張榮

（航宇救生裝備有限公司湖北襄陽441003）

0 引言

特紡材料是一種技術(shù)性能要求高，使用環(huán)境比較復(fù)雜，具有特殊用途的紡織品。由于航空救生領(lǐng)域裝備產(chǎn)品的主體是柔性紡織材料，復(fù)雜的工作條件和特定環(huán)境對(duì)其制成的紡織材料性能和品質(zhì)有著特殊的要求。對(duì)材料的強(qiáng)烈依賴性使得高性能救生裝備對(duì)特種紡織材料提出了更高的要求。因此，任何一次航空救生裝備技術(shù)的重大突破都離不開新材料的應(yīng)用。

耐高溫性能是航空救生領(lǐng)域裝備產(chǎn)品戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)中必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容。個(gè)體防護(hù)救生裝備、軍用傘及空投空降裝備產(chǎn)品使用的特紡材料品種和類別較多，大部分材料對(duì)高溫條件非常敏感，主要是因?yàn)橥饨绻ぷ鳝h(huán)境溫度升高，導(dǎo)致特紡材料的分子活化能增加，材料老化加劇。由于我國(guó)幅員遼闊、海岸線長(zhǎng)，自然條件較為復(fù)雜，部分軍用傘及空投空降裝備產(chǎn)品在這種復(fù)雜的條件下長(zhǎng)期在高溫條件下使用和存放，必定使得其主體特紡材料的特性發(fā)生變化，直接影響產(chǎn)品的技術(shù)性能和使用壽命，因而有必要對(duì)高溫環(huán)境下特紡材料的特性變化進(jìn)行研究，便于后期相應(yīng)產(chǎn)品的研制和使用。

本文在綜合考慮航空救生裝備在高溫環(huán)境下貯存和工作條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)具體要求條款，以飛行員個(gè)體防護(hù)救生裝備、軍用空降空投降落傘和海上救生船等裝備對(duì)于主體特紡材料的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為研究方向，對(duì)主體特紡材料在高溫環(huán)境下拉伸性能的試驗(yàn)進(jìn)行研究。本次研究的內(nèi)容主要包括試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造、試驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化的研究，目的是為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試驗(yàn)和產(chǎn)品故障分析提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 研究背景

1.1.1 產(chǎn)品考核的標(biāo)準(zhǔn)

GJB 150.3A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第3部分高溫試驗(yàn)》是所有軍用裝備產(chǎn)品高溫環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)指標(biāo)制定和鑒定試驗(yàn)的依據(jù)，對(duì)裝備產(chǎn)品的高溫試驗(yàn)要求作出了詳細(xì)的規(guī)定。

1.1.1.1 高溫貯存

先將試驗(yàn)所用試件按規(guī)定要求暴露于裝備貯存狀態(tài)可能遇到的高溫條件下，然后在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下測(cè)試其相關(guān)性能。

1.1.1.2 高溫工作

為了考察裝備工作時(shí)高溫環(huán)境對(duì)其性能的影響，可通過以下兩種途徑實(shí)施：①將試件暴露于試驗(yàn)箱溫度循環(huán)的條件下，使試件連續(xù)工作，或者在溫度最高（試件達(dá)到最高溫度）期間工作；②將試件暴露于恒定高溫條件下，當(dāng)試件溫度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行工作。

1.1.2 高溫對(duì)材料產(chǎn)生的影響

特紡材料對(duì)于高溫環(huán)境非常敏感，而裝備產(chǎn)品使用環(huán)境也很復(fù)雜，一旦在高溫下貯存或工作，主體特紡材料受環(huán)境的影響會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)激變化。鑒于熱量是導(dǎo)致特種紡織材料老化的主要因素，且隨著溫度的上升，老化程度加劇，這可能是因?yàn)椋簻囟壬仙螅肿拥幕罨茉黾?，氧化速度加快；纖維受高溫環(huán)境的影響，外觀表面容易發(fā)生變色；高溫容易導(dǎo)致涂層織物的涂覆層表面出現(xiàn)發(fā)黏、裂解現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生龜裂紋。

1.2 高溫環(huán)境拉伸性能試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)原理

將高溫環(huán)境試驗(yàn)箱設(shè)置在拉力試驗(yàn)機(jī)的工作區(qū)域，在高溫環(huán)境下進(jìn)行以下3種情況的試樣拉伸試驗(yàn)：①即時(shí)拉伸至材料斷裂；②施加規(guī)定載荷后持續(xù)拉伸至材料斷裂；③施加規(guī)定載荷，經(jīng)規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間后測(cè)得材料的應(yīng)力—應(yīng)變情況。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)和制造

隨著我國(guó)航空技術(shù)飛躍的發(fā)展及航空領(lǐng)域裝備使用環(huán)境的特殊性，對(duì)航空救生裝備使用性能和可靠性能的要求也越來越高。因此，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中需要試驗(yàn)和檢測(cè)儀器設(shè)備能模擬真實(shí)的使用環(huán)境。由于高溫環(huán)境是導(dǎo)致特紡材料物理特性變化的主要因素，因此，研究和檢測(cè)高溫環(huán)境下特紡材料物理特性的變化，是保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性不可缺少的環(huán)節(jié)。根據(jù)航空救生裝備產(chǎn)品在高溫環(huán)境下持續(xù)工作的實(shí)際狀況，需要對(duì)材料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)試，而目前尚無用于特定環(huán)境下持續(xù)拉伸的試驗(yàn)儀器，因而需要針對(duì)上述要求專門設(shè)計(jì)。

