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        連續(xù)氧化鋁紗線及其織物力學(xué)性能

        2022-11-16 01:50:56謝治云李文斌官思佳
        現(xiàn)代紡織技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:捻度斷裂強度強力

        謝治云,李文斌,張 賀,黃 叢,官思佳,劉 洋

        (1.武漢紡織大學(xué)省部共建紡織新材料與先進加工技術(shù)國家重點實驗室,武漢 430200; 2.航天科工空間工程發(fā)展有限公司,北京 100854; 3.中國航天科工集團空間工程總體部,北京 100854)

        氧化鋁纖維及其織物作為剛性或柔性高溫?zé)岱雷o材料,受到了國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。Jiang等[9]制備了氧化鋁纖維增強二氧化硅復(fù)合材料,研究了其在高溫下的力學(xué)性能與破壞機理。孫現(xiàn)凱等[10]采用氧化鋁纖維紙、氧化硅氣凝膠和石墨紙進行縫合,并對表面進行抗氧化處理,制備出柔性隔熱材料。曹旭等[11]采用美國3M氧化鋁織物作為熱防護系統(tǒng)的防熱層,進行高焓風(fēng)洞研究。國內(nèi)一些學(xué)者已開始研究國產(chǎn)連續(xù)氧化鋁纖維的基本紡織性能與可織造性。例如,丁一等[12]對連續(xù)氧化鋁纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、物理性能和耐化學(xué)腐蝕性等方面進行表征,并分析了氧化鋁纖維的可紡紗性。解錫明等[13]運用往復(fù)式線性摩擦測試方法,模擬織造過程中氧化鋁紗線與筘齒之間的摩擦行為,研究加載力、預(yù)加張力、摩擦頻率對氧化鋁紗線摩擦性能的影響規(guī)律。目前,針對連續(xù)氧化鋁紗線及其織物的力學(xué)性能、高溫處理后力學(xué)性能保留率方面的研究較少,缺乏對國內(nèi)外生產(chǎn)的氧化鋁纖維及其織物性能差異的認知,這對深入了解國產(chǎn)氧化鋁纖維性能及研發(fā)柔性耐高溫織物至關(guān)重要。為此,本文對具有國際領(lǐng)先水平代表性的美國、日本、國產(chǎn)3種氧化鋁紗線與織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)、室溫力學(xué)性能進行分析對比,進而對氧化鋁紗線與織物進行高溫處理,測試其力學(xué)性能保留率,從而增加對國內(nèi)外氧化鋁紗線與織物力學(xué)性能的認知。

        1 實 驗

        1.1 實驗材料

        美國氧化鋁織物(美國明尼蘇達礦務(wù)及制造業(yè)公司)、簡稱為MG,日本氧化鋁織物(日本Nitivy公司)、簡稱為RB,由于僅能獲得織物,因此所測MG、RB紗線由織物拆解所得。國產(chǎn)氧化鋁纖維(由航天科工空間工程發(fā)展有限公司提供)、簡稱為GC。

        1.2 實驗儀器與方法

        1.2.1 氧化鋁纖維形貌SEM表征

        采用Sigma500掃描電子顯微鏡(德國蔡司公司)觀察氧化鋁纖維的表面形貌。

        1.2.2 紗線細度測試

        參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7690.1—2001《增強材料紗線試驗方法第1部分:線密度的測定》,取一定長度的紗線,采用精密天平(精度0.000 1 g)進行稱重,計算紗線線密度。

        1.2.3 紗線捻度與合股數(shù)測試

        參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7690.2—2001《增強材料紗線試驗方法第2部分:捻度的測定》,將一定長度的紗線夾持在紗線捻度測試儀(型號:Y331C,溫州方圓儀器公司)上,進行捻度測量。合股數(shù)通過紗線解捻后計數(shù)獲得。

        1.2.4 紗線與織物拉伸性能試驗方法

        參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7690.3—2001《增強材料紗線試驗方法第3部分:玻璃纖維斷裂強力和斷裂伸長的測定》,采用英斯特朗電子萬能試驗機(INSTRON 5967)進行拉伸測試,氧化鋁紗線采用 1 kN 載荷傳感器,測試間距為50 mm,加載速率為20 mm/min;氧化鋁織物采用30 kN載荷傳感器,有效測試長度為50 mm、寬度為25 mm,加載速率為 20 mm/min。氧化鋁紗線或織物兩端粘貼硬紙片作為加強片以防止打滑。為了進一步分析紗線與織物強力之間的關(guān)系,用式(1)計算織物的紗線強力利用率W。

        (1)

