摘" " 要： 針對預(yù)測芳綸繩帶在降落傘上的使用壽命常采用半經(jīng)驗(yàn)的方法，缺乏理論依據(jù)。通過研究高載荷下25-600型芳綸1414繩帶蠕變行為和抗沖擊性能，分別得到芳綸1414繩帶載荷大小與蠕變斷裂時(shí)間之間的擬合曲線和沖擊強(qiáng)度與沖擊次數(shù)之間的擬合曲線，用于預(yù)測其在高載荷下的使用壽命，并測定繩帶試驗(yàn)前后的取向度和結(jié)晶度。結(jié)果表明：在蠕變過程中載荷大小與蠕變時(shí)間對數(shù)呈函數(shù)關(guān)系，其中單層和單圈兩層繩帶的擬合方程分別為ln t = 33.65 - 0.33σ和ln t = 32.45 - 0.31σ；沖擊模型的斜率與截距均與蠕變模型呈2倍的關(guān)系，當(dāng)樣品承受相同載荷時(shí)，蠕變斷裂時(shí)間對數(shù)與沖擊次數(shù)之間的關(guān)系為ln t = An - B，即可用沖擊次數(shù)預(yù)測繩帶的蠕變斷裂時(shí)間，反之亦然。芳綸1414繩帶蠕變和沖擊前后的取向度與結(jié)晶度表明，在相同載荷下，蠕變和沖擊對繩帶的損傷效果相同，這進(jìn)一步證明25-600型芳綸1414繩帶蠕變性能與沖擊性能之間高度聯(lián)系。

關(guān)鍵詞： 芳綸編織物；芳綸繩帶；蠕變；高載荷；擬合模型

中圖分類號： TQ342.72" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" " " " " " " " 文章編號：" １６７１－０２４Ｘ（２０24）０4－００24－06

Prediction of service life of aramid woven fabric under high load

SONG Jun1， SHI Yufei1， ZHANG Linling2， LI Chuanmeng1， WANG Linfeng1， WANG Mengdie1

（1. School of Material Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China； 2. Hangyu Life-Saving

Equipment Co.， Ltd.， AVIC， Xiangyang 441003， Hubei Province， China）

Abstract： The semi-empirical method is used to predict the service life of aramid tape in parachute， but lacks of theoretical basis. In this paper， the creep behavior and impact resistance of type 25-600 Aramid 1414 tape under high loads were used to fit the curve of the load size and creep breaking time and the curve of the impact strength and the number of impact tests， respectively， which can be used to predict the service life of aramid tape under high load， and the orientation and crystallinity of the tape before and after the test were measured. The results show that there is a functional relationship between the load and the logarithm of creep time during the creep process， and the fitting equations of single-layer and single-loop two-layer tapes are lnt = 33.65 - 0.33σ and lnt = 32.45 - 0.31σ， respectively. The slope and intercept of the impact model are twice those of the creep model. When the sample is under the same load， the relation between the logarithm of creep breaking time and the number of impact tests is lnt = An - B， and the number of impact tests can be used to predict the creep breaking time of the tape， and vice versa. The creep and orientation and crystallinity of Aramid 1414 tape before and after impact tests indicate that under the same load， creep and impact have the same damage effect on the tape， which further proves that there is a high correlation between the creep and impact properties of type 25-600 Aramid 1414 tape.

Key words： aramid woven fabric； aramid tape belt； creep； high load； fitting model

由于芳綸纖維具有優(yōu)異的物理性能，自問世以來便受到廣泛的關(guān)注。在20世紀(jì)60年代進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)之后，芳綸纖維便逐漸應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)[1-3]。目前芳綸纖維生產(chǎn)技術(shù)成熟的企業(yè)有美國的杜邦公司、日本的帝人公司以及俄羅斯的卡明斯克化纖股份公司[4]。為滿足各個(gè)行業(yè)對高性能材料需求，我國近年來在芳綸纖維研發(fā)方面投入大量的資金。同時(shí)，隨著航空領(lǐng)域的快速發(fā)展，對降落傘及減速傘等材料的要求也越來越高，由于關(guān)系到使用者的生命安全，因此對材料的性能要求極高。芳綸繩帶憑借其模量大、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，成為降落傘繩帶的最佳選擇之一[5-8]。

