Tổng quan về thử nghiệm tự nhiên

Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa với nhiều vùng khí hậu đặc trưng khác nhau. Ảnh hưởng có hại của môi trường khí hậu đến vật liệu, máy móc trang bị kỹ thuật là rất lớn, dẫn đến phí tổn cao cho sửa chữa máy móc vũ khí trang bị. Nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố khí hậu, thời tiết đến máy móc, trang bị giúp chúng ta có thể cải tiến, hoàn thiện thiết kế chế tạo, xây dựng các biện pháp hạn chế ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, tiến hành nhiệt đới hóa trang thiết bị, kéo dài thời hạn sử dụng. Thử nghiệm là một khâu quan trọng trong quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên đến vật liệu và trang thiết bị. Nghiên cứu thử nghiệm tự nhiên là nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố của môi trường khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ mặt trời lên vật liệu và trang thiết bị; xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cho công tác chống ăn mòn lão hóa, phá hủy sinh học và bảo vệ vật liệu; nghiên cứu các quy luật về cơ chế tác động của môi trường lên các quá trình ăn mòn, lão hóa, phá hủy sinh học trên vật liệu, máy móc trang thiết bị kỹ thuật từ đó đưa gia dự báo về thời hạn sử dụng và các giải pháp chống ăn mòn, bảo vệ vật liệu. Đây là một trong những nhiệm vụ cơ bản của hướng nghiên cứu độ bền nhiệt đới, rất cần thiết đối với sự phát triển của kinh tế đất nước.

Thử nghiệm tự nhiên cho phép đánh giá chính xác nhất quá trình ăn mòn, lão hóa và phá hủy sinh học của các vật liệu, chi tiết, cụm chi tiết. Đây là một hướng thế mạnh của Viện Độ bền Nhiệt đới. Hệ thống 3 Trạm Nghiên cứu thử nghiệm tự nhiên đặt tại ba miền đất nước: Trạm Hòa Lạc (ngoại thành Hà Nội), Đầm Báy (Nha Trang, Khánh Hòa), Cần Giờ (huyện Nhà Bè, TP Hồ Chí Minh) đảm bảo điều kiện thử nghiệm đa dạng đặc trưng cho nhiều vùng khác nhau của khí hậu nhiệt đới.

1. Thử nghiệm: Là các thực nghiệm được tiến hành với mục đích đánh giá các đặc tính, định lượng và (hoặc) chất lượng của đối tượng cần thử dựa trên kết quả của quá trình tác động lên đối tượng thử. Có các dạng thử nghiệm sau:

Thử nghiệm khí hậu

Thử nghiệm cơ học

Thử nghiệm bức xạ

Thử nghiệm điện

Thử nghiệm điện từ

Thử nghiệm từ tính

Thử nghiệm hóa học

Thử nghiệm sinh học

1.1. Thử nghiệm khí hậu là một dạng thử nghiệm, áp dụng cho vật liệu, máy móc thiết bị và các sản phẩm kỹ thuật khác cũng như các bộ phận, chi tiết máy, các nguyên liệu, lớp phủ trên các chi tiết máy…với mục đích đánh giá độ bền khí hậu của vật liệu và thiết bị đối với sự phá hủy của các yếu tố tự nhiên (và môi trường).

Theo phương thức tiến hành, thử nghiệm khí hậu có thể chia ra làm 2 nhóm:

– Thử nghiệm tự nhiên được tiến hành ở môi trường ngoài trời dưới sự tác động của các yếu tố môi trường. Thử nghiệm đưa ra được kết luận cuối cùng về độ bền nhiệt đới của đối tượng thử nghiệm nhưng có nhược điểm là thời gian thử nghiệm dài. Thử nghiệm tự nhiên còn phụ thuộc vào vùng địa lý do vậy thường tốn kém hơn (ví dụ như cần phải vận chuyển mẫu thử tới những địa điểm thử nghiệm xa với phòng thí nghiệm).