1.2.2.1 單元組成

高溫拉力試驗(yàn)機(jī)功能組成主要包括溫度控制單元、負(fù)荷加載單元和軟件分析單元。

1.2.2.2 特點(diǎn)

根據(jù)使用需求，整合材料試驗(yàn)機(jī)和高低溫濕熱試驗(yàn)箱功能，設(shè)計(jì)出高溫環(huán)境下特紡材料應(yīng)力—應(yīng)變特性試驗(yàn)系統(tǒng)。該儀器可以模擬特紡材料在高溫環(huán)境下檢測(cè)試樣的物理特性及變化的過程，也可獨(dú)立運(yùn)行。因此，既可以單獨(dú)用于特紡材料進(jìn)行高溫貯存試驗(yàn)，材料試驗(yàn)機(jī)用于特紡材料的斷裂、拉伸、壓縮、定伸長(zhǎng)、定負(fù)荷、蠕變等項(xiàng)目的測(cè)試，也可以組合運(yùn)行，即在高溫環(huán)境下進(jìn)行拉伸性能的測(cè)試。

1.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

1.2.3.1 溫度控制系統(tǒng)

溫度可控制在室溫至150℃,溫度均勻度為±2.0℃，連續(xù)工作時(shí)間在48～1 200 h。

1.2.3.2 負(fù)荷加載系統(tǒng)

可進(jìn)行斷裂點(diǎn)、斷脫點(diǎn)、屈服點(diǎn)、初始模量、彈性塑性變形等數(shù)據(jù)的分析；交流伺服驅(qū)動(dòng)，速度可控制在0.000 1～1 000 mm/min，數(shù)字設(shè)定，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無速度過沖、不勻的現(xiàn)象；進(jìn)口傳感器，測(cè)力精度高于0.02%（F·S）（F·S是指力×?xí)r間）；采樣頻率高達(dá)1 500次/s；連續(xù)工作時(shí)間≥200 h。

1.2.3.3 軟件分析系統(tǒng)

將溫濕度控制系統(tǒng)及材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)操作合二為一；測(cè)試界面顯示兩大系統(tǒng)的常用數(shù)據(jù)及曲線，方便進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析，自動(dòng)顯示材料所需的屈服點(diǎn)、塑性形變、初始模量等研究所需的數(shù)據(jù)；軟件分析系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出不同格式文檔，方便數(shù)據(jù)傳輸以進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1.3 實(shí)施方案

1.3.1 確定試驗(yàn)溫度條件

按照試樣原材料耐溫性能的不同和具體使用環(huán)境，推薦采用以下高溫試驗(yàn)條件：①錦綸6類材料的即時(shí)拉伸試驗(yàn)溫度70℃，持續(xù)拉伸試驗(yàn)溫度≤50℃；錦綸66類材料的即時(shí)拉伸試驗(yàn)溫度≤90℃，持續(xù)拉伸試驗(yàn)溫度≤70℃；滌綸類材料的即時(shí)拉伸試驗(yàn)溫度≤110℃，持續(xù)拉伸試驗(yàn)溫度≤90℃；芳綸類（包括芳綸1313、芳綸1414、雜環(huán)芳綸等）材料的即時(shí)拉伸試驗(yàn)溫度≤130℃，持續(xù)拉伸試驗(yàn)溫度≤100℃；超高分子質(zhì)量聚乙烯材料即時(shí)拉伸試驗(yàn)溫度≤60℃，持續(xù)拉伸試驗(yàn)溫度≤40℃；芳族聚酯類材料的即時(shí)拉伸試驗(yàn)溫度≤140℃，持續(xù)拉伸試驗(yàn)溫度≤110℃；接縫剪切強(qiáng)度的拉伸試驗(yàn)溫度≤70℃；剪切強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度的拉伸試驗(yàn)溫度≤80℃。

需要注意，對(duì)于溫度敏感的纖維，長(zhǎng)期暴露在干熱空氣環(huán)境中（如持續(xù)拉伸試驗(yàn)中）會(huì)引起材料的熱收縮，在試驗(yàn)過程中應(yīng)注意觀察其特征變化情況，并予以記錄。

1.3.2 試驗(yàn)方式選擇

根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)文件及客戶需求，主要選擇即時(shí)拉伸至斷裂、施加規(guī)定載荷后持續(xù)拉伸至斷裂以及施加規(guī)定載荷和試驗(yàn)時(shí)間的應(yīng)力—應(yīng)變等3種高溫拉伸方式。

1.3.3 試驗(yàn)前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

鑒于特種紡織材料在高溫環(huán)境條件下的拉伸與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果的不同，建議在高溫拉伸試驗(yàn)前，對(duì)原樣在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得原樣的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率。