芳綸作為降落傘及減速傘繩帶，在使用過程中不可避免地要面臨蠕變與沖擊。目前有許多學(xué)者對該問題進(jìn)行了研究，并提出許多物理模型來模擬芳綸繩帶在實(shí)際中的使用情況。Huang等[9]假設(shè)纖維的總應(yīng)變由黏彈性應(yīng)變以及黏塑性應(yīng)變組成，并采用Schapery的單積分本構(gòu)模型描述黏彈性行為，采用一維阻尼器－滑塊－彈簧模型描述黏彈性行為。Lian等[10]則根據(jù)纖維材料中裂紋的應(yīng)力增長現(xiàn)象提出了纖維材料失效的理論模型，該模型主要針對未加捻的紗線在應(yīng)力與失效時(shí)間之間建立函數(shù)關(guān)系，該模型適用于理想分布為韋伯分布且斷裂強(qiáng)度恒定的長絲，并根據(jù)長絲蠕變時(shí)的行為，提出了數(shù)學(xué)模型來模擬這一過程。然而大部分學(xué)者研究的是芳綸繩帶在低載荷（70%斷裂強(qiáng)度以下）的使用情況，對高載荷情況下的蠕變研究較少[11]。

本文將研究芳綸繩帶在高載荷狀態(tài)下的蠕變情況以及繩帶的沖擊性能，建立兩者之間的模擬方程，使用沖擊次數(shù)來預(yù)測芳綸的蠕變使用壽命，為芳綸繩帶的實(shí)際使用壽命預(yù)測提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)及測試

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料與儀器

芳綸1414繩帶（25-600），航宇救生裝備有限公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Gemini nsen500），卡爾·蔡司股份公司；X射線衍射儀（D8 DISCOVER with GADOS），德國Bruker公司；聲速取向測量儀（SCY—Ⅲ），東華大學(xué)提供；稱重傳感器（GJBLY），蚌埠高精傳感系統(tǒng)工程有限公司；萬能強(qiáng)力機(jī)（SANS CMT5205），美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司。

1.2 蠕變實(shí)驗(yàn)

分別對單層以及單圈兩層的芳綸纖維繩帶進(jìn)行蠕變斷裂實(shí)驗(yàn)，并觀察單層芳綸繩帶與雙層芳綸繩帶之間的差異。其中單層繩帶是將繩帶的兩端各自對折而后縫制，單圈兩層繩帶是將繩帶的兩端進(jìn)行縫合，如圖1所示。

使用規(guī)格為25-600的芳綸1414繩帶作為原材料，在恒溫恒濕的條件下采用拉伸實(shí)驗(yàn)測試?yán)K帶蠕變性能。實(shí)驗(yàn)裝置和受力分析如圖2所示。由圖2可見，通過液壓裝置對槽鋼施加向上的力，轉(zhuǎn)換成螺栓對繩帶施加拉力，并由拉力傳感器記錄相應(yīng)數(shù)值。當(dāng)施加的拉力達(dá)到預(yù)設(shè)載荷時(shí)，保持拉力不變，并記錄蠕變情況與斷裂時(shí)間。測試單層與單圈兩層芳綸帶的斷裂強(qiáng)力，分別是7.57 kN和13.24 kN。計(jì)算單層和單圈兩層芳綸帶不同斷裂強(qiáng)力百分比（70%、75%、80%、85%、90%）下的所需要的載荷，并測試不同載荷下的蠕變斷裂時(shí)間，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次。

1.3 沖擊實(shí)驗(yàn)測試

同樣使用25-600的芳綸1414繩帶為沖擊實(shí)驗(yàn)的原料，通過高度為3 m的沖擊裝置測試?yán)K帶的抗沖擊性能。實(shí)驗(yàn)裝置及受力分析如圖3所示。

由圖3可見，繩帶兩端分別與傳感器和重物連接，通過控制重物的質(zhì)量來控制繩帶承受沖擊力的大小，并由拉力傳感器記錄。單層繩帶沖擊斷裂強(qiáng)力為7.67 kN，單圈雙層繩帶的沖擊斷裂強(qiáng)力為14.81 kN，并計(jì)算不同斷裂強(qiáng)力百分比（70%、75%、80%、85%、90%）的沖擊力，換算成相應(yīng)的重物質(zhì)量，測試每個(gè)繩帶沖擊的數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次。

