易懷強(qiáng),劉圣千,武國軍,鄭 磊,吳家紅,陳 思,康建釗,于鳳林

(中國航天科工集團(tuán)第六研究院四十六所,內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

0 前言

囊體材料是飛艇組成件中最龐大主要的部分,重量占整個(gè)飛艇的50%左右。飛艇囊體材料的性能,直接決定飛艇駐留的高度和時(shí)間以及載荷能力,同時(shí)決定飛艇的使用壽命。囊體材料在加工和使用過程中,需經(jīng)受復(fù)雜的環(huán)境,如高低溫交變、紫外輻射、臭氧以及各種高能粒子的強(qiáng)烈作用等,對(duì)蒙材料性能要求極為嚴(yán)苛。復(fù)雜環(huán)境特別是高低溫對(duì)囊體材料力學(xué)性能有非常明顯的影響[1]。

承力層是囊體材料的關(guān)鍵功能層,是由高強(qiáng)有機(jī)纖維經(jīng)過織造而成的織物。承力層織物是提供囊體材料力學(xué)性能的主要材料。目前,囊體材料的承力層織物所用纖維種類較多,其中有聚芳酯、芳綸、PBO等液晶高分子纖維,這類纖維具有較高的拉伸強(qiáng)度和較低的斷裂伸長率[2],其分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 纖維分子結(jié)構(gòu)式

聚芳酯(Vectran)是由70mol%的對(duì)羥基苯甲酸(HBA)和30mol%的2-羥基-6苯甲酸(HNA)經(jīng)熔融無規(guī)共聚合制得。Vectran聚合物的分子式如圖2所示。

圖2 Vectran聚合物的分子式

Vectran纖維拉伸強(qiáng)度和彈性模量高,強(qiáng)度為2.9 GPa,略低于Kevlar49的3.0GPa；彈性模量為65 GPa,耐磨性能好,耐切割性能好。在干燥溫度為250℃的環(huán)境下保存100h,Vectran纖維能保持原始強(qiáng)度的76%,而普通型Kevlar纖維為56%；在潮濕、溫度為120℃的環(huán)境下保存100h,Vectran纖維能保持原始強(qiáng)度的79%,而普通型Kevlar纖維為43%[3-4]。

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE),又稱高強(qiáng)高模聚乙烯纖維,是目前世界上比強(qiáng)度和比模量最高的纖維。UHMWPE纖維的抗擊性、抗切割性、抗紫外線和抗低溫能力強(qiáng),化學(xué)穩(wěn)定性好,因此被廣泛應(yīng)用于安全防護(hù)、醫(yī)療器械、航空航天、漁業(yè)等諸多領(lǐng)域[5]。應(yīng)力下熔點(diǎn)只有145～160℃,超高分子量聚乙烯分子式為-[CH2=CH2]-n,其長鏈為-C-C-結(jié)構(gòu),沒有側(cè)基,對(duì)稱性及規(guī)整性好,單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘低,柔性好,容易形成規(guī)則排列的三維有序結(jié)構(gòu),有著較高的結(jié)晶度。

聚酯纖維一般指聚對(duì)苯二甲酸乙二酯,其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為-[CO-Ph-COOCH2CH2O]-n。彈性高、強(qiáng)度大,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性、拉伸性和抗折皺性[6],在民用紡織品領(lǐng)域(如衣料、床上用品、裝飾布等)和工業(yè)纖維品領(lǐng)域(如過濾材料、絕緣材料、輪胎簾子線等)都有非常廣泛的應(yīng)用。開始軟化點(diǎn)230～240℃,熔點(diǎn)為255～260℃。

芳綸纖維即芳香族聚酰胺纖維,是以芳香族化合物為原料經(jīng)縮聚紡絲制得的合成纖維。主要品種有聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維和聚間苯二甲酰間苯二胺纖維。它具有超高強(qiáng)、超高模量、耐高溫和比重輕等特性,其強(qiáng)度比一般有機(jī)纖維高3倍以上,模量是錦綸的10倍,滌綸的9倍,其相對(duì)強(qiáng)度相當(dāng)于鋼絲的6～7倍。芳綸纖維具有良好的抗沖擊和耐疲勞性能,有良好的介電性和化學(xué)穩(wěn)定性,耐有機(jī)溶劑、燃料、有機(jī)酸及稀濃度的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿,耐屈折性和加工性能好[7]。它可用普通織機(jī)編織成織物,編織后其強(qiáng)度不低于原纖維強(qiáng)度的90%。

