焦亞男，秦少奇，毛麗賀，陳 利

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

由于受到氣動(dòng)加熱的作用，航天飛行器機(jī)身表面會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，必須使用隔熱材料阻滯熱流向機(jī)體較低溫度的區(qū)域進(jìn)行傳遞。隨著飛行器可重復(fù)往返技術(shù)的研究不斷深入，對(duì)熱防護(hù)材料也提出了越來(lái)越高的需求。熱防護(hù)材料可重復(fù)使用的可靠性對(duì)其飛行安全起到了至關(guān)重要的作用，是國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注重點(diǎn)之一[1-5]。

隔熱材料在進(jìn)行搬運(yùn)、貯存、安裝以及重復(fù)使用過(guò)程中，會(huì)受到一定的外力擠壓作用。如果外力撤銷(xiāo)之后的材料變形較大，會(huì)影響其高溫隔熱性能以及可重復(fù)使用性能[6]。因此，材料的壓縮回彈性能是判斷隔熱材料是否能夠重復(fù)使用的重要條件之一。多位學(xué)者對(duì)材料壓縮性能進(jìn)行了深入的研究。焦亞男等[7]對(duì)熱密封件進(jìn)行了單向以及循環(huán)壓縮試驗(yàn)，證明所編織的熱密封件具有良好的可壓縮性，且隨著紗線(xiàn)細(xì)度的減小和編織角的增大，材料的壓縮回彈性能提高；Nguyen等[8]建立紡織復(fù)合材料預(yù)成型體的有限元模型，對(duì)紡織復(fù)合材料的壓縮性能進(jìn)行虛擬壓縮試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬對(duì)材料進(jìn)行分析，從而得到一系列纖維集合體的壓縮特性曲線(xiàn)。盡管各種纖維集合體的組織結(jié)構(gòu)不盡相同，但是因其纖維均勻密實(shí)地呈多方向排列，因此所得到的壓縮率以及壓縮回復(fù)率極其相似[9-12]。多年來(lái)，不同的學(xué)者對(duì)纖維集合體的壓縮性能進(jìn)行研究與分析。近代有學(xué)者指出，材料壓縮特性的基本理論——Van Wyk理論[13]存在一定的缺陷，其所得公式的k值固定，導(dǎo)致大多數(shù)材料的壓縮曲線(xiàn)與實(shí)際壓縮試驗(yàn)所得到的壓縮曲線(xiàn)不一致，不能解釋不同種類(lèi)材料的壓縮特性曲線(xiàn)存在的差異性等。Jong在Van Wyk理論的基礎(chǔ)上，提出了自己的壓縮特性模型，該模型將材料壓縮過(guò)程中所得到的壓縮特性曲線(xiàn)分為3個(gè)階段：第1階段為線(xiàn)性階段，載荷隨著材料的壓縮長(zhǎng)度的增加而緩慢增長(zhǎng)，斜率較低；第2階段為非線(xiàn)性階段，隨著材料壓縮長(zhǎng)度越來(lái)越大，其載荷增長(zhǎng)速度也越來(lái)越快；第3階段為線(xiàn)性階段，壓縮載荷在材料壓縮長(zhǎng)度增長(zhǎng)的小范圍內(nèi)快速增長(zhǎng)，斜率較高。

石英纖維由于其自身密度低，具有優(yōu)異的耐高溫性以及抗氧化性能，長(zhǎng)期穩(wěn)定的使用溫度為1 050℃，瞬間耐溫高達(dá)1 700℃，被廣泛應(yīng)用于航空航天隔熱材料[14-16]。本文以石英纖維隔熱氈為研究對(duì)象，選用短切纖維針刺氈，內(nèi)部纖維無(wú)序排列，且針刺氈結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，受外力易變形。為使其表面規(guī)整，易于運(yùn)輸和安裝，本文選擇使用石英纖維平紋布包覆在石英纖維柔性隔熱氈的表面，采用全厚度穿刺縫合技術(shù)將兩者結(jié)合，制成縫合夾層氈柔性隔熱材料。對(duì)縫合夾層氈隔熱材料進(jìn)行單次壓縮以及循環(huán)壓縮測(cè)試，分析材料的壓縮回彈性能和壓縮回彈機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

材料：石英纖維針刺氈、石英纖維縫合線(xiàn)，均為湖北菲利華石英玻璃有限公司產(chǎn)品，針刺氈原體積密度為0.12 g/cm3，在針刺氈內(nèi)部石英纖維呈無(wú)規(guī)則分布，且石英纖維針刺氈呈類(lèi)層狀結(jié)構(gòu)分布；石英纖維平紋布，天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所生產(chǎn)。