1.4 測試與表征

（1） 掃描電鏡測試：使用卡爾·蔡司股份公司制造的Gemini nsen500型掃描電子顯微鏡（SEM）來觀察芳綸繩帶經(jīng)蠕變拉伸后以及沖擊后的微觀結(jié)構(gòu)變化。

（2） 取向度測試：采用東華大學(xué)制造的SCY—Ⅲ型聲速取向測量儀測試?yán)K帶拉伸前后的取向度，測試聲波通過不同長度纖維所需的時(shí)間從而得出聲速C，再根據(jù)模量計(jì)算公式計(jì)算出模量：

E = 10- 9 ρC2（1）

式中：E為模量（GPa）；C為聲速（km/s）； ρ為纖維密度，取值為1.44 × 103 kg/m3。

（3） XRD測試：采用德國Bruber公司生產(chǎn)的D8 DISCOVER with GADOS型X-射線衍射儀分析繩帶蠕變后以及沖擊后的結(jié)晶情況，Cu Kα射線，加速電壓和電流分別為40 kV和150 mA，掃描速率為5 °/min，掃描范圍為2θ = 5° ～ 45°。計(jì)算繩帶的結(jié)晶百分比Xc如式（2）：

Xc = Ａc/（Aa+Ac）"× 100% （2）

式中：Xc為結(jié)晶百分比（%）；Ac為結(jié)晶區(qū)域的面積；Aa為無定形區(qū)域的面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠕變性能

圖4為繩帶在不同斷裂強(qiáng)力百分比下單層和單圈兩層芳綸1414繩帶的伸長率-蠕變時(shí)間曲線。

由圖4可知，試樣伸長率在起始階段隨著蠕變時(shí)間變化出現(xiàn)急劇升高，然后趨于平穩(wěn)且不同載荷下的伸長率-蠕變時(shí)間曲線是相似的。本次實(shí)驗(yàn)中蠕變分為2個(gè)階段[12]，繩帶的伸長源于彈性應(yīng)變與塑性變形，第1階段由于高分子聚合物之間的黏彈性剪切的作用，伸長率隨時(shí)間的增加快速增長，對應(yīng)高分子蠕變過程中的高彈形變，鏈段間發(fā)生相對滑移，導(dǎo)致繩帶的伸長；第2階段主要對應(yīng)塑性形變，分子間發(fā)生相對滑移，不隨時(shí)間的增加而快速增長，繩帶的損傷主要是這一階段產(chǎn)生的。

2.2 蠕變斷裂時(shí)間與方程擬合

為觀察蠕變斷裂時(shí)間與載荷之間的關(guān)系，計(jì)算芳綸繩帶在各載荷條件下的平均斷裂時(shí)間，并繪制載荷-蠕變斷裂時(shí)間曲線圖，如圖5所示。從圖5中可以觀察到，單層繩帶與單圈兩層繩帶的曲線就有相似性，從80%到90%，兩者的蠕變斷裂時(shí)間相差不大，在75%和70%條件下，蠕變斷裂時(shí)間有一定的差異，因此可以合理猜測在相同比例的載荷條件下，即使繩帶的層數(shù)存在差異，但是繩帶的蠕變行為具有相似性。

為進(jìn)一步分析繩帶不同層數(shù)的繩帶的蠕變性能，參考簡化后的K模型[13]，繪制單層與單圈兩層的載荷-時(shí)間自然對數(shù)曲線，并對曲線進(jìn)行擬合，如圖6所示。

對擬合結(jié)果進(jìn)行整理，得到單層與單圈兩層的模擬方程分別為式（3）和式（4）：

ln t = 33.65 - 0.33σ" " " " R2 = 0.95（3）

ln t = 32.45 - 0.31σ" " " " R2 = 0.92（4）

式中：σ為繩帶承受的拉力。從圖6中可以觀察出，擬合方程的斜率相近，而截距相差不大，根據(jù)上文對蠕變斷裂的分析可以推測，斜率與纖維自身性能相關(guān)，而截距與層數(shù)相關(guān)。與簡化后的K模型進(jìn)行對比可知，在高載荷狀態(tài)下，兩者取自然對數(shù)，更加符合實(shí)際情況。