        式中:PF為織物拉伸強力,N;dj為織物經(jīng)密,根/cm;Py為紗線拉伸強力,N。

        1.2.5 紗線與織物高溫處理力學(xué)性能保留率表征

        將裁剪好的氧化鋁紗線或織物放入箱式電阻爐(浙江道墟科析儀器廠,型號SX2- 4-10A),在950 ℃溫度下保溫處理4 h,隨爐冷卻至室溫后參照1.2.4表征方法進行拉伸測試,用式(2)計算氧化鋁紗線或織物的高溫處理強力保留率RF。

        (2)

        式中:Fc為高溫處理后拉伸強力,N;Fo為高溫處理前拉伸強力,N。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 氧化鋁紗線力學(xué)性能

        2.1.1 氧化鋁紗線室溫力學(xué)性能

        3種氧化鋁紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸性能如表1所示。由表1可看出,MG氧化鋁紗線線密度最大,RB和GC氧化鋁紗線線密度幾乎相同,且只有MG氧化鋁紗線線密度的44%。捻度方面,RB與GC氧化鋁紗線捻度相近,而MG氧化鋁紗線捻度最小,約為其他兩種紗線捻度的一半。MG氧化鋁紗線為2根合股,RB和GC氧化鋁紗線的合股數(shù)均為3根合股。此外,MG氧化鋁紗線表面涂覆有粉紅色上漿劑,而其他兩種氧化鋁紗線為白色。氧化鋁紗線表面的上漿劑質(zhì)量分數(shù)約1%,微量存在,且呈離散分布,不會明顯影響紗線力學(xué)性能。表1中紗線拉伸性能測試結(jié)果可看出,MG氧化鋁紗線拉伸斷裂強力為154.8 N,為所有紗線中最大。然而3種紗線中,RB氧化鋁紗線斷裂強度最大,為 41.9 cN/tex。盡管美國紗線線密度為其他紗線的兩倍多,但MG氧化鋁紗線拉伸斷裂強度也高達33.4 cN/tex,僅次于GC氧化鋁紗線的拉伸強度。MG氧化鋁紗線拉伸斷裂應(yīng)變最大,而GC氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變最小,僅為2.4%。

        表1 氧化鋁紗線規(guī)格參數(shù)與拉伸性能Tab.1 Specification parameters and tensile property of the Al2O3 yarns

        氧化鋁紗線拉伸強度-應(yīng)變曲線如圖1所示。氧化鋁紗線的拉伸強度隨著應(yīng)變增加,呈近似直線增加,達到最大值后纖維斷裂,強力迅速下降,表現(xiàn)為脆性斷裂。依據(jù)曲線直線段部分的斜率可知,RB氧化鋁紗線拉伸模量與GC氧化鋁紗線模量相近,大于MG氧化鋁紗線拉伸模量。

        圖1 氧化鋁紗線拉伸強度-應(yīng)變曲線Fig.1 Tensile strength vs. strain curves of the Al2O3 yarns

        綜合紗線各方面指標(biāo)可知,GC氧化鋁紗線與RB氧化鋁紗線合股數(shù)一樣、細度和捻度相近,但GC氧化鋁紗線斷裂強度較低、斷裂應(yīng)變小,表明GC氧化鋁紗線力學(xué)性能與RB氧化鋁紗線相比還有一定差距。GC氧化鋁紗線斷裂強度略高于MG氧化鋁紗線,紗線線密度和斷裂強力為MG紗線的43.5%、47.4%,理論上講,可通過上漿、兩根GC氧化鋁紗線合股等工藝制備與MG力學(xué)性能相媲美的紗線。

        2.1.2 氧化鋁紗線高溫處理后力學(xué)性能

        高溫處理后力學(xué)性能保留率是評價氧化鋁纖維耐高溫性能的重要指標(biāo)之一。為考察氧化鋁纖維耐高溫性能,對氧化鋁紗線在950 ℃空氣氣氛中處理 4 h,測試其拉伸性能,并計算力學(xué)性能保留率。所有經(jīng)過高溫處理后的氧化鋁紗線均為白色,因為表層涂覆的漿料均被燒掉,紗線變得更加蓬松、更加柔軟。