–Thử nghiệm gia tốc sử dụng hệ thống các thiết bị kỹ thuật, trong đó có thể tạo ra các điều kiện, mô phỏng các quá trình tự nhiên để tiến hành thử nghiệm gia tốc. Thử nghiệm gia tốc cho kết quả nhanh, với xác suất dự báo xác định nào đó.

1.2. Ý nghĩa của thử nghiệm khí hậu

– Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố của điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ…); xây dựng ngân hàng dữ liệu về điều kiện môi trường nhìn từ góc độ chống ăn mòn và bảo vệ vật liệu.

– Nghiên cứu quy luật, động học và cơ chế các quá trình tác động của điều kiện môi trường đến vật liệu, thiết bị, công trình để đưa ra các giải pháp, công nghệ bảo vệ và xây dựng các phương pháp xác định nhanh chất lượng hoặc dự báo tuổi thọ của chúng.

Một số hình ảnh về thử nghiệm tự nhiên:

Thử nghiệm tự nhiên sơn phủ

Thử nghiệm kim loại, hợp kim

Thử nghiệm vật liệu bao gói

Thử nghiệm vật liệu cao su

Thử nghiệm dầu mỡ bảo quản

Thử nghiệm mạch điện tử

 

1.3. Thử nghiệm tự nhiên tại Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga

Thử nghiệm tự nhiên được Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga triển khai nghiên cứu từ rất sớm và đã đạt được những kết quả quan trọng. Trung tâm đã tiến hành thử nghiệm trên nhiều mẫu vật liệu khác nhau (kim loại và các hợp kim của nhôm, magie, đồng, sắt, titan, vật liệu composite, vật liệu cacbon, các lớp phủ oxit, các lớp mạ, bảo vệ bề mặt, các thiết bị linh kiện điện tử, đèn chân không, vật liệu cao su, các loại màng polyme, vải, thủy tinh hữu cơ; các loại mỡ, dầu bảo vệ, màng PINX, sơn phủ dùng trong hàng không,  phụ gia chống vi sinh vật, các chất ức chế ăn mòn, vật liệu nano, vật liệu ngụy trang, nghi trang …). Trong đó phần lớn là các mẫu vật liệu là do Liên Bang Nga nghiên cứu, chế tạo.

Một số kết luận cụ thể mà quá trình thử nghiệm thu nhận được, ví dụ như sau:

a) Với các màng sơn phủ

Thử nghiệm cho thấy các mác sơn kẽm có độ bền cao trên 9 năm sau đó đến sơn phức hợp trên 5 năm. Nhưng không có loại sơn nào giữ được tính chất trang trí sau 2 năm do sự phấn hóa, phong hóa và rửa trôi.

b) Với dầu, mỡ và các lớp phủ mỏng PINX

Thử nghiệm cho thấy các loại dầu mỡ bảo quản và lớp phủ PINX trên cơ sở dầu mỏ Việt Nam có khả năng bảo vệ kim loại trên 3 năm trong điều kiện có mái che.

c) Với mạch, chi tiết, linh kiện điện tử

Phần lớn hỏng hóc hàng không trong điều kiện nhiệt đới là hỏng các thiết bị điện tử trên máy bay. Đa số các bảng mạch điện tử sau 9 tháng xuất hiện các vết nứt cục bộ gây ăn mòn tại các tiếp điểm, gây đoản mạch phá hỏng mạch điện tử.

d) Thử nghiệm tự nhiên trên các bioxit chống phá hủy sinh học

Kết quả thử nghiệm trên 4 loại bioxit mới khác nhau, kết quả cho thấy một trong số đó có khả năng bảo vệ tốt, không phát hiện thấy dấu hiệu vi sinh vật phát triển phù hợp với điều kiện nhiệt đới Việt Nam.

2. Các yếu tố môi trường trong thử nghiệm khí hậu

2.1. Nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng của thử nghiệm tự nhiên. Ở tất cả những vùng khí hậu khác nhau trên trái đất nhiệt độ nằm trong khoảng từ -75 đến +50^oC.

Thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh có thể làm thay đổi lý hóa tính của vật liệu.

Các quá trình lý – hóa – sinh đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ theo các quy luật khác nhau. Khi tăng nhiệt độ sẽ làm phát triển một số lỗi trong kết cấu vật liệu, giảm độ bền liên kết và độ bền kết cấu, làm giảm khả năng làm việc của thiết bị. Khi tác động đồng thời nhiệt độ và lực làm cho rất nhiều loại vật liệu bị biến dạng nhanh hơn. Vật liệu làm việc ở nhiệt độ cao sẽ bị phân hủy hóa học và bị lão hóa nhanh hơn, dẫn đến thay đổi tính chất của vật liệu.

Khi thay đổi nhiệt độ đột ngột trên bề mặt và trong chi tiết sẽ lắng đọng hơi nước. Sự dao động về nhiệt độ lớn sẽ làm phá hủy các liên kết như hàn, gắn keo, phá hủy các lớp phủ.

2.2. Độ ẩm

Thử nghiệm tự nhiên xem xét khả năng phá hoại dưới sự tác động trong thời gian ngắn và thời gian dài cũng như sự thay đổi đột ngột về độ ẩm.

Độ ẩm là nhân tố gây ảnh hưởng lớn trong thử nghiệm tự nhiên. Độ ẩm thúc đẩy quá trình ăn mòn kim loại, thủy phân, tạo sự phát triển của nấm mốc và nhiều ảnh hưởng về cơ tính khác của vật liệu.

Sự tác động của độ ẩm lên sản phẩm phụ thuộc vào tính chất của nước, có thể nằm ở ba trạng thái rắn, lỏng, khí.

Nước biển và sương muối đẩy mạnh sự ăn mòn và phá hủy sản phẩm bởi vì có chứa các muối clorid, muối magie, và muối của các kim loại khác.

2.3. Các tạp chất trong không khí

Tạp chất trong không khí như bụi, cát gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện, đến chế độ trao đổi nhiệt, tạo ra những ảnh hưởng cơ tính, đẩy mạnh quá trình ăn mòn.

Bụi – Bụi kỹ thuật tạo thành từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, mài mòn và chế tạo chi tiết máy. Bụi kỹ thuật nhiều gấp hai lần bụi tự nhiên. Hiện nay ở các thành phố lớn trong không khí đều chứa rất nhiều bụi, trong bụi này chứa các khí oxit sunfua, oxit nito sẽ tạo thành các axit sunfuric, axit nitoric và các hợp chất độc hại khác, đẩy mạnh quá trình ăn mòn, lão hóa và phá hủy vật liệu.

Sol khí Clo, SO₂ và các khí ô nhiễm khác trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn.

2.4. Bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời là các sóng điện từ có bước sóng từ 0,2 đến 5 µm. Bức xạ mặt trời tác động nhiều nhất lên vật liệu hữu cơ thông qua bức xạ hồng ngoại và tử ngoại. Bức xạ IR làm tăng nhiệt độ gây ra sự lão hóa nhiệt, còn bức xạ UV kích thích phản ứng phân hủy của polime dẫn đến sự xuống cấp nhanh chóng của vật liệu.

2.5. Áp suất khí quyển

Thử nghiệm tự nhiên xác định sự hoạt động của máy móc và thiết bị trong điều kiện áp suất khí quyển thay đổi tăng hoặc giảm.

2.6. Vi sinh vật

Môi trường ẩm ướt là điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Vi sinh vật sử dụng ngay nhiều loại vật liệu làm nguồn thức ăn, đồng thời các chất thải ra từ các hoạt động sống của vi sinh vật gây tác hại cho nhiều loại vật liệu.