1.4 試驗(yàn)步驟

1.4.1 即時(shí)拉伸試驗(yàn)

進(jìn)行即時(shí)拉伸試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先啟動(dòng)強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)開始拉伸試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過程中注意觀察試樣的情況；試驗(yàn)結(jié)束后，記錄試樣的斷裂強(qiáng)力值和斷裂伸長(zhǎng)率值。在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)伸長(zhǎng)率（指達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)要求的斷裂強(qiáng)力值對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率）時(shí)，需要記錄達(dá)到試樣標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)力值時(shí)的伸長(zhǎng)量。

1.4.2 持續(xù)拉伸試驗(yàn)

進(jìn)行持續(xù)拉伸試驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)開始拉伸試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過程中注意觀察試樣的夾持情況，若出現(xiàn)試樣打滑和其他異常情況時(shí)立即停止試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)束后，記錄試樣的斷裂（或拉伸）強(qiáng)力值、拉伸（包括斷裂和未斷裂）伸長(zhǎng)率值和試樣斷裂時(shí)間。

1.5 參試材料

本試驗(yàn)以飛行員個(gè)體防護(hù)救生裝備、降落傘產(chǎn)品以及其他領(lǐng)域產(chǎn)品使用為主，品種上兼顧原材料種類（如錦綸、滌綸、芳綸等）、結(jié)構(gòu)（如功能整理、涂層等），盡量以點(diǎn)帶面；試驗(yàn)條件的參數(shù)設(shè)置模擬裝備產(chǎn)品的任務(wù)環(huán)境要求。在實(shí)施過程中可根據(jù)不同材料對(duì)于高溫的反應(yīng)程度及時(shí)調(diào)整材料品種。試驗(yàn)選擇對(duì)芳綸涂覆織物和聚氨酯膠布高溫環(huán)境即時(shí)拉伸及對(duì)滌綸絲套帶高溫定負(fù)荷拉伸所得數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2 結(jié)果及討論

2.1 高溫環(huán)境即時(shí)拉伸

針對(duì)不同材料對(duì)于溫度的敏感性，結(jié)合產(chǎn)品使用的工況條件，對(duì)產(chǎn)品的主體材料進(jìn)行高溫環(huán)境下的拉伸試驗(yàn)，并與在溫度為（20±3）℃、相對(duì)濕度為（65±5）%的標(biāo)準(zhǔn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)對(duì)芳綸涂覆織物和FL-131聚氨酯膠布兩種涂覆織物在不同溫度條件下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果分別見表1和表2。其中，每種試樣在不同的溫度條件下測(cè)試3組平行數(shù)據(jù)，然后取平均值。

表1 不同溫度下芳綸涂覆織物拉伸測(cè)試結(jié)果

表2 FL-131不同溫度下聚氨酯膠布拉伸測(cè)試結(jié)果

由表1和表2可知：在低溫（23℃）條件下，芳綸涂覆織物和聚氨酯膠布的接縫剪切強(qiáng)度分別為1 234和550 N，是高溫（70℃）條件下所測(cè)芳綸涂覆織物和聚氨酯膠布的接縫剪切強(qiáng)度（分別為696和229 N）的2倍多，這說明溫度對(duì)試樣的性能影響較大，且溫度越高，特紡材料老化越嚴(yán)重，材料強(qiáng)度越低。

2.2 高溫定負(fù)荷持續(xù)拉伸

由于特紡材料在高溫條件下其內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)、結(jié)晶、熔融過程、熱氧化過程、熱降解過程等均會(huì)發(fā)生變化，因而可通過采用DSC（差示掃描量熱分析儀）、DMA（動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能分析儀）、TG（熱重分析儀）等手段進(jìn)行分析研究。受限于已知試驗(yàn)條件，本試驗(yàn)主要針對(duì)特紡材料的力學(xué)性能對(duì)于溫度的敏感性進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)以20-900滌綸套帶為例，設(shè)置試驗(yàn)拉伸參數(shù)為：溫度90℃，加載負(fù)荷值6 615 N（900×9.8×0.75），持續(xù)加載時(shí)間2 min，在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)，并觀察試樣有無異?，F(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 20-900滌綸套帶高溫持續(xù)拉伸的載荷—伸長(zhǎng)曲線圖

由圖1可以看出規(guī)定負(fù)荷持續(xù)加載對(duì)于材料應(yīng)力—應(yīng)變的影響程度：特紡材料對(duì)于高溫環(huán)境具有一定的敏感性，且隨著溫度的升高，分子的活化能增加，氧化速度加快，材料老化加劇，因此熱是導(dǎo)致特紡材料老化的主要因素之一。

3 結(jié)論

（1）高溫環(huán)境下的拉伸試驗(yàn)是一種新型的力學(xué)性能試驗(yàn)方法，它與產(chǎn)品的耐環(huán)境性和使用壽命息息相關(guān)。

（2）本課題通過對(duì)高溫環(huán)境即時(shí)拉伸、持續(xù)加載和蠕變疲勞等多種高溫試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)和應(yīng)用，選取具有代表性產(chǎn)品的主體材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，獲得的有效數(shù)據(jù)可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和故障分析提供數(shù)據(jù)參考。