李斌(北太京,邢航麗空英材料,周研正究剛院,蔣,北詩(shī)京才1 ,陳00祥09寶5)

高性能蒙皮材料力學(xué)性能研究

李斌(北太京,邢航麗空英材料,周研正究剛院,蔣,北詩(shī)京才1 ,陳00祥09寶5)

研究了不同高性能纖維織物的結(jié)構(gòu)形式與力學(xué)性能的關(guān)系,幾種纖維織物中,聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維制備的增強(qiáng)織物具有較高的拉伸性能。利用高性能纖維織物制備了蒙皮材料,對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明:蒙皮材料拉伸斷裂強(qiáng)力主要取決于采用的纖維種類(lèi)和增強(qiáng)織物結(jié)構(gòu),而蒙皮材料的撕破強(qiáng)力除了與使用的纖維有關(guān),還與纖維紗線細(xì)度有關(guān),纖維紗線細(xì)度越大,制備的蒙皮材料撕破強(qiáng)力越高。

蒙皮材料;高性能纖維織物;斷裂強(qiáng)力;撕破強(qiáng)力

臨近空間低速飛行器由于在軍事偵察、空間預(yù)警、通信中繼和空間探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),近些年來(lái)日益受到人們的關(guān)注[1,2]。蒙皮材料作為飛艇的主體結(jié)構(gòu)材料,其性能的高低直接影響飛艇的應(yīng)用效能,如浮空高度、持續(xù)飛行時(shí)間、有效載荷、服役壽命等[3]。

對(duì)于工作在平流層以氦氣為浮升氣體的飛艇,要求采用的蒙皮材料具有較低的面密度,優(yōu)異的氦氣阻隔性能及耐環(huán)境性能。由于其在服役過(guò)程中蒙皮內(nèi)外存在壓差,因此蒙皮材料必須具有足夠的力學(xué)性能,如美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的飛艇設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[4]中,關(guān)于蒙皮材料方面的要求包括:(1)可以充壓形成超壓結(jié)構(gòu);(2)蒙皮強(qiáng)度不低于限制載荷的4倍;(3)蒙皮在承受限制載荷時(shí)撕裂不擴(kuò)展。日本國(guó)家航天實(shí)驗(yàn)室在給平流層氦氣飛艇項(xiàng)目設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)中,斷裂強(qiáng)力為1000N· cm-1,面密度為180g·cm-2,透氦率不大于2L· (m2·d·0.1M Pa)-1[5]。由于任何單一材料均無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足這些要求,現(xiàn)代的蒙皮材料均采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu),一般包括承載層、阻隔層、耐環(huán)境和氣候?qū)右约案鞴δ軐又g的膠黏劑。

在高性能蒙皮材料中,承載單元層一般使用具有較高比強(qiáng)度的高性能纖維織物。目前,對(duì)飛艇更高的設(shè)計(jì)要求也對(duì)蒙皮材料的性能提出了新的要求,如Lindstrand HALE飛艇的體積為18000m3,使用的蒙皮材料面密度為295g·cm-2,斷裂強(qiáng)力為1460N· cm-1,而若制備體積達(dá)20000～40000m3的200米級(jí)平流層飛艇,要求蒙皮材料在面密度不超過(guò)210g· cm-2的情況下,斷裂強(qiáng)力達(dá)到1460N·cm-1[6]。近些年來(lái),各種高性能纖維的發(fā)展為制備高性能蒙皮材料提供了很大幫助,美國(guó)、日本和歐洲等西方國(guó)家均對(duì)高性能纖維在蒙皮材料中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究,制備的蒙皮材料性能大幅度提高[7,8]。本工作根據(jù)蒙皮材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,制備了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維等具有高比強(qiáng)度的高性能纖維織物,考察了其結(jié)構(gòu)形式與力學(xué)性能之間的關(guān)系,設(shè)計(jì)制備了多層結(jié)構(gòu)復(fù)合蒙皮材料,并對(duì)蒙皮材料的力學(xué)性能與行為進(jìn)行了研究與分析。

