隋 蓉，張文博，蔣 偉

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，越來越多的柔性非金屬材料應(yīng)用于航天器。柔性結(jié)構(gòu)具有可折疊、質(zhì)量小、展開面積和體積大等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)無法企及的功能。織物材料作為典型的柔性材料，在空間柔性可展開結(jié)構(gòu)中有著廣泛應(yīng)用[1-2]。柔性織物材料在空間環(huán)境應(yīng)用中將承受多因素的協(xié)同作用，其環(huán)境適應(yīng)性是必須要考慮的因素[3]。在低地球軌道，對(duì)于暴露在空間環(huán)境中的飛行器外表材料，原子氧和紫外輻照是對(duì)材料性能，尤其是力學(xué)性能，影響顯著的2 個(gè)因素[4]。研究人員發(fā)現(xiàn)，原子氧與紫外輻照之間存在協(xié)同效用，且在不同材料中具有不同的表現(xiàn)[5]。在對(duì)帶涂層聚酰亞胺[6]、含氟聚酰亞胺[7]、Teflon[8]、聚氯乙烯[8]、聚四氟乙烯[9]的原子氧、紫外輻照協(xié)同試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，原子氧、紫外輻照的協(xié)同作用效果大于單因素作用效果。而在對(duì)聚酰亞胺[10-12]的原子氧、紫外輻照協(xié)同試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，原子氧、紫外輻照的協(xié)同作用效果弱于單因素作用效果。

錦綸材料作為一種常用的合成纖維材料，其應(yīng)用已拓展至空間環(huán)境領(lǐng)域[2]，但目前尚未見對(duì)錦綸材料耐原子氧、紫外輻照特性開展研究的相關(guān)報(bào)道。本文以錦綸材料為研究對(duì)象，對(duì)不同縫制結(jié)構(gòu)錦綸材料在原子氧與紫外輻照協(xié)同作用下的力學(xué)性能變化進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 錦綸材料的原子氧、紫外輻照協(xié)同試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)材料選取K59321 錦絲綢（原材料為錦綸66）。由于柔性織物材料在使用時(shí)經(jīng)常采用縫制工藝，而織物縫合部作為材料強(qiáng)力的薄弱環(huán)節(jié)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的結(jié)構(gòu)。本文將試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為經(jīng)向結(jié)構(gòu)縫制（經(jīng)向試驗(yàn)件）與緯向結(jié)構(gòu)縫制（緯向試驗(yàn)件），探討不同結(jié)構(gòu)形式在綜合原子氧、紫外輻照空間環(huán)境下的力學(xué)特性變化。試驗(yàn)所用試驗(yàn)件為經(jīng)向試驗(yàn)件和緯向試驗(yàn)件各28 件，為了保證試驗(yàn)件材料的一致性，縫制試驗(yàn)件所用線材料均選擇3#錦絲線（原材料同樣為錦綸66）。經(jīng)向試驗(yàn)件與緯向試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖 1 經(jīng)向、緯向結(jié)構(gòu)縫制試驗(yàn)件Fig. 1 Longitudinal and latitudinal stitched test pieces for structural components

1.2 試驗(yàn)工況

原子氧、紫外輻照試驗(yàn)實(shí)施中，分別設(shè)計(jì)不同試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)指標(biāo)以低地球軌道空間站在軌運(yùn)行為背景，空間站在軌飛行15 d 的原子氧注量約2.06×1024/m2，在軌飛行24 d 的原子氧注量約3.29×1024/m2，紫外輻照度約81.3 W/m2。

本次試驗(yàn)將按上述試驗(yàn)指標(biāo)分別進(jìn)行單一原子氧、單一紫外輻照、原子氧與紫外輻照協(xié)同試驗(yàn)。試驗(yàn)全程將環(huán)境溫度控制在50 ℃以下，以消除熱效應(yīng)的附加影響。試驗(yàn)共分為7 組，其中包括為便于試驗(yàn)后進(jìn)行協(xié)同試驗(yàn)與單一試驗(yàn)的對(duì)比分析及試驗(yàn)對(duì)材料斷裂強(qiáng)力的影響趨勢(shì)分析而設(shè)置的空白對(duì)照組（不進(jìn)行原子氧和紫外輻照），具體試驗(yàn)工況見表1。每組試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)子樣。