設(shè)備：DC-35X35型縫合機(jī)，天津工業(yè)大學(xué)自制設(shè)備；AGS-J1KN型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，日本島津公司產(chǎn)品。

1.2 縫合夾層氈的制備

由于石英纖維平紋布的質(zhì)地較為緊密硬挺且強(qiáng)度較高，不適合通過(guò)針刺或水刺將其與石英纖維針刺氈結(jié)合，故采用穿刺縫合技術(shù)將石英纖維平紋布與多層石英纖維柔性隔熱氈縫合在一起。通過(guò)縫合手段，使材料垂直于鋪層方向得到增強(qiáng)，可以有效提高隔熱材料的層間強(qiáng)度及斷裂韌性，防止運(yùn)輸及安裝過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的因?qū)娱g開(kāi)裂導(dǎo)致的材料失效。此外，縫合技術(shù)還有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、可高度自動(dòng)化以及裝配性能優(yōu)異等特點(diǎn)，縫合材料的整體性能優(yōu)異[17-20]。

將石英纖維平紋布與石英纖維針刺氈按設(shè)計(jì)的順序鋪放在縫合機(jī)的夾具上，上下表面為石英纖維平紋布，芯層為石英纖維隔熱氈，夾緊夾具安置在縫合機(jī)上。采用石英纖維縫線(xiàn)進(jìn)行柔性?shī)A層氈的Z向縫合，且為了保證縫合夾層氈的平整性以及縫線(xiàn)受力的均衡性，采用了雙向縫合，如圖1所示。通過(guò)全厚度穿刺縫合技術(shù)制作縫合夾層氈隔熱材料試樣，縫合過(guò)程中控制拉力，防止內(nèi)部夾層氈的壓縮以及縫合時(shí)由于拉力不勻?qū)е虏牧媳砻娴陌纪共黄健?/p>

圖1 縫合示意圖Fig.1 Sewing diagram

1.3 壓縮回彈性能測(cè)試

1.3.1 單向壓縮

本實(shí)驗(yàn)主要研究隔熱材料在不同壓縮程度后的回彈率以及載荷-位移曲線(xiàn)的變化。由于石英纖維在高溫環(huán)境中尺寸穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的結(jié)構(gòu)變化，其壓縮行為與室溫環(huán)境下差異不大[6]，因此，本試驗(yàn)在室溫狀態(tài)下進(jìn)行，且具有高溫適用性。

將縫合制成的隔熱材料試樣裁剪成50 mm×50 mm大小，高度即試樣厚度保持23 mm不變。將試樣分成3組，分別進(jìn)行獨(dú)立的壓縮試驗(yàn)，壓縮應(yīng)變分別為0-40%-0、0-60%-0、0-80%-0，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮速率保持一致為1 mm/min，每組3塊試樣，取平均值以減小試驗(yàn)誤差，測(cè)試分析材料的壓縮回彈性能。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 壓縮回彈試驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Process of compression rebound test

在分析測(cè)試材料的壓縮回彈性能過(guò)程中，由于試驗(yàn)所用的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)存在一定的局限性，無(wú)法得到材料回彈過(guò)程中的載荷-位移曲線(xiàn)。因此，本課題通過(guò)二次加載的方式，得到二次加載后的載荷-位移曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)比，分析材料的壓縮回彈性能。材料的壓縮率C和回彈率D為：

式中：M0為初載荷下的試樣厚度（mm）；M1為總載荷下的試樣厚度（mm）；R為試樣的回彈厚度（mm）。

根據(jù)試樣的總載荷和初始長(zhǎng)度可得到材料的單位長(zhǎng)度載荷F：

式中：F為單位長(zhǎng)度載荷（N/mm）；P為試樣所受的總載荷（N）；l為試樣初始長(zhǎng)度（mm）。

1.3.2 循環(huán)壓縮

在材料可重復(fù)使用過(guò)程中，可能會(huì)涉及材料的多次壓縮變形。因此，需要測(cè)試分析材料在循環(huán)壓縮后所表現(xiàn)出來(lái)的回彈性能，并且分析多次壓縮后材料的載荷變化以分析材料的結(jié)構(gòu)變化。為了測(cè)試材料的壓縮循環(huán)次數(shù)對(duì)材料回彈率的影響，進(jìn)一步得到材料的循環(huán)壓縮回彈性能，對(duì)材料分別進(jìn)行了5次和10次循環(huán)壓縮，并通過(guò)回彈率和載荷-位移曲線(xiàn)的變化對(duì)其壓縮回彈過(guò)程進(jìn)行性能分析。循環(huán)壓縮回彈性能測(cè)試的試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試條件與單次壓縮回彈試驗(yàn)相同。