        氧化鋁紗線高溫處理后拉伸性能如表2所示。由如表2可看出,高溫處理后,3種氧化鋁紗線的斷裂強力、斷裂強度、斷裂應(yīng)變均呈下降趨勢。4 h高溫處理后,MG、RB、GC氧化鋁紗線的斷裂強力保留率分別為64.2%、71.9%、76.0%,MG氧化鋁紗線性能下降最為明顯,而GC氧化鋁紗線強力保留率最高。3種紗線斷裂強度對比分析可知,仍然是RB氧化鋁紗線斷裂強度最高,MG氧化鋁紗線斷裂強度最低。高溫處理后,MG與GC氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變僅為0.8%,RB氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變僅為1.0%。3種氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變下降非常明顯,斷裂應(yīng)變保留率為25.6%、32.5%、32.7%,仍是MG氧化鋁紗線下降最明顯。高溫下氧化鋁纖維中晶粒膨脹,晶粒間缺陷增多,導(dǎo)致強力下降。氧化鋁纖維主要成分為氧化鋁、二氧化硅等氧化物,不會在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)。綜合分析,GC氧化鋁紗線的高溫力學(xué)性能保留率為三者最高,且與RB氧化鋁紗線斷裂強度的差距較小。

        表2 高溫處理后氧化鋁紗線拉伸性能Tab.2 Tensile property of the Al2O3 yarns after high temperature treatment

        3種氧化鋁紗線在950 ℃高溫處理4 h后拉伸強度-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可看出,高溫處理后,拉伸加載下3種氧化鋁紗線仍表現(xiàn)為脆性斷裂,且較小的斷裂應(yīng)變保留率使得脆性特征更為明顯。

        圖2 高溫處理4 h后氧化鋁紗線拉伸強度-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile strength vs. strain curves of the Al2O3 yarns after 4 hours' high temperature treatment

        2.2 氧化鋁織物力學(xué)性能

        2.2.1 氧化鋁織物室溫力學(xué)性能

        MG與RB氧化鋁織物如圖3(a)、圖3(b)所示,相應(yīng)的織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸性能如表3所示。MG氧化鋁織物組織結(jié)構(gòu)為1/3破斜紋,而RB氧化鋁織物為2/2↖斜紋結(jié)構(gòu)。MG氧化鋁織物的經(jīng)緯密度比RB氧化鋁織物小,但MG紗線比RB紗線線密度大,MG氧化鋁織物緊度(為57.7%)大于RB氧化鋁織物緊度(為52.9%),織物較硬挺。雖然織物結(jié)構(gòu)參數(shù)不同,但可通過每厘米強力來評價織物力學(xué)性能。得益于單紗強力較大,MG氧化鋁織物拉伸強度較大,高達1 060.9 N/cm,大于RB氧化鋁織物強度(864.0 N/cm)。MG與RB氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變較為接近。MG與RB氧化鋁織物的紗線強力利用率分別為85.7%、84.4%。因為MG與RB紗線為織物拆解所得,而織造后的紗線強力會因磨損而降低,所以由此計算的MG與RB紗線強力利用率偏高。

        為進一步探究國內(nèi)外氧化鋁織物性能,在與原織物組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯密度相同的情況下,由GC氧化鋁紗線兩根并為一根織造仿織MG織物,由GC氧化鋁紗線織造仿織RB織物。仿織MG與仿織RB氧化鋁織物如圖3(c)、3(d)所示,相應(yīng)的織物規(guī)格參數(shù)與拉伸性能如表3所示。仿織MG氧化鋁織物與仿織RB氧化鋁織物的斷裂強度分別為875.3、653.3 N/cm,為仿織對象斷裂強度的82.5%、75.6%。由于GC氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變較低,因此仿織織物的斷裂應(yīng)變也低于仿織對象。由表3可知,仿織MG和仿織RB織物的紗線強力利用率分別為74.6%、74.2%,表明仿織過程中紗線強力利用率較為穩(wěn)定。

        表3 氧化鋁織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸性能Tab.3 Structural parameters and tensile property of the Al2O3 fabrics

        圖3 氧化鋁織物實物照片F(xiàn)ig.3 Images of the Al2O3 fabrics

        4種氧化鋁織物拉伸強力-應(yīng)變曲線如圖4所示。起始階段,氧化鋁織物的拉伸強力隨著應(yīng)變增加而緩慢增加,此時為屈曲的紗線伸直過程。隨著應(yīng)變繼續(xù)增加,氧化鋁織物強力呈直線狀迅速增加,紗線斷裂后強力明顯下降,表現(xiàn)為脆性斷裂破壞特征。4種氧化鋁織物在拉伸加載下的斷裂形貌如 圖5 所示??煽闯?,氧化鋁織物的斷裂特征為氧化鋁紗線斷裂、滑移、抽拔。

        圖4 氧化鋁織物拉伸強力-應(yīng)變曲線Fig.4 Tensile force vs. strain curves of the Al2O3 fabrics

        圖5 氧化鋁織物拉伸斷裂形貌Fig.5 Fracture images of the Al2O3 fabrics subjected to tensile loading

