Kapton薄膜高溫單軸循環拉伸的力學性能

劉 巖, 劉儼震

(長安大學建筑工程學院,陜西 西安 710061)

為適應當前國防和航空事業的發展，完成我國各項深空探測任務，高精度大型空間可展開天線的需求越來越迫切.充氣可展結構作為一種有前景的可折疊展開結構，代表著未來深空可展天線的發展方向之一[1-5].它在地面發射時為折疊收納狀態，收藏在整流罩內.待航天器進入空間軌道后，再由地面控制指令使其在空間軌道上按照設計要求逐步完成展開動作，最后鎖定并保持為運營工作狀態.

當天線沿空間軌道運行時，其相對太陽和地球的位置、方向不斷變化(如圖 1所示)，周期性地經受太陽直射和進入地球陰影區[6-7].具體表現為：在軌運行天線，從正照區(位置1)到陰影區(位置5)再回到正照區的過程中，其溫度變化表現為先逐漸降低，再逐漸升高；進出陰影區時存在較大的溫度突變，經歷的高低溫變化幅度可達-180 ℃～+180 ℃，屬于極端溫度作用.這樣周期性的溫度變化會使得反射面膜面應力呈變動狀態，這必然會使得反射面膜材產生殘余變形，致使膜面的預張力降低，影響膜材的使用.而對于充氣可展膜結構而言，預張力是膜面成形并具備整體剛度的必要條件，預張力的損失會導致結構存在安全隱患，輕者會在膜面出現褶皺，重者會使膜面剛度失效而導致整體失效.研究Kapton膜材在循環荷載作用下的剛度及強度變化規律等，是確定膜材強度設計值、膜結構裁剪縮小率、張力調節裝置等的重要前提.而Kapton薄膜是美國杜邦公司生產的一種具有明顯黏彈性的高分子聚合物膜材，具有優良的化學穩定性、耐高溫性、堅韌性、耐磨性、阻燃性、電絕緣性等.其誕生至今短短幾十年，廣泛應用于空間可展結構中.但與傳統的建筑膜材相比，其膜材的力學性能研究仍相對落后.目前國內外對于膜材在循環應力作用下的研究多集中在建筑織物材料及飛艇蒙皮材料方面：羅仁安等[8]基于雙軸試驗，研究了PVC膜材的應力-應變關系、殘余應變、滯回曲線；張營營等[9]對PTFE/GF和PVC/PES膜材的單軸拉伸破壞、循環加載變形及力學性能進行了研究；陳建穩等[10]對全新飛艇蒙皮膜材Uretek3216L進行了單軸循環拉伸試驗，探討了膜材本構關系及彈性模量隨循環次數的變化規律；陳務軍等[11]考察了ETFE及PTFE膜材的單軸反復加載性能，提出了相應的擬合公式.而關于Kapton膜材的研究較少，且研究主要圍繞在Kapton膜材的化學制備、制作工藝等方面[12-14]，關于Kapton膜材的在不同溫度工況下的力學性能研究較為缺乏，尤其是在循環應力作用下的力學性能尚未看到相關報道，無法判斷其是否滿足在航空航天領域中的應用.

圖1 太陽照射的不同軌道位置Fig.1 Different orbit position during solar illumination

為了深入研究Kapton膜材的材料特性，進一步積累材料特性數據，本文對Kapton膜進行高溫作用下單軸循環拉伸試驗，探討了經循環拉伸后膜材的力學性能變化規律，為這類新型膜材在充氣可展結構中的應用提供參考.

1 單軸循環拉伸試驗

1.1 試件尺寸

Kapton膜材參照塑料薄膜拉伸試驗國家標準[15-16]，試驗采用長條形試件，分別沿Kapton膜材MD向(沿膜材長度方向)和TD向(垂直膜材長度方向)裁切矩形條狀試樣(如圖2和3)，具體裁切時按照圖2所示每個方向選取試樣距離整卷膜材端部大于等于3 m，距整卷膜材側邊部大于等于100 mm，均勻的在膜材卷上取樣.同時，結合低溫環境箱內部空間尺寸以及拉伸器行程，試件總長度為150 mm，寬度為25 mm，厚度25 μm，夾持端長25 mm，有效拉伸區域為100 mm×25 mm，夾持端采用2 mm厚的鋁片進行加固，試件的尺寸設置見圖4.