2.3 沖擊性能

繩帶沖擊過程如圖7所示。

由圖7可以觀察到，繩帶在經(jīng)歷最大沖擊力之后還會繼續(xù)承受數(shù)次較小的沖擊力，同時(shí)沖擊力是逐漸衰弱的，這是因?yàn)樵跊_擊過程中存在空氣阻力，并且芳綸繩帶存在一定的彈性[14]。當(dāng)繩帶到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，一部分重力勢能被繩帶吸收，造成繩帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，但未完全破壞；另一部分重力勢能轉(zhuǎn)化為繩帶的彈性勢能被釋放出來，使得重物上升至一定的高度，從而對繩帶進(jìn)行第2次沖擊，如此反復(fù)，直至能量完全被繩帶消耗。

繩帶沖擊次數(shù)與重物質(zhì)量有直接關(guān)系，統(tǒng)計(jì)出在不同載荷下繩帶所能承受的最大沖擊次數(shù)，結(jié)果如表1所示。由表1可見，隨著載荷的增加沖擊次數(shù)逐漸減少，這與實(shí)際情況相符，為繩帶在實(shí)際中的使用提供理論基礎(chǔ)。

觀察表1，繩帶的沖擊次數(shù)與載荷之間存在函數(shù)關(guān)系，對此，繪制載荷與沖擊次數(shù)之間的曲線，并對曲線進(jìn)行擬合，如圖8所示。

對擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到單層與單圈兩層的擬合方程分別如式（5）和式（6）：

n = 71.4 - 0.74σ" " " " R2 = 0.98（5）

n = 75.6 - 0.78σ" " " " R2 = 0.99（6）

式中：n為沖擊次數(shù)。由圖8和式（5）、式（6）可以觀察到，單層與單圈兩層擬合直線的截距與斜率相差不大，同時(shí)擬合直線的R2均大于0.98，表明數(shù)據(jù)具有極大的可信度[15]。由此可見，在高載荷狀態(tài)下，繩帶的沖擊次數(shù)與載荷成正比，繩帶的層數(shù)對其影響不大。

2.4 蠕變與沖擊的關(guān)系

從上述實(shí)驗(yàn)中，得到了不同層數(shù)下繩帶的蠕變斷裂時(shí)間與載荷的擬合方程以及沖擊次數(shù)與載荷的擬合方程，觀察2組方程可以發(fā)現(xiàn)，繩帶在相同層數(shù)并且施加載荷比例一致的條件下，沖擊擬合方程的截距與斜率均接近蠕變斷裂時(shí)間擬合方程的2倍，對此，以樣品承受的載荷為連接點(diǎn)，得到蠕變斷裂時(shí)間對數(shù)與沖擊次數(shù)的方程。對2組方程進(jìn)行分析得到?jīng)_擊次數(shù)與蠕變斷裂時(shí)間之間的擬合方程：

單層：

ln t = 0.45n - 1.81（7）

單圈兩層：

ln t = 0.40n - 2.60（8）

通過以上2組方程，進(jìn)而推測蠕變斷裂時(shí)間對數(shù)與沖擊次數(shù)之前的通式為：

ln t = An - B（9）

式中：A和B為材料常數(shù)。在高載荷的條件下，通過沖擊次數(shù)可以預(yù)測芳綸繩帶的蠕變斷裂時(shí)間，接著對蠕變斷裂以及沖擊斷裂后的繩帶進(jìn)行結(jié)構(gòu)的測試，從而判斷兩者對繩帶的破壞狀態(tài)。

2.5 繩帶結(jié)構(gòu)與性能分析

使用電子顯微鏡觀察通過蠕變斷裂以及沖擊斷裂的芳綸減速傘繩，如圖9所示。由圖9觀察到兩者結(jié)構(gòu)上的微觀變化，蠕變斷裂與沖擊斷裂后纖維被拉伸，明顯在端口處出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象，并且纖維的伸長量也不盡相同，形態(tài)不再規(guī)整，斷口處截面不規(guī)則，纖維出現(xiàn)四處發(fā)散趨勢。這說明不同方式產(chǎn)生的拉力對于芳綸帶纖維的斷裂形貌有著極大的影響[16-17]。