1 蒙皮材料的制備與實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

蒙皮材料增強(qiáng)織物使用的纖維包括:芳綸纖維,牌號(hào)Kevlar 29,紗線細(xì)度111tex,杜邦公司生產(chǎn);超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維,紗線細(xì)度為23tex和156tex,分別由北京同益中特種纖維技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司和北京特斯頓新材料技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn);聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維,紗線細(xì)度110tex,日本東洋紡公司生產(chǎn)。幾種纖維的具體性能指標(biāo)如表1所示。氣體阻隔層和耐環(huán)境功能層分別選用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氟乙烯(PVF)薄膜。蒙皮材料各功能層之間復(fù)合采用的聚氨酯膠黏劑由北京澤泰科技有限責(zé)任公司提供。

表1 不同高性能纖維的性能___Table 1 Properties of different high performance fibers

1.2 織物與蒙皮材料制備

根據(jù)各種纖維紗線的細(xì)度,計(jì)算出相應(yīng)面密度織物所需的織物密度,然后將各種纖維編織成不同面密度和平紋、斜紋類(lèi)型的織物,用以研究各種纖維織物的力學(xué)性能。按照特定設(shè)計(jì)要求利用聚氨酯膠黏劑將纖維織物與PET和PVF薄膜復(fù)合在一起,即得到實(shí)驗(yàn)用蒙皮材料樣品。

1.3 性能測(cè)試

斷裂強(qiáng)力的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定條樣法》;撕裂性能的測(cè)試依據(jù)GB/T 3917.3《紡織品織物撕破性能第3部分:梯形試樣撕破強(qiáng)力的測(cè)定》。

2 結(jié)果與分析

2.1 高性能纖維織物力學(xué)性能

高性能蒙皮材料的制備過(guò)程需要考慮織物在蒙皮材料制備過(guò)程中的工藝特性,在織物編織過(guò)程為了便于工藝操作,對(duì)紗線進(jìn)行了加捻處理。適度加捻有利于織物編織操作,且在拉伸過(guò)程中能夠增加紗線內(nèi)部摩擦力,提高紗線斷裂均勻性,但捻度增加后紗線直徑減小,導(dǎo)致織物穩(wěn)定性降低,而且與PET薄膜復(fù)合的效果也會(huì)受影響。加捻對(duì)細(xì)度為110tex的PBO紗線拉伸性能的影響如表2所示,可以看出,當(dāng)紗線的捻度分別為30,60,90捻回/米時(shí),紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率差別較小。綜合考慮,在編織織物時(shí)纖維紗線的捻度均采用30捻回/米。

表2 加捻PBO紗線的拉伸性能______Table 2__Tensile p roperties of tw isted PB___________ Oyarns

將PBO,Kevlar29和UHMWPE纖維編織成具有不同面密度和平紋、斜紋組織的織物,分別測(cè)試其拉伸斷裂強(qiáng)力,測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出,在面密度相同而織物類(lèi)型分別為平紋和斜紋組織時(shí),二者的斷裂強(qiáng)力非常接近,這是由于總體上織物編織密度較低,因纖維紗線的屈曲、摩擦和經(jīng)緯向耦合作用導(dǎo)致的織物性能差異較小。然而在采用不同的織物組織形式時(shí),織物的穩(wěn)定性有明顯區(qū)別,斜紋織物容易發(fā)生變形,穩(wěn)定性不如平紋織物,這將影響到織物在制備蒙皮材料時(shí)的工藝特性。