Sự phá hủy do nấm mốc và vi sinh vật lên vật liệu và thiết bị có thể trực tiếp hoặc gián tiếp. Chúng sử dụng ngay các vật liệu gỗ, giấy, polyme … làm thức ăn để phát triển. Dạng này được coi là sự phá hủy trực tiếp. Trong các trường hợp khác, vật liệu bị phá hủy không trực tiếp, mà bị phá hủy do sản phẩm của các quá trình sinh hóa từ hoạt động sống vi sinh vật gây nên. Các sản phẩm chuyển hóa này làm tăng mức độ xâm thực của các chất gây hại, làm kích thích quá trình phá hủy kim loại và làm già hóa các vật liệu phi kim loại. Sự phát triển của vi sinh vật chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường bên ngoài, đặc biệt  là độ ẩm và nhiệt độ của môi trường xung quanh. Điều kiện thuận lợi nhất để cho vi sinh vật phát triển là nhiệt độ là 15-35⁰C và độ ẩm là 80 %.

3. Yêu cầu kỹ thuật về trạm thử nghiệm tự nhiên

Có ba loại trạm chính đó là trên mặt đất; trên mặt nước và trạm thử nghiệm mẫu chìm. Trạm có nhiệm vụ tiến hành các thử nghiệm, tiến hành quan sát và xử lý số liệu khí tượng, xử lý kết quả thử nghiệm theo chương trình thử.

3.1. Vị trí đặt trạm

Trạm phải đặt tại nơi có đặc trưng tiêu biểu về khí hậu. Trung tâm nhiệt đới Việt – Nga đặt 3 trạm ở ba miền Bắc – Trung – Nam mỗi vùng có một đặc trưng khí hậu riêng, miền Bắc khí hậu 4 mùa, miền Trung có khí hậu biển, miền Nam có khí hậu hai mùa mưa và khô.

Trạm phải đặt tại nơi tiếp xúc với tất cả tác động của thời tiết. Tránh những nơi có tòa nhà, các công trình, cây cối và đặc điểm địa lý nhất định (sông, hồ, đồi hoặc hốc) gây ra những che chắn đối với gió, nguồn ô nhiễm hoặc ánh nắng mặt trời. Có thể lập trạm thử nghiệm riêng tại vùng khí hậu bị ô nhiễm để nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố này.

3.2. Cấu trúc trạm

– Trong trạm mặt đất, trên bờ phải có các vị trí để phơi mẫu như: sân cỏ, sân bê tông, sân có mái che, sân vi sinh, nhà kho và trạm khí tượng. Sân cỏ và sân bê tông theo hình chữ nhật với hai hướng là Bắc Nam hoặc Đông Tây. Sân phải cách xa các công trình nhà và cây cối để không bị che khuất ánh sáng và gió cũng như các điều kiện môi trường khác. Lớp cỏ ở sân cỏ không được cao quá 15 cm. Sân có mái che phải tránh được bức xạ mặt trời tác động trực tiếp vào mẫu. Nhà kho phải có kích thước tối thiểu 2x2x4 m. Sân vi sinh phải có diện tích lớn hơn 0,5 ha, được che bởi 2 đến 3 tầng thực vật.

– Trạm (phao) nổi cố định trên mặt nước cần phải có các vị trí để bố trí mẫu thử và có nhà để tiến hành thử nghiệm, kích thước của trạm phụ thuộc vào khối lượng của thử nghiệm.

3.3. Yêu cầu về thiết bị của trạm

Thiết bị để quan trắc khí tượng và môi trường.

Các giá phơi mẫu có chức năng giữ mẫu chắc chắn trong suốt quá trình thử nghiệm, có thể làm bằng nhiều vật liệu khác nhau nhưng phải đảm bảo yếu tố bền theo thời gian, chắc chắn. Chiều cao của khung không nhỏ hơn 0,8 m. Khung được phơi một góc 45 độ theo phương nằm ngang, hoặc có góc nghiêng trùng với vĩ độ tại nơi đặt trạm. Giá phơi mẫu có khung quay tự động luôn phải đặt vuông góc với hướng chiếu của mặt trời.

