高性能蒙皮材料力學性能研究

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

高性能蒙皮材料力學性能研究

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

研究了不同高性能纖維織物的結構形式與力學性能的關系,幾種纖維織物中,聚對苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維制備的增強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,對其力學性能進行測試。結果表明:蒙皮材料拉伸斷裂強力主要取決于采用的纖維種類和增強織物結構,而蒙皮材料的撕破強力除了與使用的纖維有關,還與纖維紗線細度有關,纖維紗線細度越大,制備的蒙皮材料撕破強力越高。

蒙皮材料;高性能纖維織物;斷裂強力;撕破強力

臨近空間低速飛行器由于在軍事偵察、空間預警、通信中繼和空間探測等領域的應用優勢,近些年來日益受到人們的關注[1,2]。蒙皮材料作為飛艇的主體結構材料,其性能的高低直接影響飛艇的應用效能,如浮空高度、持續飛行時間、有效載荷、服役壽命等[3]。

對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,優異的氦氣阻隔性能及耐環境性能。由于其在服役過程中蒙皮內外存在壓差,因此蒙皮材料必須具有足夠的力學性能,如美國聯邦航空管理局的飛艇設計準則[4]中,關于蒙皮材料方面的要求包括:(1)可以充壓形成超壓結構;(2)蒙皮強度不低于限制載荷的4倍;(3)蒙皮在承受限制載荷時撕裂不擴展。日本國家航天實驗室在給平流層氦氣飛艇項目設定的技術指標中,斷裂強力為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法同時滿足這些要求,現代的蒙皮材料均采用多層復合結構,一般包括承載層、阻隔層、耐環境和氣候層以及各功能層之間的膠黏劑。

在高性能蒙皮材料中,承載單元層一般使用具有較高比強度的高性能纖維織物。目前,對飛艇更高的設計要求也對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,斷裂強力為1460N· cm-1,而若制備體積達20000～40000m3的200米級平流層飛艇,要求蒙皮材料在面密度不超過210g· cm-2的情況下,斷裂強力達到1460N·cm-1[6]。近些年來,各種高性能纖維的發展為制備高性能蒙皮材料提供了很大幫助,美國、日本和歐洲等西方國家均對高性能纖維在蒙皮材料中的應用進行了大量的研究,制備的蒙皮材料性能大幅度提高[7,8]。本工作根據蒙皮材料性能和結構設計要求,制備了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚對苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維等具有高比強度的高性能纖維織物,考察了其結構形式與力學性能之間的關系,設計制備了多層結構復合蒙皮材料,并對蒙皮材料的力學性能與行為進行了研究與分析。

1 蒙皮材料的制備與實驗

1.1 原材料

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

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

根據各種纖維紗線的細度,計算出相應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、斜紋類型的織物,用以研究各種纖維織物的力學性能。按照特定設計要求利用聚氨酯膠黏劑將纖維織物與PET和PVF薄膜復合在一起,即得到實驗用蒙皮材料樣品。

1.3 性能測試

斷裂強力的測試標準采用GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》;撕裂性能的測試依據GB/T 3917.3《紡織品織物撕破性能第3部分:梯形試樣撕破強力的測定》。

2 結果與分析

2.1 高性能纖維織物力學性能

高性能蒙皮材料的制備過程需要考慮織物在蒙皮材料制備過程中的工藝特性,在織物編織過程為了便于工藝操作,對紗線進行了加捻處理。適度加捻有利于織物編織操作,且在拉伸過程中能夠增加紗線內部摩擦力,提高紗線斷裂均勻性,但捻度增加后紗線直徑減小,導致織物穩定性降低,而且與PET薄膜復合的效果也會受影響。加捻對細度為110tex的PBO紗線拉伸性能的影響如表2所示,可以看出,當紗線的捻度分別為30,60,90捻回/米時,紗線的斷裂強力和斷裂伸長率差別較小。綜合考慮,在編織織物時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,分別測試其拉伸斷裂強力,測試結果如圖1所示。由圖1可以看出,在面密度相同而織物類型分別為平紋和斜紋組織時,二者的斷裂強力非常接近,這是由于總體上織物編織密度較低,因纖維紗線的屈曲、摩擦和經緯向耦合作用導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,織物的穩定性有明顯區別,斜紋織物容易發生變形,穩定性不如平紋織物,這將影響到織物在制備蒙皮材料時的工藝特性。

實驗采用的幾種高性能纖維中,PBO為直鏈芳雜環高分子,被認為具有接近高分子極限的強度和模量,拉伸強度最高,UHMWPE的拉伸強度次之,Kevlar29的拉伸強度相對較小。與纖維的拉伸強度相對應,在同樣的面密度時,PBO織物的斷裂強力較高,U HM 2 W PE織物的斷裂強力低于PBO織物,Kevlar織物在三種織物中的斷裂強力最低,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計時對結構參數進行進一步調整的余地。