實(shí)驗(yàn)采用的幾種高性能纖維中,PBO為直鏈芳雜環(huán)高分子,被認(rèn)為具有接近高分子極限的強(qiáng)度和模量,拉伸強(qiáng)度最高,UHMWPE的拉伸強(qiáng)度次之,Kevlar29的拉伸強(qiáng)度相對(duì)較小。與纖維的拉伸強(qiáng)度相對(duì)應(yīng),在同樣的面密度時(shí),PBO織物的斷裂強(qiáng)力較高,U HM 2 W PE織物的斷裂強(qiáng)力低于PBO織物,Kevlar織物在三種織物中的斷裂強(qiáng)力最低,其中小絲束U HMW PE織物由于編織織物的均勻性好,其斷裂強(qiáng)力略高于大絲束UHMWPE織物,但是小絲束織物的材料和編織成本都較高。各種織物中,PBO織物具有最高的承載效率,因此有助于降低蒙皮材料的面密度,也增加了在蒙皮材料設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整的余地。

2.2 高性能蒙皮材料結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系

2.2.1 拉伸性能測(cè)試

圖1 不同結(jié)構(gòu)形式高性能纖維織物的斷裂強(qiáng)力與面密度的關(guān)系Fig.1 Breaking strength of high performance fabrics with different structural characteristics vs weight

綜合考慮高性能蒙皮材料的各項(xiàng)性能要求和面密度的限制,對(duì)蒙皮材料各功能層進(jìn)行設(shè)計(jì),如表3所示,蒙皮材料面密度為178g·cm-2。按照表3所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備了多層復(fù)合結(jié)構(gòu)蒙皮材料,對(duì)其拉伸性能進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)參照蒙皮材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試了PV F/ PET復(fù)合薄膜的拉伸性能,結(jié)果如表4所示,由表4可以看出,蒙皮材料緯向(Fill)的斷裂強(qiáng)力低于經(jīng)向(Warp)的斷裂強(qiáng)力,同時(shí)緯向的斷裂伸長(zhǎng)率略高于經(jīng)向,另外,與PBO纖維織物及其制備的蒙皮材料相比, PVF/PET復(fù)合薄膜的拉伸性能較低,拉伸斷裂強(qiáng)力僅為87.2N·cm-1,且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)其伸長(zhǎng)率達(dá)到蒙皮材料的斷裂伸長(zhǎng)率4%時(shí),強(qiáng)力載荷僅為40N· cm-1,對(duì)蒙皮材料斷裂強(qiáng)力的貢獻(xiàn)非常小,因此,蒙皮材料的斷裂強(qiáng)力主要來(lái)自于織物增強(qiáng)體的貢獻(xiàn)。

表3 蒙皮材料各功能層及其面密度Table 3 The function components and weight of envelopematerial

表4 蒙皮材料和PVF/PET復(fù)合薄膜拉伸性能Table 4 Tensile p ropertiesof envelope material and PVF/PET laminated film______________

為了考察蒙皮材料制備過(guò)程對(duì)力學(xué)性能的影響,對(duì)其從PBO紗線編織成平紋織物到與薄膜復(fù)合得到蒙皮材料的制備過(guò)程中表觀拉伸性能的變化進(jìn)行了分析。按照PBO織物的面密度計(jì)算,假定織物中每一根紗線的強(qiáng)力都完全轉(zhuǎn)化為織物的強(qiáng)力,然后將其與蒙皮材料實(shí)際測(cè)試的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行比較,結(jié)果如圖2所示,由圖2可以看到,蒙皮材料的經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力與紗線相比出現(xiàn)了不同程度的降低,經(jīng)向強(qiáng)力保留87.7%,緯向強(qiáng)力保留77.8%,同時(shí)兩個(gè)方向的斷裂伸長(zhǎng)率都比紗線要高。

圖2 PBO紗線與蒙皮材料的拉伸性能 (a)斷裂強(qiáng)力;(b)斷裂伸長(zhǎng)率Fig.2 Tensile properties of PBO yarn and envelopematerial (a)breaking strength;(b)elongation