圖2 Kapton膜片試樣裁剪示意Fig.2 Trimmed specimens for Kapton foil

圖3 Kapton膜材長條型拉伸試樣Fig.3 Strip specimens of Kapton foils

圖4 試樣的幾何尺寸Fig.4 Geometry of specimen

1.2 試驗溫度

試驗共設置6種溫度工況，分別為20 ℃、50 ℃、80 ℃、110 ℃、140 ℃、170 ℃.

1.3 試驗設備及加載制度

試驗設備采用INSTRON5965電子紅外拉伸試驗機(圖5(a))，夾具采用手動楔形夾具，試驗機最大載荷5 kN，帶有高溫環境箱(圖5(b))，該高溫試驗采用電加熱，將環境箱中的溫度調節至預設溫度.試驗開始時，在夾具中央夾緊試樣，使其縱向中心線通過夾持面的中心線，保證拉力中心線通過試樣的中心線.將膜片試樣放入高溫環境箱，待其達到目標溫度后，保持20 min，使其恒溫穩定后開啟試驗機進行試樣的拉伸，配置引伸計測量標線間的應變.拉伸初始時刻，首先對膜材進行預張拉，預張力大小約為3 N，接下來采用上述位移控制將試件常速拉伸至破壞，同步實時記錄荷載-位移曲線.試驗數據采集頻率為20 Hz.試驗采用三角波加載，循環加載5次，拉伸速率為10 mm/min，最大拉力為對應溫度下1/4單軸拉伸強度，卸載時最小控制應力為1 MPa，具體數據見表1，考慮到Kapton薄膜力學性能的離散型，各組工況均選取5個試件.

圖5 試驗設備

表1 不同溫度下Kapton薄膜的1/4單軸拉伸強度

2 應力-應變關系曲線

各溫度下單軸循環加載試件的應力-應變關系曲線如圖6和圖7所示，礙于篇幅這里僅列出3種溫度工況下的應力-應變關系曲線.

圖6 各溫度下單軸循環加載試件的應力-應變關系曲線(MD)Fig.6 Relationships of stress-strain under uniaxial cyclic loading for different temperatures(MD)

圖7 各溫度下單軸循環加載試件的應力-應變關系曲線(TD)Fig.7 Relationships of stress-strain under uniaxial cyclic loading for different temperatures(TD)

由應力-應變關系曲線可得：各溫度作用下的第一次加載曲線與對應溫度作用下的單軸拉伸曲線一致，

即隨著溫度的增大，MD和TD試件的應變逐漸增大，且同溫度作用下TD的應變大于MD；第一次加載曲線具有明顯的非線性特征，試件第一次卸載后的應變大于相同加載應力(1 MPa)作用時所對應的應變量，因為試件產生了不可恢復的殘余應變，其初次加卸載的殘余應變均值以80 ℃工況為例，MD為0.304%，TD為0.503%.隨著循環次數的增加，滯回曲線所圍成的面積在逐漸減小，殘余應變的增加量也在逐漸減小；5次循環后，隨著溫度由20 ℃增加至170 ℃，MD試件的殘余應變由0.232%增至0.841%，TD試件的殘余應變由0.303%增至1.05%.可見溫度對Kapton膜材的殘余應變有著顯著的影響，分析認為隨著溫度的升高膜材會逐步被“燙軟”，發生脆-韌轉變，使得材料的脆性降低，韌性增強，因此最終會導致Kapton膜材在循環拉伸結束后，材料的殘余應變量隨著溫度的升高而增大；以170 ℃工況下MD和TD的單軸循環拉伸結果為例，分析循環次數對Kapton膜材非線性特征的影響，選取各循環的加載上升段去除殘余應變，得到兩組應力-應變曲線(圖8).由圖8可知：隨著加載次數的增加，膜材的非線性特征逐漸減弱，而線性特征逐漸增強，同時任一加載曲線與卸載曲線均不重合，這表明Kapton膜材具有明顯的黏彈性和黏塑性特征.