2.2 高性能蒙皮材料結構與力學性能關系

2.2.1 拉伸性能測試

圖1 不同結構形式高性能纖維織物的斷裂強力與面密度的關系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性能要求和面密度的限制,對蒙皮材料各功能層進行設計,如表3所示,蒙皮材料面密度為178g·cm-2。按照表3所示結構設計制備了多層復合結構蒙皮材料,對其拉伸性能進行測試,同時參照蒙皮材料測試標準測試了PV F/ PET復合薄膜的拉伸性能,結果如表4所示,由表4可以看出,蒙皮材料緯向(Fill)的斷裂強力低于經向(Warp)的斷裂強力,同時緯向的斷裂伸長率略高于經向,另外,與PBO纖維織物及其制備的蒙皮材料相比, PVF/PET復合薄膜的拉伸性能較低,拉伸斷裂強力僅為87.2N·cm-1,且實驗過程中當其伸長率達到蒙皮材料的斷裂伸長率4%時,強力載荷僅為40N· cm-1,對蒙皮材料斷裂強力的貢獻非常小,因此,蒙皮材料的斷裂強力主要來自于織物增強體的貢獻。

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程對力學性能的影響,對其從PBO紗線編織成平紋織物到與薄膜復合得到蒙皮材料的制備過程中表觀拉伸性能的變化進行了分析。按照PBO織物的面密度計算,假定織物中每一根紗線的強力都完全轉化為織物的強力,然后將其與蒙皮材料實際測試的斷裂強力和斷裂伸長率進行比較,結果如圖2所示,由圖2可以看到,蒙皮材料的經、緯向斷裂強力與紗線相比出現了不同程度的降低,經向強力保留87.7%,緯向強力保留77.8%,同時兩個方向的斷裂伸長率都比紗線要高。

圖2 PBO紗線與蒙皮材料的拉伸性能 (a)斷裂強力;(b)斷裂伸長率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,在緯向斷裂強力的測試中,曲線從最高點下降后又出現多次轉折,說明緯向織物斷裂破壞時紗線不同時斷裂,最高點對應的斷裂強力測試值較低;而經向的載荷2位移曲線從最高點下降后應力直線下降,曲線最高點對應的斷裂強力測試值較高,說明在經向斷裂強力的測試中,紗線基本同時斷裂。分析認為,經過紗線編織和織物與薄膜復合等工藝后,蒙皮材料中不同的紗線準直度不盡相同,使得測試時紗線不同時斷裂,導致蒙皮材料與紗線相比斷裂強力降低,伸長率增加,而工藝過程中由于緯向紗線的伸展程度不如經向紗線,導致緯向性能降低更多。因此蒙皮材料制備過程中需要控制工藝條件,提高其結構均勻性,使不同的經、緯紗的張力盡可能一致,才有利于獲得較高的斷裂強力。

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主要破壞方式,蒙皮材料的抗撕裂和撕裂擴展性能代表了蒙皮材料損傷后抑制損傷繼續擴展的能力,亦即蒙皮材料的損傷容限,研究中為了考察不同織物結構形式對蒙皮材料撕破強力的影響,分別選擇PBO纖維和不同細度U HMW PE纖維編織成具有相同面密度的平紋結構增強織物,然后與同樣的PET和PVF薄膜復合為蒙皮材料,測試其梯形試樣撕破強力,結果如表5所示。

表5 蒙皮材料的撕破強力Table 5__Tearing strength of envelope material

由表5可知,不同織物的撕破強力呈現出與蒙皮材料的拉伸性能不同的規律。這是由于撕破行為與織物的拉伸斷裂行為有密切關系,但又具有明顯不同的特征,拉伸斷裂時織物中同一方向的紗線基本上同時受力,在較短時間內受力方向上全部或大部分紗線斷裂,而撕裂破壞時首先是最靠近裂口的一根紗線受力,與此同時,由于織物的變形和滑動,裂口根部的紗線逐漸靠攏,形成一個受力三角形,三角形中第一根紗線受到最大的拉力,當紗線的細度較大時,第一根紗線所能承受的拉力也較大,所以撕破強力與使用的紗線細度具有較大的關系,在受力三角形中的第一根紗線受力的同時,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,織物發生撕破,因此織物的撕破強力要大于單根紗線的斷裂強力,其值大小取決于受力三角形內的紗線數量和紗線的斷裂伸長率,紗線的斷裂伸長率越大,三角形內同時受力的紗線根數越多,撕破強力也就越大[9]。撕裂過程中增強材料的這種破壞機制,導致制備的蒙皮材料撕破強力相應出現了較大的差異,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,通過計算可求得單紗斷裂強力理論值分別為407,73.6,499N,所以E21#蒙皮材料的撕破強力大于E22#蒙皮材料,但小于E23#蒙皮材料。

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

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

3 結論

(1)在幾種不同的高性能纖維織物中,PBO纖維制備的增強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自增強纖維織物的貢獻,主要取決于纖維種類和織物結構。制備蒙皮材料時保持增強織物中經、緯紗具有均勻的張力有助于提高其拉伸斷裂性能。

(3)蒙皮材料的撕破強力除了與采用的纖維種類有關外,還與織物紗線的細度有較大關系,采用細度較大的增強織物有利于提高蒙皮材料的撕破強力。

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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,高級工程師,現從事復合材料研究,聯系地址:北京市81信箱12分箱(100095),E2mail:bintaili @sohu.com