通過對(duì)浮空器囊體材料常用纖維(聚芳酯、芳綸、聚酯、超高分子量聚乙烯等)織物在不同溫度下拉伸強(qiáng)度的性能研究,得出了承力層纖維織物在高溫下的力學(xué)性能變化規(guī)律,為囊體材料制備和使用壽命評(píng)估、浮空器運(yùn)行安全評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐[8]。

1 試驗(yàn)與測(cè)試

1.1 材料

試驗(yàn)中使用的纖維織物為：超高分子量聚乙烯(PE-A纖維織物,PE-B纖維織物),滌綸(DL-A纖維織物),聚芳酯(VE-A纖維織物)和芳綸Ⅲ(F-12纖維織物)。

1.2 性能測(cè)試

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T7689.5-2013對(duì)不同測(cè)試溫度下纖維織物的斷裂拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試設(shè)備為Instron3365拉伸試驗(yàn)機(jī),預(yù)加應(yīng)力為5～15N。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)PE纖維織物強(qiáng)度的影響

為了研究不同溫度條件下UHMWPE纖維織物的斷裂拉伸強(qiáng)度,選取PE-A與PE-B2種規(guī)格的織物進(jìn)行測(cè)試與分析,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

通過表1可以看出,在23～80℃溫度范圍內(nèi),2種規(guī)格的UHMWPE纖維織物隨著溫度升高,對(duì)應(yīng)織物的拉伸強(qiáng)度均逐漸降低；同時(shí),從圖3強(qiáng)度保持率曲線可以看出,2種織物在高溫測(cè)試條件下強(qiáng)度保持率范圍均為70%～100%,都隨著溫度升高強(qiáng)度保持率下降,在80℃情況下,PE-A與PE-B2種織物相對(duì)常溫的強(qiáng)度保持率分別為79.7%和74.9%。超高分子量聚乙烯纖維分子鏈C-C原子之間共價(jià)鍵除以分子鏈截面積可簡(jiǎn)單計(jì)算出分子鏈理論強(qiáng)度,高溫下纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,分子間作用力受到破壞而減小,而分子鏈截面積在高溫下變形增大,因此UHMWPE纖維織物隨溫度的升高強(qiáng)度下降較明顯,PE-A為44tex織物,PE-B為11tex織物,在不同溫度范圍內(nèi)二者下降幅度稍有差異,但隨溫度升高強(qiáng)度下降的總體趨勢(shì)相同,這表明織物的紗線密度和結(jié)構(gòu)對(duì)拉伸強(qiáng)度也有一定影響。

表1 溫度對(duì)PE纖維織物強(qiáng)度的影響

圖3 PE織物相對(duì)常溫的強(qiáng)度保持率

2.2 溫度對(duì)DL纖維織物強(qiáng)度的影響

為了研究不同溫度條件下滌綸(DL)纖維織物的斷裂拉伸強(qiáng)度,試驗(yàn)選取DL-A纖維織物進(jìn)行測(cè)試和分析,試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 溫度對(duì)DL-A纖維織物強(qiáng)度的影響

從表2及圖4可以看出,隨著溫度升高DL-A纖維織物強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì),但下降不明顯,在80℃情況下滌綸織物的強(qiáng)度保持率仍保持在98.6%,降幅不明顯,表明滌綸織物斷裂拉伸強(qiáng)度對(duì)溫度特別是高溫耐受性較好。

圖4 DL-A織物相對(duì)常溫的強(qiáng)度保持率

纖維開始受力時(shí),其變形主要是纖維大分子鏈本身的拉伸,即鍵長、鍵角的變形,拉伸曲線接近直線,基本符合胡克定律。當(dāng)外力進(jìn)一步增加,無定型區(qū)中大分子鏈克服分子鏈間次價(jià)鍵力而進(jìn)一步伸展和取向,導(dǎo)致大分子主鏈和大多次價(jià)鍵的斷裂導(dǎo)致纖維解體。在這過程中可能由于滌綸大分子屬線型分子鏈,分子側(cè)面沒有連接大的基團(tuán)和支鏈,分子間緊密結(jié)合在一起而形成結(jié)晶,形狀尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較好；同時(shí),滌綸的熔點(diǎn)比較高,而比熱熔和導(dǎo)熱率都較小,其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致滌綸織物的耐熱性能較好,受溫度影響不明顯。滌綸織物的熱特性及力學(xué)性能特征可為低成本囊體材料的研究開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