圖8 去除殘余應變后單軸循環加載下試樣的應力-應變曲線Fig.8 The stress-strain curvess of specimens without residual strain under uniaxial cyclic loading

3 彈性模量

為評價單軸循環加載對Kapton膜材彈性特性的影響，對加卸載階段應力-應變曲線的割線(加載曲線的最低點和最高點的連線)斜率進行求解，將割線斜率近似等效為循環加載過程的彈性模量E，取5組試件試驗結果的平均值[17-21]，以20 ℃工況為例分別討論循環次數和試驗溫度對彈性模量的影響，具體數據如表2所示.

表2 20 ℃各組單軸循環加載彈性模量及其平均值

3.1 循環加載次數對彈性模量的影響

取20 ℃工況下的試驗結果來進行分析，并由式(1)計算彈性模量增大幅度，

f={[E(i+1)-E(i)]/[E(5)-E(1)]}×100%,

(1)

其中f為增大幅度，E(i)為第i次循環時的彈性模量.各循環次數對應的彈性模量及其增大幅度如表3所示.

從表3中數據可得，隨著循環次數的增加，MD和TD的彈性模量均大幅度提高，第5次循環的彈性模量同第1次循環的彈性模量相比，MD增大了204 MPa，TD增大了207 MPa，分別增大了9.46%和11.21%.相鄰循環間的增大幅度f的最大值在第2次循環時出現，MD和TD的增大幅度分別為79.93%

表3 單軸循環加載彈性模量及其增幅

和72.08%，隨著循環次數的增大，相鄰循環間彈性模量的增大幅度逐步減小，趨于平緩.通過擬合式(2)和式(3)分別對MD和TD單軸循環加載彈性模量進行預測，MD經過8次循環加載后彈性模量增大幅度為0.81%，TD經過8次循環加載后彈性模量增大幅度為0.96%，表明Kapton膜材在循環加載8次后彈性模量可以認為達到穩定.

EMD=e[7.775-0.034/(n-0.653)]，

(2)

ETD=e[7.639-0.065/(n-0.448)]，

(3)

n表示循環次數.

為驗證上述預測的可靠性，20 ℃工況下對膜材試樣進行8次單軸循環加載試驗，數據如表4所示.

由表4可以看出經8次循環加載后，MD和TD循環加載彈性模量增大幅度分別為0.87%和0.71%，故可以認為Kapton膜材試樣在單軸循環加載8次后彈性模量達到穩定.

表4 8次單軸循環加載膜材的彈性模量及其增幅(20 ℃)

3.2 高溫對彈性模量的影響

取各溫度下第5次循環加載的彈性模量來進行分析，各溫度下彈性模量分布見圖9.隨著溫度的增大，MD和TD的單軸循環加載彈性模量均大幅減小，170 ℃下單軸循環拉伸的彈性模量同20 ℃下的彈性模量相比，MD減少了965 MPa，TD減少了875 MPa，分別減小了40.87%和42.62%.可見溫度的變化對MD和TD的影響效果較為一致，但MD的彈性模量大于TD的彈性模量，分析認為造成該差異的原因是Kapton薄膜在制備過程中的牽引、固化等制作工藝和膜材微觀分子鏈擇優取向[22]的共同作用導致的.斷裂的分子理論認為，材料發生破壞時，微觀上要發生相應的某種分子運動或向活化態的轉變，隨著溫度的升高，膜材內部分子熱運動加劇，分子鍵能減弱，受到外力時易發生斷裂，表現為材料強度和模量的下降；反之隨著溫度的降低，分子運動減弱，分子鍵的作用加強，在固定的時間間隔內，將使實現這種分子運動或轉變的機會減少，從而使材料的強度和模量提高.故隨著溫度的升高，Kapton膜材的彈性模量呈現出逐步降低的結果，通過式(4)和式(5)分別擬合溫度對Kapton膜材MD和TD單軸循環拉伸彈性模量的影響.

圖9 單軸循環拉伸彈性模量與溫度之間的關系Fig.9 The relationship between modulus and temperature under uniaxial cyclic loading

EMD=0.01T2-8.77T+2 598.15,

(4)

ETD=0.018T2-9.66T+2 288.85，

(5)

其中T表示溫度工況.

4 棘輪應變

棘輪應變表示材料在承受循環荷載作用時所產生的漸進變形，對結構的形狀和受力等有著影響，是實際工程中需要考慮的重要問題之一[23].Kapton膜材在單軸循環拉伸過程中，最大加載應力作用下的變形明顯大于最小加載應力下的變形(如圖10(a)所示)，這表明棘輪應變與材料所受應力狀態有關.本文主要討論溫度對棘輪應變的影響，第5次循環加載完成后Kapton薄膜的最大棘輪應變εmax和最小棘輪應變εmin隨溫度的變化規律如圖10(b)和(c)所示.