        2.2.2 氧化鋁織物高溫處理后力學(xué)性能

        4種氧化鋁織物在950 ℃高溫處理4 h后拉伸性能如表4所示??煽闯?,高溫處理4 h后,4種織物斷裂強度與斷裂應(yīng)變均呈下降趨勢。其中,MG氧化鋁織物斷裂強度最高,達722.4 N/cm;RB氧化鋁織物斷裂應(yīng)變最大,為3.6%。與MG、RB氧化鋁織物相比,仿織織物的斷裂強度保留率較高,這與GC氧化鋁紗線高溫處理后強度保留率較高一致。MG氧化鋁織物斷裂應(yīng)變保留率最低、為67.5%,而高溫處理相同時間氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變保留率最高僅為32.7%(見表2),由此可知,氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變保留率明顯高于氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變保留率。

        表4 高溫處理后氧化鋁織物拉伸性能Tab.4 Tensile property of the Al2O3 yarns after high temperature treatment

        950 ℃高溫處理4 h后4種氧化鋁織物拉伸強力-應(yīng)變曲線如圖6所示。與高溫處理前曲線(見 圖4)對比可看出,高溫處理后氧化鋁織物仍表現(xiàn)為脆性斷裂破壞特征,且斷裂應(yīng)變的差距縮小。圖7是高溫處理4h前后氧化鋁織物拆解紗線的形貌圖??煽闯觯邷靥幚砬翱椢镏屑喚€僅有輕微屈曲,而高溫處理后,織物中紗線屈曲變得明顯,因為高溫時氧化鋁紗線模量降低,在紗線交織內(nèi)應(yīng)力作用下,氧化鋁紗線發(fā)生蠕變,產(chǎn)生屈曲變形。這種屈曲變形提高了氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變,使得氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變高溫處理保留率高于氧化鋁紗線。

        圖6 高溫處理4h后氧化鋁織物拉伸強力-應(yīng)變曲線Fig.6 Tensile force vs. strain curves of the Al2O3 fabrics after 4 hours' high temperature treatment

        圖7 高溫處理前后氧化鋁織物中紗線形貌Fig.7 Images of the Al2O3 yarns from the fabrics before and after high temperature treatment

        2.3 氧化鋁纖維高溫處理前后SEM形貌

        氧化鋁纖維高溫處理前與950 ℃高溫處理 4 h 后的SEM形貌如圖8所示。可看出,3種氧化鋁纖維表面均有細小顆粒感,MG與RB氧化鋁纖維表面顆粒感較為細膩,而GC氧化鋁纖維表面顆粒感更強。經(jīng)過950 ℃高溫處理4 h后,所有氧化鋁纖維表面的上漿劑均被燒掉,氧化鋁纖維表面形貌與高溫處理前基本一致,無龜裂或其他現(xiàn)象出現(xiàn),氧化鋁纖維仍為圓柱形,表明氧化鋁纖維具有很好的耐高溫性。

        圖8 高溫處理前后氧化鋁纖維SEM形貌圖Fig.8 SEM images of the Al2O3 fibers before and after high temperature treatment

        3 結(jié) 論

        對具有代表性的美國(MG)、日本(RB)和國產(chǎn)(GC)3種氧化鋁紗線及織物進行室溫與高溫處理后拉伸性能表征,進而采用相同結(jié)構(gòu)、利用GC氧化鋁紗線仿織與MG、RB同規(guī)格織物,通過相應(yīng)的拉伸性能測試、對比分析得出結(jié)論如下:

        a)紗線室溫力學(xué)性能方面,RB氧化鋁紗線斷裂強度最高,MG氧化鋁紗線斷裂強度最低,GC氧化鋁紗線斷裂強度介于兩者之間。

        b)紗線經(jīng)950 ℃高溫處理4 h后力學(xué)性能方面,MG氧化鋁紗線斷裂強力保留率最低,而GC氧化鋁紗線強力保留率最高;3種氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變下降明顯,其中MG氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變保留率僅為25.6%。

        c)織物室溫力學(xué)性能方面,MG氧化鋁織物拉伸斷裂強度高于RB氧化鋁織物斷裂強度,同種結(jié)構(gòu)采用GC氧化鋁紗線仿織的MG氧化鋁織物與仿織RB氧化鋁織物的斷裂強度分別為仿織對象斷裂強度的82.5%、75.6%。

        d)織物950 ℃高溫處理4 h后力學(xué)性能方面,仿織MG、RB織物的斷裂強度保留率高于仿織對象;氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變保留率明顯高于氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變保留率,因為高溫時氧化鋁織物中紗線發(fā)生蠕變,產(chǎn)生屈曲變形。

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