表 1 試驗(yàn)組工況Table 1 The test group working conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外觀

不同工況下試驗(yàn)后的產(chǎn)品外觀如圖2 所示，可以看到：?jiǎn)我辉友踉囼?yàn)后，試驗(yàn)件幾乎無褪色，與空白對(duì)照組試驗(yàn)件的顏色較為接近；而單一紫外輻照及協(xié)同試驗(yàn)后，試驗(yàn)件顏色變化較大；同樣的環(huán)境條件下，經(jīng)向試驗(yàn)件與緯向試驗(yàn)件外觀變化無區(qū)別。

圖 2 試驗(yàn)后試驗(yàn)件外觀Fig. 2 Appearance of test pieces after environmental tests

計(jì)算7 種試驗(yàn)工況后試驗(yàn)件的平均色值（RGB模式），如表2 所示?？梢钥吹剑航?jīng)過紫外輻照及協(xié)同試驗(yàn)后，試驗(yàn)件的色值發(fā)生明顯變化，B 值減小，R 值、G 值增大，這是由于紫外線與織物染料產(chǎn)生了光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致織物材料褪色泛黃[13]。

表 2 試驗(yàn)后試驗(yàn)件平均色值Table 2 Average color value of test pieces in RGB mode after environmental tests

2.2 力學(xué)性能測(cè)試與分析

試驗(yàn)件的力學(xué)性能測(cè)試通過特紡材料拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)件的受力方向?yàn)樵囼?yàn)件長(zhǎng)邊方向。力學(xué)測(cè)試后試驗(yàn)件狀態(tài)如圖3 所示。由于織物材料在實(shí)際工程應(yīng)用中通常會(huì)采用縫制結(jié)構(gòu)，縫制行為會(huì)對(duì)錦綸材料產(chǎn)生損傷，在空白對(duì)照組和試驗(yàn)組的材料力學(xué)拉斷試驗(yàn)中，斷裂處均為錦綸材料的縫線損傷處。

圖 3 力學(xué)測(cè)試后試驗(yàn)件狀態(tài)Fig. 3 State of test pieces after mechanical test

每組工況4 個(gè)子樣的斷裂強(qiáng)力計(jì)算均值及總體標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖4 所示，可以看到：K59321 錦絲綢原材料斷裂強(qiáng)力為2900 N/50 mm，空白對(duì)照組中，經(jīng)向試驗(yàn)件斷裂強(qiáng)力增大（均值為6100 N/50 mm），緯向試驗(yàn)件斷裂強(qiáng)力減小（均值為1845 N/50 mm），這是由于經(jīng)向試驗(yàn)件拉斷處有4 層織物，而緯向試驗(yàn)件拉斷處只有1 層，且縫紉使得單層織物受損。試驗(yàn)件經(jīng)過原子氧和紫外輻照后，力學(xué)性能均有所下降。

圖 4 環(huán)境試驗(yàn)后力學(xué)測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Mechanical properties after environmental tests

按均值結(jié)果進(jìn)行分析，以空白對(duì)照組作為參考，計(jì)算試驗(yàn)件在環(huán)境試驗(yàn)后斷裂強(qiáng)力的下降比例，結(jié)果如表3 所示?？梢钥吹?，經(jīng)向試驗(yàn)件的下降比例比緯向試驗(yàn)件的小，這是由于多層材料可在一定程度上阻擋原子氧與紫外輻照。

表 3 環(huán)境試驗(yàn)后試驗(yàn)件斷裂強(qiáng)力下降比例Table 3 Reduction ratios of breaking strength of test pieces after environmental tests單位：%