從圖10(b)和(c)中可以看出，隨著溫度的升高，Kapton膜材單軸循環拉伸的最大棘輪應變εmax和最小棘輪應變εmin都隨著溫度的增大而增大，MD方向上εmax的變化范圍在1.82%～2.83%，均值為2.25%，εmin的變化范圍在0.23%～0.97%之間，均值為0.54%；TD方向上εmax的變化范圍在1.97%～3.22%，均值為2.66%，εmin的變化范圍在0.30%～1.10% 之間，均值為0.77%，可見溫度對TD方向上的棘輪應變影響更大.

圖10 最大棘輪應變εmax和最小棘輪應變εmin與應變、溫度的關系

5 滯回環面積

Kapton膜材具有黏彈塑性特征，在循環荷載的作用下，由于黏滯效應導致產生能量耗散，加載段曲線同卸載段曲線沒有重合在一起，二者所圍成的面積稱為滯回環面積，其大小能夠較為直接的反映出能量耗散的情況，是分析結構在承受循環荷載過程中的剛度退化、變形特征和能量耗散問題的重要依據.計算原理見圖11.

圖11 滯回環面積計算示意圖Fig.11 Hysteresis loop area calculation

不同溫度下Kapton膜材滯回環面積與循環次數的關系如圖12所示，從圖中可以看出滯回環面積A隨著循環加載次數的增加而減小，尤其是第1次循環至第2次循環的下降幅度最大，MD和TD的平均下降幅度分別為47.30%和47.81%；此外隨著循環次數的增加，滯回環面積的減小幅度逐漸降低并趨于穩定，第5次循環完成后，MD和TD的平均下降幅度僅為7.42%和7.16%.這表明隨著循環次數的增加，Kapton膜材主要產生可恢復的彈性應變能，而塑性應變能則逐步減小.隨著溫度的升高，同一循環過程中，滯回環面積也是增大的.首次循環過程中，將170 ℃工況下的滯回環面積同20 ℃工況下的滯回環面積進行比較發現，MD增大幅度為176%，TD增大幅度為140%.可見溫度對Kapton膜材的耗能性能有著顯著的影響，溫度升高，在原有能量耗散的基礎上，Kapton膜材內部分子熱運動加劇進一步對能量進行消耗，宏觀上表現為膜材塑性變形性能提高.

圖12 不同溫度下Kapton膜材滯回環面積與循環次數的關系Fig.12 The relationships between hysteresis loop area and cycles for Kapton foils under different temperatures

6 結 論

1) Kapton膜材在循環加卸載完成后，產生了不可恢復的殘余應變；溫度對Kapton膜材的殘余應變有著顯著的影響，高溫環境下膜材發生脆-韌轉變，殘余應變量隨著溫度的提高而增大；隨著循環次數的增加，膜材的非線性特征逐漸減弱，而線性特征逐漸增強，同時任一加載曲線與卸載曲線均不重合，這表明Kapton膜材具有明顯的黏彈性和黏塑性特征.

2) MD和TD的彈性模量隨著循環次數增大均大幅度提高，但相鄰循環間彈性模量的增大幅度逐步減小，趨于平緩.通過建立擬合公式對Kapton膜材單軸循環加載彈性模量進行預測，Kapton膜材在循環加載8次后彈性模量可以認為達到穩定；隨著溫度的升高，Kapton膜材的單軸循環加載彈性模量均大幅減小，通過建立擬合公式來表示Kapton膜材單軸循環加載過程中溫度和彈性模量之間的關系.

3) Kapton膜材單軸循環拉伸的最大棘輪應變εmax和最小棘輪應變εmin均隨溫度的升高而增大；隨著循環次數的增加，Kapton膜材的滯回環面積逐漸減小，產生可恢復的彈性應變能，而塑性應變能則逐漸減小；溫度的升高使得膜材內部分子運動加劇，Kapton膜材的耗能性能提高，宏觀上表現為塑性性能提高，滯回環面積隨溫度的增大而增大.