蒙皮材料的載荷2位移曲線如圖3所示,可以看到,在緯向斷裂強(qiáng)力的測(cè)試中,曲線從最高點(diǎn)下降后又出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)折,說(shuō)明緯向織物斷裂破壞時(shí)紗線不同時(shí)斷裂,最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斷裂強(qiáng)力測(cè)試值較低;而經(jīng)向的載荷2位移曲線從最高點(diǎn)下降后應(yīng)力直線下降,曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斷裂強(qiáng)力測(cè)試值較高,說(shuō)明在經(jīng)向斷裂強(qiáng)力的測(cè)試中,紗線基本同時(shí)斷裂。分析認(rèn)為,經(jīng)過(guò)紗線編織和織物與薄膜復(fù)合等工藝后,蒙皮材料中不同的紗線準(zhǔn)直度不盡相同,使得測(cè)試時(shí)紗線不同時(shí)斷裂,導(dǎo)致蒙皮材料與紗線相比斷裂強(qiáng)力降低,伸長(zhǎng)率增加,而工藝過(guò)程中由于緯向紗線的伸展程度不如經(jīng)向紗線,導(dǎo)致緯向性能降低更多。因此蒙皮材料制備過(guò)程中需要控制工藝條件,提高其結(jié)構(gòu)均勻性,使不同的經(jīng)、緯紗的張力盡可能一致,才有利于獲得較高的斷裂強(qiáng)力。

2.2.2 撕裂性能

圖3 蒙皮材料載荷2位移曲線Fig.3 Load2displacement curve of envelopematerial

撕裂破壞是飛艇蒙皮的一個(gè)主要破壞方式,蒙皮材料的抗撕裂和撕裂擴(kuò)展性能代表了蒙皮材料損傷后抑制損傷繼續(xù)擴(kuò)展的能力,亦即蒙皮材料的損傷容限,研究中為了考察不同織物結(jié)構(gòu)形式對(duì)蒙皮材料撕破強(qiáng)力的影響,分別選擇PBO纖維和不同細(xì)度U HMW PE纖維編織成具有相同面密度的平紋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)織物,然后與同樣的PET和PVF薄膜復(fù)合為蒙皮材料,測(cè)試其梯形試樣撕破強(qiáng)力,結(jié)果如表5所示。

表5 蒙皮材料的撕破強(qiáng)力Table 5__Tearing strength of envelope material

由表5可知,不同織物的撕破強(qiáng)力呈現(xiàn)出與蒙皮材料的拉伸性能不同的規(guī)律。這是由于撕破行為與織物的拉伸斷裂行為有密切關(guān)系,但又具有明顯不同的特征,拉伸斷裂時(shí)織物中同一方向的紗線基本上同時(shí)受力,在較短時(shí)間內(nèi)受力方向上全部或大部分紗線斷裂,而撕裂破壞時(shí)首先是最靠近裂口的一根紗線受力,與此同時(shí),由于織物的變形和滑動(dòng),裂口根部的紗線逐漸靠攏,形成一個(gè)受力三角形,三角形中第一根紗線受到最大的拉力,當(dāng)紗線的細(xì)度較大時(shí),第一根紗線所能承受的拉力也較大,所以撕破強(qiáng)力與使用的紗線細(xì)度具有較大的關(guān)系,在受力三角形中的第一根紗線受力的同時(shí),其他紗線也共同受力,直至第一根紗線斷裂,然后這種破壞方式不斷重復(fù),織物發(fā)生撕破,因此織物的撕破強(qiáng)力要大于單根紗線的斷裂強(qiáng)力,其值大小取決于受力三角形內(nèi)的紗線數(shù)量和紗線的斷裂伸長(zhǎng)率,紗線的斷裂伸長(zhǎng)率越大,三角形內(nèi)同時(shí)受力的紗線根數(shù)越多,撕破強(qiáng)力也就越大[9]。撕裂過(guò)程中增強(qiáng)材料的這種破壞機(jī)制,導(dǎo)致制備的蒙皮材料撕破強(qiáng)力相應(yīng)出現(xiàn)了較大的差異,E21#,E22#,E23#蒙皮材料使用的原材料分別為110tex的PBO紗線,23tex的U HM 2 WPE紗線,156tex的UHMWPE紗線,通過(guò)計(jì)算可求得單紗斷裂強(qiáng)力理論值分別為407,73.6,499N,所以E21#蒙皮材料的撕破強(qiáng)力大于E22#蒙皮材料,但小于E23#蒙皮材料。