K59321 錦絲綢所用原材料為錦綸66，其結(jié)構(gòu)式如圖5 所示，化學(xué)鍵鍵能如表4 所示。低地球軌道空間環(huán)境中，紫外輻照的能量可以使得錦綸66中的大部分化學(xué)鍵斷裂[6,14]；原子氧使得錦綸66 中的碳鏈骨架易發(fā)生氧化反應(yīng)[15-16]，均將導(dǎo)致材料的力學(xué)性能退化。錦綸織物材料是由錦綸66 微米纖維經(jīng)過紡絲、編織制成，纖維之間存在孔隙，使錦綸織物在微觀上為多孔材料，易受原子氧、紫外輻照侵蝕。試驗(yàn)結(jié)果也表明，在經(jīng)歷單一紫外輻照與單一原子氧環(huán)境后，錦綸材料的斷裂強(qiáng)力均有明顯的下降。而原子氧與紫外輻照的協(xié)同作用對(duì)錦綸材料力學(xué)性能的破壞效果大于單因素作用的效果，其原因是紫外輻照破壞材料化學(xué)鍵，而化學(xué)鍵的斷裂為原子氧的侵蝕提供了通道，又加速了原子氧與錦綸材料的氧化反應(yīng)[4,15]。

圖 5 錦綸66 結(jié)構(gòu)式Fig. 5 Chemical structural formula of Nylon 66

表 4 錦綸66 化學(xué)鍵及鍵能Table 4 Chemical bond and bond energy of Nylon 66

在單一原子氧試驗(yàn)中，隨著原子氧注量的增大，經(jīng)向試驗(yàn)件與緯向試驗(yàn)件斷裂強(qiáng)力下降比例的變化趨勢(shì)一致；而在單一紫外輻照試驗(yàn)中，當(dāng)紫外輻照量增大后，緯向試驗(yàn)件斷裂強(qiáng)力下降比例由23.41%提高至27.05%，經(jīng)向試驗(yàn)件斷裂強(qiáng)力幾乎不下降。這是由于緯向試驗(yàn)件為僅單層材料受力，而經(jīng)向試驗(yàn)件為4 層材料共同受力，只要有1 層材料的斷裂強(qiáng)力大，試驗(yàn)件整體的斷裂強(qiáng)力就大。這亦可說明經(jīng)向試驗(yàn)件的下層材料被頂層材料遮擋保護(hù)，紫外輻照對(duì)多層織物材料的穿透性不強(qiáng)。對(duì)于緯向試驗(yàn)件來說，協(xié)同試驗(yàn)導(dǎo)致的斷裂強(qiáng)力下降比例均明顯大于對(duì)應(yīng)工況的單一原子氧與紫外輻照試驗(yàn)導(dǎo)致的斷裂強(qiáng)力下降比例之和，說明對(duì)單層材料來說，原子氧與紫外輻照協(xié)同作用會(huì)加劇錦綸材料的破壞。

3 結(jié)論與展望

通過從宏觀力學(xué)角度分析經(jīng)受原子氧、紫外輻照作用后不同縫制結(jié)構(gòu)錦綸材料的力學(xué)性能變化，可以得到以下結(jié)論：

1）單一原子氧試驗(yàn)對(duì)K59321 錦絲綢的外觀影響較小，材料幾乎無褪色；經(jīng)過單一紫外輻照試驗(yàn)及原子氧與紫外輻照協(xié)同試驗(yàn)后，材料褪色明顯。

2）紫外輻照對(duì)多層錦綸材料的穿透性弱，應(yīng)用錦綸織物材料時(shí)可以考慮通過多層設(shè)計(jì)來提高材料的整體抗紫外輻照損傷性能。

3）在經(jīng)歷原子氧與紫外輻照環(huán)境后，錦綸材料的力學(xué)性能均有明顯下降。對(duì)于單層K59321 錦綸材料，原子氧與紫外輻照協(xié)同作用對(duì)其力學(xué)性能破壞具有加強(qiáng)效果。

4）對(duì)一定尺寸的錦綸材料而言，經(jīng)向結(jié)構(gòu)縫制件的承力能力優(yōu)于緯向結(jié)構(gòu)縫制件。

本文對(duì)錦綸材料力學(xué)性能的研究只考慮了斷裂強(qiáng)力，后續(xù)可從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析原子氧、紫外輻照環(huán)境作用下錦綸材料性能與其結(jié)構(gòu)間的關(guān)系；并針對(duì)多層錦綸材料對(duì)空間環(huán)境紫外輻照具有阻擋效果，開展定量研究。