PTN Viện ĐBNĐ cung cấp dịch vụ thử nghiệm các loại vật liệu:

• Kim loại, hợp kim
• Polymer
• Cao su kỹ thuật
• Màng sơn phủ
• Lớp phủ bảo vệ
• Vật liệu bao gói
• Nhựa, composite
• Chất ức chế ăn mòn
• Dầu, mỡ bảo quản
• Linh kiện điện tử …

Đánh giá ăn mòn kim loại theo các tiêu chuẩn sau:

• ISO 8565:2011. Metals and alloys – Atmospheric corrosion testing – General requirements (Kim loại và hợp kim – Thử nghiệm ăn mòn khí quyển – Yêu cầu chung).
• ISO 7441:2015. Corrosion of metals and alloys – Determination of bimetallic corrosion in atmospheric exposure corrosion tests (Ăn mòn kim loại và hợp kim – Xác định độ ăn mòn lưỡng kim trong thử nghiệm ăn mòn khí quyển).
• ISO 11306:1998. Corrosion of metals and alloys – Guidelines for exposing and evaluating metals and alloys in surface sea water (Ăn mòn kim loại và hợp kim – Hướng dẫn phơi và đánh giá kim loại và hợp kim trên mặt nước biển).
• ISO 9223:2012. Corrosion of metals and alloys – Corrosivity of atmospheres – Classification, determination and estimation (Ăn mòn kim loại và hợp kim – Ăn mòn khí quyển – Xác định, đánh giá và phân hạng).
• ISO 9224:2012. Corrosion of metals and alloys – Corrosivity of atmospheres – Guiding values for the corrosivity categories (Ăn mòn kim loại và hợp kim – Ăn mòn khí quyển –  Các giá trị hướng dẫn để phân mức ăn mòn).
• ISO 9225:2012. Corrosion of metals and alloys – Corrosivity of atmospheres – Measurement of environmental parameters affecting corrosivity of atmospheres (Ăn mòn kim loại và hợp kim – Ăn mòn khí quyển – Đo đạc các thông số môi trường ảnh hưởng đến độ ăn mòn khí quyển).
• ISO 9226:2012. Corrosion of metals and alloys – Corrosivity of atmospheres – Determination of corrosion rate of standard specimens for the evaluation of corrosivity (Ăn mòn kim loại và hợp kim – Ăn mòn khí quyển – Xác định tốc độ ăn mòn mẫu chuẩn để phân hạng độ ăn mòn).
• ASTM G 50-10:2015. Standard Practice for Conducting Atmospheric Corrosion Tests on Metals (Qui trình kỹ thuật tiêu chuẩn thực hiện thử nghiệm ăn mòn khí quyển kim loại).
• ASTM G 52. Standard Practice for Exposing and Evaluating Metals and Alloys in Surface Seawater (Qui trình kỹ thuật tiêu chuẩn cho phơi và đánh giá kim loại và hợp kim trên bề mặt nước biển).
• GOST907-2007. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы, сплавы, покрытия металлические. Методы удаления продуктов коррозии после коррозионных испытаний(Hệ thống bảo vệ chống ăn mòn và lão hóa. Kim loại, hợp kim, lớp mạ kim loại. Các phương pháp loại bỏ chất ăn mòn sau thử nghiệm).
• ГОСТ 9.908. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы, сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости(Hệ thống bảo vệ chống ăn mòn và lão hóa. Kim loại, hợp kim. Phương pháp xác định các chỉ số ăn mòn và tốc độ ăn mòn).
• ГОСТ 9.909. Единая система защиты от коррозии и старения. металлы, сплавы, покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы испытаний на климатических испытательных станциях(Hệ thống bảo vệ chống ăn mòn và lão hóa. Kim loại, hợp kim, lớp mạ kim loại và lớp phủ vô cơ. Phương pháp thử nghiệm tại trạm thử nghiệm khí hậu).