將長(zhǎng)×寬×高為50 mm×50 mm×23 mm、體積密度為0.12 g/cm3的隔熱材料試樣分成3組，分別進(jìn)行獨(dú)立的循環(huán)壓縮試驗(yàn)，壓縮應(yīng)變分別為0-40%-0、0-60%-0、0-80%-0，循環(huán)壓縮次數(shù)為5次和10次，壓縮速率為1 mm/min。每組3塊試樣取平均值以減小試驗(yàn)誤差，循環(huán)n次壓縮后的回彈率Dn為：

式中：Δn為材料在總載荷下的壓縮變形量（mm）；δn+1為材料卸載后的壓縮變形量（mm）。

2 結(jié)果與討論

2.1 單次壓縮曲線(xiàn)分析

本文所制備隔熱材料在單次加載條件下的壓縮曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖3可知，根據(jù)Van Wyk壓縮理論以及試驗(yàn)得到的壓縮曲線(xiàn)特征，將其劃分為3個(gè)階段：初始的線(xiàn)性階段Ⅰ、中間的非線(xiàn)性階段Ⅱ以及最后的線(xiàn)性階段Ⅲ。由于不同應(yīng)變所得曲線(xiàn)趨勢(shì)一致，較大應(yīng)變程度的材料更能反應(yīng)其整個(gè)壓縮過(guò)程。因此，選用經(jīng)過(guò)80%應(yīng)變的隔熱材料試樣進(jìn)行分析，其壓縮實(shí)物狀態(tài)如圖4所示。

圖3 不同應(yīng)變狀態(tài)下材料的單次壓縮曲線(xiàn)Fig.3 Single compression curves of materials under different strain states

圖4 材料壓縮不同階段展示圖Fig.4 Diagram of materias at different compression stages

因試驗(yàn)材料為縫合夾層氈，夾層氈內(nèi)纖維無(wú)規(guī)則排布，材料內(nèi)部孔隙較多，結(jié)構(gòu)松散，有良好的可壓縮性和彈性。由圖3和圖4可知，在初始?jí)嚎s階段，隨著上壓板勻速下降，所需的載荷較小，原因是此階段主要對(duì)夾層氈表面紗線(xiàn)以及氈內(nèi)空氣進(jìn)行壓縮，纖維體積含量增長(zhǎng)迅速；經(jīng)過(guò)一定程度的壓縮后，材料內(nèi)部空氣明顯減少，纖維間孔隙減小。隨著壓縮的進(jìn)行，材料壓縮載荷曲線(xiàn)逐漸達(dá)到非線(xiàn)性階段，在此過(guò)程中，材料內(nèi)空氣進(jìn)一步減少，并且材料內(nèi)部紗線(xiàn)受到壓縮，同時(shí)伴隨著內(nèi)部纖維相互擠壓摩擦而產(chǎn)生的滑移，使得壓縮載荷增長(zhǎng)速率越來(lái)越快。繼續(xù)壓縮時(shí)，材料內(nèi)部孔隙逐漸被壓實(shí)，此時(shí)的材料已成為一個(gè)非常緊密的纖維體，難以被壓縮，隨著壓縮應(yīng)變的不斷增大，壓縮載荷增長(zhǎng)非常迅速。

2.2 二次加載的壓縮曲線(xiàn)分析

對(duì)3組試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，通過(guò)二次加載的方式，對(duì)樣品進(jìn)行壓縮回彈性能分析。當(dāng)材料壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，即壓縮位移為9.2 mm時(shí)，材料的壓縮曲線(xiàn)如圖5所示。壓縮所達(dá)到的最大載荷為11.87 N，且保持壓縮1 h后再進(jìn)行卸載，織物厚度可以迅速回彈到原始厚度的97%。在30 min后材料完全回彈到初始狀態(tài)，且二次加載后載荷無(wú)明顯變化。

圖5 材料應(yīng)變40%的壓縮曲線(xiàn)Fig.5 Compression curve of material with 40%strain

當(dāng)材料壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，即壓縮位移達(dá)到13.8 mm時(shí)，材料的壓縮曲線(xiàn)如圖6所示。壓縮達(dá)到的最大載荷為110.15 N，且保持壓縮1 h后卸載，材料厚度迅速回彈到原厚度的95%，30 min后材料依舊可以回彈到初始狀態(tài)。二次加載的載荷無(wú)明顯變化。