為了進(jìn)一步了解繩帶微觀結(jié)構(gòu)的變化，使用聲速取向法測量蠕變斷裂以及沖擊斷裂后的芳綸減速傘繩，測試減速傘繩的取向度變化[18]，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以觀察到纖維原樣的取向度為0.86，而經(jīng)不同載荷（斷裂強(qiáng)力分別為70%、75%、80%、85%及90%）條件下蠕變斷裂后的芳綸減速傘繩纖維樣品取向度普遍高于未進(jìn)行拉伸蠕變的芳綸減速傘繩原絲，同時(shí)經(jīng)蠕變拉伸后，樣品取向度趨于一個(gè)固定值為0.95，單層與單圈兩層的取向度相差不大，說明當(dāng)繩帶發(fā)生斷裂時(shí)，取向度具有統(tǒng)一性[19]。而沖擊斷裂后的芳綸減速傘繩與蠕變傘繩類似，傘繩在經(jīng)歷沖擊后，取向度與原樣相比，由原來的0.86提升到0.98，均有較大的提升，說明繩帶短時(shí)間的沖擊與長時(shí)間的蠕變拉伸都使得傘繩在縱向的排列更加緊密，兩者的作用效果相似。

長時(shí)間拉伸后的蠕變會造成纖維結(jié)晶度的變化，為確定纖維的結(jié)晶度的變化，對不同條件下斷裂的繩帶進(jìn)行XRD的測試，結(jié)果如圖11所示。對各組進(jìn)行分峰擬合，其中芳綸繩帶原樣的結(jié)晶度為66.43%，其他條件下的結(jié)晶度如表2所示。

由圖11和表2不難觀察到，與原樣相比，蠕變斷裂與沖擊斷裂后繩帶的結(jié)晶度都得到提升，結(jié)晶度均在80%，經(jīng)2種方式斷裂后繩帶的結(jié)晶度相差不大，表明經(jīng)過兩者造成的損傷是相似的，這與取向度的結(jié)果相對應(yīng)。由圖10和圖11可知，經(jīng)過蠕變過程或者沖擊過程的芳綸繩帶內(nèi)部的結(jié)晶度和取向度都比原繩帶要高。繩帶在經(jīng)歷蠕變拉伸或者瞬時(shí)沖擊時(shí)，受到縱向的拉力，導(dǎo)致該方向上的高分子鏈段進(jìn)一步排列，在高取向度的狀態(tài)下，折疊鏈結(jié)晶變?yōu)榇ЫY(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得繩帶的結(jié)晶度也得到提升[20]。繩帶在沖擊時(shí)受到的瞬間沖擊力與蠕變時(shí)受到的恒定拉力，兩者作用形式雖然有所差異，但對繩帶的損傷是相似的。

3 結(jié) 論

（1） 對繩帶數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，分別得到載荷-蠕變斷裂時(shí)間對數(shù)的擬合方程以及載荷-沖擊次數(shù)的擬合方程，其中單層和單圈兩層繩帶的蠕變擬合方程分別為ln t = 33.65 - 0.33σ與ln t = 32.45 - 0.31σ，沖擊次數(shù)的擬合方程分別是n = 71.4 - 0.74σ與n = 75.6 -0.78σ，用以預(yù)測繩帶在高載荷狀態(tài)下的使用壽命以及繩帶在高強(qiáng)度沖擊下的使用次數(shù)。

（2） 將2組擬合方程進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)沖擊擬合方程的截距與斜率和蠕變擬合方程呈2倍的關(guān)系，以載荷為節(jié)點(diǎn)，得到蠕變斷裂時(shí)間對數(shù)與沖擊次數(shù)的關(guān)系式ln t = An - B，對此可以使用沖擊次數(shù)來預(yù)測在高載荷狀態(tài)下繩帶的蠕變使用壽命。

（3） 芳綸繩帶在經(jīng)歷蠕變拉伸和瞬時(shí)沖擊后，結(jié)晶度與取向度的變化相似，相同載荷下蠕變和沖擊對繩帶的損傷效果相同。

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本文引文格式：

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收稿日期： 2022-12-02

基金項(xiàng)目： 航空科學(xué)基金項(xiàng)目（201929010003）

通信作者： 宋" " 俊（1978—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境纖維材料和功能纖維材料。 E-mail：sjhb2000@163.com