Đánh giá lão hóa cao su, polymer theo các tiêu chuẩn sau:

• ГОСТ 9.066. Единая система защиты от коррозии и старения. Pезины. Метод испытаний на стойкость к старению при воздействии естественных климатических факторов(Hệ thống chống ăn mòn và lão hóa. Cao su. Phương pháp thử nghiệm độ bền lão hóa dưới tác dụng của các yếu tố khí hậu tự nhiên).
• ASTM G7/G7M-13. Standard Practice for Atmospheric Environmental Exposure Testing of Nonmetallic Materials (Qui trình kỹ thuật tiêu chuẩn thử nghiệm phơi mẫu vật liệu phi kim trong môi trường không khí).
• ASTM D 1435-2013. Standard Practice for Outdoor Weathering of Plastics (Qui trình kỹ thuật tiêu chuẩn phơi thử nghiệm vật liệu plastic ngoài trời).
• ISO 37:2005. Rubber, vulcanized or thermoplastic – Determination of tensile stress-strain properties (Cao su, cao su lưu hoá hoặc nhiệt dẻo – Xác định các tính chất ứng suất giãn dài khi kéo).
• TCVN 4509:2013. Cao su, cao su lưu hoá hoặc nhiệt dẻo – Xác định các tính chất ứng suất giãn dài khi kéo.

Đánh giá lão hóa màng sơn theo các tiêu chuẩn sau:

• Bộ tiêu chuẩn TCVN 8785, Sơn và lớp phủ – Phương pháp thử trong điều kiện tự nhiên, gồm 14 phần:
• TCVN 8785-1:2011, Phần 1: Hướng dẫn đánh giá hệ sơn và lớp phủ trong điều kiện tự nhiên
• TCVN 8785-2:2011, Phần 2: Đánh giá tổng thể bằng phương pháp trực quan.
• TCVN 8785-3:2011, Phần 3: Xác định độ mất màu.
• TCVN 8785-4:2011, Phần 4: Xác định độ tích bụi.
• TCVN 8785-5:2011, Phần 5: Xác định độ tích bụi (sau khi rửa nước).
• TCVN 8785-6:2011, Phần 6: Xác định độ thay đổi độ bóng.
• TCVN 8785-7:2011, Phần 7: Xác định độ mài mòn.
• TCVN 8785-8:2011, Phần 8: Xác định độ rạn nứt.
• TCVN 8785-9:2011, Phần 9: Xác định độ đứt gãy.
• TCVN 8785-10:2011, Phần 10: Xác định độ phồng rộp.
• TCVN 8785-11:2011, Phần 11: Xác định độ tạo vảy và bong tróc.
• TCVN 8785-12:2011, Phần 12: Xác định độ phấn hóa.
• TCVN 8785-13:2011, Phần 13: Xác định độ thay đổi màu.
• TCVN 8785-14:2011, Phần 14: Xác định mức độ phát triển của nấm và tảo.
• Bộ tiêu chuẩn ISO 4628:2016, Paints and varnishes – Evaluation of degradation of coatings – Designation of quantity and size of defects, and of intensity of uniform changes in appearance (Sơn và vecni – Đánh giá sự xuống cấp của màng sơn – Quy ước số lượng và kích thước các khuyết tật, cũng như cường độ sự thay đổi của dạng ngoài) gồm 9 phần:

Part 1: General introduction and designation system (Giới thiệu chung và hệ thống quy ước)

Part 2: Assessment of degree of blistering (Đánh giá độ phồng rộp)

Part 3: Assessment of degree of rusting (Đánh giá độ gỉ)

Part 4: Assessment of degree of cracking (Đánh giá độ đứt gãy)

Part 5: Assessment of degree of flaking (Đánh giá độ tạo vảy)

Part 6: Assessment of degree of chalking by tape method (Đánh giá độ phấn hóa bằng phương pháp dải băng)

Part 7: Assessment of degree of chalking by velvet method (Đánh giá độ phấn hóa bằng phương pháp vải nhung)

Part 8: Assessment of degree of delamination and corrosion around a scribe or other artificial defect (Đánh giá độ tách lớp và ăn mòn xung quanh vết rạch nhân tạo)

Part 9: Assessment of degree of filiform corrosion (Đánh giá độ ăn mòn dạng sợi).