圖6 材料應(yīng)變60%的壓縮曲線(xiàn)Fig.6 Compression curve of material with 60%strain

當(dāng)材料被壓縮程度為80%，即壓縮位移達(dá)到18.4 mm時(shí)，材料的壓縮曲線(xiàn)如圖7所示。壓縮載荷接近本次使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的最大載荷1 000 N，為952.34 N。保持壓縮1 h后進(jìn)行卸載，材料厚度迅速回彈到原始厚度的87%，30 min后材料回彈率達(dá)到了98%。二次加載后材料載荷下降，但變化幅度很小。試樣的壓縮回彈性能穩(wěn)定，說(shuō)明縫制的隔熱材料具有較好的壓縮后回彈性能。

圖7 材料應(yīng)變80%的壓縮曲線(xiàn)Fig.7 Compression curve of material with 80%strain

由圖5—圖7可以看出，隨著壓縮位移的增大，二次加載曲線(xiàn)與單次加載曲線(xiàn)的貼合程度顯著降低。在材料壓縮卸載后，其回彈過(guò)程可分為彈性回彈、滯彈性回彈、彈塑性回彈以及彈性失效4個(gè)部分：

（1）縫合夾層氈內(nèi)部孔隙率較高，材料蓬松。前期壓縮過(guò)程中，材料內(nèi)部空氣被壓縮排出。卸載后，內(nèi)部孔隙迅速恢復(fù)，這種材料受到壓縮卸載后立即回彈的現(xiàn)象為彈性回彈。

（2）隨著壓縮應(yīng)變和壓縮載荷越來(lái)越大，材料產(chǎn)生了一定的滑移與變形。卸載后材料的變形恢復(fù)需要一定的時(shí)間，從而產(chǎn)生一定的時(shí)間滯后性，稱(chēng)之為滯彈性回彈。

（3）隨著壓縮應(yīng)變和載荷的繼續(xù)增長(zhǎng)，材料內(nèi)部纖維發(fā)生斷裂而發(fā)生塑性變形。卸載后，受到破壞的纖維無(wú)法回彈至原始狀態(tài)，而其他纖維逐漸恢復(fù)。兩者共同作用即為材料的彈塑性回彈。

（4）隨著壓縮次數(shù)的增多，材料內(nèi)部纖維受損量逐漸增多，且纖維之間相互擠壓摩擦而使得材料內(nèi)部能量受到損傷，造成彈性失效。

隨著材料應(yīng)變程度的增加，材料的回彈越來(lái)越復(fù)雜。在應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，材料主要發(fā)生彈性回彈，因此，兩次壓縮曲線(xiàn)重合性很高。材料應(yīng)變達(dá)到60%后，滯彈性回彈和彈塑性回彈對(duì)材料有了一定的影響，二次加載時(shí)，材料沒(méi)有達(dá)到完全回彈，從而影響了材料的二次壓縮載荷，以致于材料的二次加載曲線(xiàn)與單次加載曲線(xiàn)的貼合程度降低。當(dāng)材料壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，彈性回彈部分繼續(xù)減少，滯彈性回彈、彈塑性回彈和彈性失效部分占比增大，導(dǎo)致材料二次加載曲線(xiàn)與單次加載曲線(xiàn)貼合程度有了明顯下降。

2.3 循環(huán)加載的壓縮曲線(xiàn)分析

當(dāng)材料壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，即壓縮位移為9.2 mm時(shí)，循環(huán)加載后得到的材料壓縮曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 應(yīng)變40%時(shí)的材料循環(huán)壓縮曲線(xiàn)Fig.8 Cyclic compression curves of material with 40%strain

由圖8可知，壓縮5次后，壓縮最大載荷為10.96 N，與第1次壓縮最大載荷對(duì)比減小了8%；第5次壓縮完成后保持壓縮狀態(tài)1 h后進(jìn)行卸載，織物迅速回彈到原始厚度的97%，在30 min后可以回彈到原始厚度。壓縮10次后，壓縮所達(dá)到的最大載荷為10.41 N，與第一次對(duì)比減小了12%；保持壓縮1 h后進(jìn)行卸載，織物迅速回彈到原始厚度的96%，在30 min后回彈到原始厚度。

當(dāng)材料的壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，即壓縮位移為13.8 mm時(shí)，循環(huán)加載后得到的材料壓縮曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 應(yīng)變60%時(shí)的材料循環(huán)壓縮曲線(xiàn)Fig.9 Cyclic compression curve of material with 60%strain