2.3 溫度對(duì)VE纖維織物強(qiáng)度的影響

Vectran纖維具有拉伸強(qiáng)度高和彈性模量高的優(yōu)點(diǎn),性能穩(wěn)定、成熟度高,是目前最常用的囊體材料承力層織物類型之一。以22texVectran纖維織物VEA為研究對(duì)象,考察高溫對(duì)VE-A纖維織物強(qiáng)度的影響,結(jié)果見表3和圖5。

表3 溫度VE-A纖維織物強(qiáng)度的影響

表3和圖5的試驗(yàn)結(jié)果顯示,VE-A纖維織物的強(qiáng)度在23℃時(shí)拉伸強(qiáng)度為839.2N/cm,溫度每升高10℃,織物強(qiáng)度均有不同程度的減少,在80℃時(shí)強(qiáng)度降低至696.6N/cm,相對(duì)常溫的強(qiáng)度保持率為83%。溫度對(duì)材料強(qiáng)度的影響表現(xiàn)為：與其他種類織物的應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢(shì)基本相同,隨環(huán)境溫度升高,織物強(qiáng)度降低,拉伸破壞形式為紗線的斷裂和滑移。

圖5 VE-A織物相對(duì)常溫的強(qiáng)度保持率

2.4 溫度對(duì)F-12纖維織物強(qiáng)度的影響

F-12纖維(國產(chǎn)芳綸Ⅲ)為46所自主研發(fā)生產(chǎn)的雜環(huán)芳酰胺類聚合物,經(jīng)溶液噴絲工藝紡絲得到纖維。該纖維具有高強(qiáng)度、低密度、柔韌性良好等特點(diǎn),可用于囊體材料承力層織物的研制,以22tex平紋織物為研究對(duì)象,測(cè)試了不同溫度下織物的拉伸強(qiáng)度,結(jié)果見表4和圖6。

表4 溫度對(duì)F-12纖維織物強(qiáng)度的影響

從表4和圖6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,F-12纖維織物在23℃時(shí)拉伸強(qiáng)度最大為831.4N/cm,80℃時(shí)拉伸強(qiáng)度最低為757.3N/cm,在23～80℃范圍內(nèi)隨著溫度升高拉伸強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì),相對(duì)于常溫的強(qiáng)度保持率均保持在90%以上,表明F-12纖維織物的力學(xué)性能耐高溫性能較好。

2.5 溫度對(duì)不同種類纖維織物強(qiáng)度的影響

通過對(duì)4種常用纖維織物在室溫及不同高溫條件下拉伸強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn),得出4種纖維織物隨溫度的強(qiáng)度保持率曲線,如圖7所示。

圖6 F-12織物相對(duì)常溫的強(qiáng)度保持率

圖7 4種纖維織物的強(qiáng)度保持率

從圖7可以看出,試驗(yàn)所采用的UHMWPE、Vectran、DL、F-12 4種類型纖維織物的拉伸強(qiáng)度隨溫度升高均呈下降趨勢(shì),但不同類型織物下降程度不同,其中滌綸織物強(qiáng)度保持率曲線下降最平緩,表明高溫對(duì)其拉伸強(qiáng)度影響最??；UHMWPE織物強(qiáng)度保持率曲線下降最快,表明高溫對(duì)其拉伸強(qiáng)度影響最大。這與不同類型纖維織物自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)密切相關(guān)。在浮空器囊體材料研制及生產(chǎn)加工方面,由于織物是囊體材料力學(xué)性能的主要決定者,因此本試驗(yàn)結(jié)論對(duì)不同纖維體系囊體材料、焊接材料以及系留浮空器繩索的力學(xué)性能和實(shí)際應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語

纖維織物是浮空器囊體材料的關(guān)鍵功能層之一,對(duì)其力學(xué)性能特別是不同溫度下拉伸強(qiáng)度的影響研究具有重要意義。

囊體材料是一種多層復(fù)合材料,在選擇承力層織物時(shí)不能只考慮其優(yōu)異的機(jī)械性能,還要考慮與其他材料復(fù)合后的綜合性能,如復(fù)合材料之間的焊接、剝離力及老化性能等。一般原則是在保證材料整體性的前提下盡可能減輕囊體材料的重量,滿足浮空器囊體設(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能。