以上測(cè)試結(jié)果說(shuō)明,與蒙皮材料的拉伸斷裂性能相比,撕破強(qiáng)力與紗線本身的拉伸斷裂性能關(guān)系更大。圖4為蒙皮材料撕破強(qiáng)力與采用的纖維紗線斷裂強(qiáng)力的比較結(jié)果,可以看到,相同面密度時(shí),當(dāng)PBO和UHMWPE的紗線細(xì)度分別為110tex和156tex時(shí),蒙皮材料的撕破強(qiáng)力分別為單束紗線斷裂強(qiáng)力的1.4倍和1.2倍,當(dāng)U HMWPE的紗線細(xì)度為23tex時(shí),蒙皮材料的撕破強(qiáng)力為單束紗線斷裂強(qiáng)力的4.1倍,可見(jiàn)紗線細(xì)度降低時(shí),由于同時(shí)受力紗線的數(shù)量增加,蒙皮材料的撕破強(qiáng)力與單紗斷裂強(qiáng)力相比增加的比例提高,但與紗線細(xì)度較大的織物相比,其撕破強(qiáng)力仍較低,因此,采用細(xì)度較大的增強(qiáng)織物有利于提高蒙皮材料的撕破強(qiáng)力。

圖4 蒙皮材料撕破強(qiáng)力與紗線斷裂強(qiáng)力的比較Fig.4 Comparison between tearing strength of envelopematerials and breaking strength of yarns

3 結(jié)論

(1)在幾種不同的高性能纖維織物中,PBO纖維制備的增強(qiáng)織物具有較高的拉伸斷裂性能,有利于提高蒙皮材料的斷裂強(qiáng)力,降低蒙皮材料的面密度。

(2)蒙皮材料拉伸斷裂性能主要來(lái)自增強(qiáng)纖維織物的貢獻(xiàn),主要取決于纖維種類(lèi)和織物結(jié)構(gòu)。制備蒙皮材料時(shí)保持增強(qiáng)織物中經(jīng)、緯紗具有均勻的張力有助于提高其拉伸斷裂性能。

(3)蒙皮材料的撕破強(qiáng)力除了與采用的纖維種類(lèi)有關(guān)外,還與織物紗線的細(xì)度有較大關(guān)系,采用細(xì)度較大的增強(qiáng)織物有利于提高蒙皮材料的撕破強(qiáng)力。

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Study on M echanical Properties of High Perfo rmance Envelope M aterials

L IBin2tai,XING Li2ying,ZHOU Zheng2gang,
JIANG Shi2cai,CHEN Xiang2bao (Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The relationship between the weaves and themechanical p ropertiesof several high perfo rm2 ance fabrics,including PBO(p2phenylene benzobisoxazole)fabrics,w as investigated.Among them the fabricsmade f rom PBO fiber show ed better tensile p roperties.Laminated envelopematerials,p ro2 duced by bonding fabrics together w ith other function componentswere tested mechanically.For lami2 nated envelopematerial,breaking strength ismainly dependent on the fibersmaking them up and the structural characteristicsof the fabric.Besides the fibers being used,tearing strength relates strongly to the linear density of the yarns.Higher linear density of the yarns would be useful to increase the tearing strength.

envelope material;high performance fabric;breaking strength;tearing strength

V 254.11

A

100124381(2010)1220001204

2009212225;

2010208214

李斌太(1974—),男,博士研究生,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事復(fù)合材料研究,聯(lián)系地址:北京市81信箱12分箱(100095),E2mail:bintaili @sohu.com