由圖9可知，壓縮5次后，壓縮最大載荷為98.76 N，與第1次對(duì)比減小了10%；第5次壓縮完成后保持壓縮狀態(tài)1 h后進(jìn)行卸載，織物迅速回彈到原始厚度的93%，在30 min后回彈到原始厚度的99%。壓縮10次后，壓縮所達(dá)到的最大載荷為85.46 N，與第一次對(duì)比減小了22%；保持1 h后進(jìn)行卸載，織物迅速回彈到原始厚度的92%，在30 min后回彈到原始厚度的99%。

當(dāng)材料的壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，即壓縮位移達(dá)到18.4 mm時(shí)，循環(huán)加載后得到的材料壓縮曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 應(yīng)變80%時(shí)的材料循環(huán)壓縮曲線(xiàn)Fig.10 Cyclic compression curve of material with 80%strain

由圖10可知，壓縮5次后，壓縮最大載荷為863.99 N，比第一次壓縮最大載荷減小了10%；第5次壓縮完成后保持壓縮狀態(tài)1 h進(jìn)行卸載，織物迅速回彈到原始厚度的83%，在30 min后可以回彈到原始厚度的96%。壓縮10次后，壓縮所達(dá)到的最大載荷為792.91 N，與第一次對(duì)比減小了17%；保持1 h后進(jìn)行卸載，織物迅速回彈到原始厚度的81%，在30 min后回彈到原始厚度的93%。

在材料循環(huán)壓縮試驗(yàn)中，所有的壓縮曲線(xiàn)變化趨勢(shì)都是一致的，這表明材料的壓縮狀態(tài)所經(jīng)歷的階段與單次壓縮回彈試驗(yàn)測(cè)試所經(jīng)歷的3個(gè)階段相同。隨著壓縮次數(shù)的增多，材料所承受的壓縮載荷逐漸下降，且載荷上升的時(shí)間每次會(huì)稍稍延后。與第1次壓縮可完全回彈相比較，材料第5次和第10次的回彈率分別下降了10%到20%不等。這說(shuō)明隨著壓縮應(yīng)變和壓縮次數(shù)的增加，材料發(fā)生了永久變形，在材料壓縮過(guò)程中，內(nèi)部纖維會(huì)相互摩擦而產(chǎn)生滑移甚至斷裂。這種情況下，有一部分纖維在壓縮結(jié)束返回原始狀態(tài)后返回原位置，一部分纖維發(fā)生塑性變形，不會(huì)隨材料載荷的減小而返回原位置。這就導(dǎo)致了材料的永久變形，會(huì)影響材料的整體密度，從而影響材料的高溫隔熱性能。因此，隔熱材料經(jīng)過(guò)多次壓縮回彈后需對(duì)材料進(jìn)行具體的性能檢測(cè)，如果材料尺寸與原始尺寸差距較大，需盡快更換隔熱材料。

3 結(jié)論

本文主要研究了縫合夾層氈隔熱材料的壓縮回彈性能，通過(guò)二次加載方式對(duì)不同程度壓縮后的縫合夾層氈隔熱材料的單次壓縮曲線(xiàn)以及回彈率進(jìn)行分析，并且通過(guò)10次循環(huán)壓縮全面分析了材料的可重復(fù)使用性能，最終得到以下結(jié)論：

（1）縫合夾層氈材料分別進(jìn)行40%、60%以及80%的壓縮后，可以保持98%以上的極高回彈率。說(shuō)明材料的壓縮回彈性能穩(wěn)定，縫制的隔熱材料具有極好的可壓縮性能。

（2）隨著壓縮應(yīng)變的增大，二次加載曲線(xiàn)與單次加載曲線(xiàn)的貼合程度顯著降低。這說(shuō)明壓縮應(yīng)變較大的材料在二次加載過(guò)程中，材料內(nèi)部纖維存在滯彈性回彈、彈塑性回彈或者彈性失效現(xiàn)象，導(dǎo)致兩次壓縮曲線(xiàn)存在一定的差異。

（3）材料在分別進(jìn)行5次壓縮和10次壓縮后，材料的壓縮回彈率較好，但與第一次壓縮結(jié)束后得到的回彈率相比，分別減少了10%～20%。說(shuō)明隨著壓縮次數(shù)的增加，有一部分材料發(fā)生了永久變形，從而影響材料的整體結(jié)構(gòu)密度，進(jìn)而影響材料的高溫隔熱性能。