湿度常年在80%左右，A、B两类材料在海南地区无大的性能变化波动情况。

c. 在两年的试验期内，碳纤维增强复合材料A对太阳辐射有较好的耐受性，表现为其性能稳定，仅随环境湿度的波动而在原始值附近上下波动，高温高湿环境对其性能变化影响剧烈，低温环境对其性能变化也有较大的影响。A类材料在两年的试验期内，在高温高湿的海南环境中，其性能变化稳定表现为拉伸强度保留率低于原始值约30%，冲击强度保留率高于原始值约50%；在低温寒冷的黑龙江环境中，其性能变化表现为拉伸强度保留率低于原始值约20%，冲击强度保留率高于原始值约30%；并随环境相对湿度的变化在上述两值附近上下波动。就三个典型试验环境来说，其在西藏地区的环境适应性最好，其次是黑龙江地区，最后是海南地区。

d. 在两年的试验期内，玻璃纤维增强复合材料B对低温有较好的耐受性，表现为其性能稳定，仅随环境湿度的波动而在原始值附近上下波动，对太阳辐射较为敏感，高温高湿与太阳辐射对其性能变化均有较大的影响。B类材料在两年的试验期内，在高温高湿的海南环境中，其性能变化稳定表现为拉伸强度保留率低于原始值约20%，冲击强度保留率高于原始值约30%；在高原高辐射的西藏环境中，其性能变化表现为拉伸强度保留率高于原始值约15%，冲击强度保留率低于原始值约20%；并随环境相对湿度的变化在上述两值附近上下波动。就三个典型试验环境来说，其在黑龙江地区的环境适应性最好，西藏的环境适应性与万宁相近，略优于万宁。

综上所述，建议型号选材时，一是，应充分考虑环境相对湿度对材料性能带来的波动性影响，避免因湿度带来的波动幅度过大造成的在特定环境中的特定季度出现的材料性能低于指标要求的风险。二是，应充分考虑太阳辐射与温度、湿度等环境特征因素对材料性能影响的不同表现形式，针对型号规定的使用环境，综合考虑环境主要特征因素对型号考核的材料主要性能指标的具体影响作用与表现形式，开展材料的筛选工作，避免出现在特定环境出现故障频发的问题。

引用本文：

肖敏，杨万均，周漪，杨华明，龙仕腾，陈建琼.典型大气环境下新型纤维增强复合材料环境适应性分析[J].环境技术，2021，230(02):60-66.

专家简介：肖敏（1972—），女，正高级工程师，主要研究方向为环境适应性试验与评价技术研究。