高性能蒙皮材料力学性能研究

李斌(北太京,邢航丽空英材料,周研正究刚院,蒋,北诗京才1 ,陈00祥09宝5)

高性能蒙皮材料力学性能研究

李斌(北太京,邢航丽空英材料,周研正究刚院,蒋,北诗京才1 ,陈00祥09宝5)

研究了不同高性能纤维织物的结构形式与力学性能的关系,几种纤维织物中,聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维制备的增强织物具有较高的拉伸性能。利用高性能纤维织物制备了蒙皮材料,对其力学性能进行测试。结果表明:蒙皮材料拉伸断裂强力主要取决于采用的纤维种类和增强织物结构,而蒙皮材料的撕破强力除了与使用的纤维有关,还与纤维纱线细度有关,纤维纱线细度越大,制备的蒙皮材料撕破强力越高。

蒙皮材料;高性能纤维织物;断裂强力;撕破强力

临近空间低速飞行器由于在军事侦察、空间预警、通信中继和空间探测等领域的应用优势,近些年来日益受到人们的关注[1,2]。蒙皮材料作为飞艇的主体结构材料,其性能的高低直接影响飞艇的应用效能,如浮空高度、持续飞行时间、有效载荷、服役寿命等[3]。

对于工作在平流层以氦气为浮升气体的飞艇,要求采用的蒙皮材料具有较低的面密度,优异的氦气阻隔性能及耐环境性能。由于其在服役过程中蒙皮内外存在压差,因此蒙皮材料必须具有足够的力学性能,如美国联邦航空管理局的飞艇设计准则[4]中,关于蒙皮材料方面的要求包括:(1)可以充压形成超压结构;(2)蒙皮强度不低于限制载荷的4倍;(3)蒙皮在承受限制载荷时撕裂不扩展。日本国家航天实验室在给平流层氦气飞艇项目设定的技术指标中,断裂强力为1000N· cm-1,面密度为180g·cm-2,透氦率不大于2L· (m2·d·0.1M Pa)-1[5]。由于任何单一材料均无法同时满足这些要求,现代的蒙皮材料均采用多层复合结构,一般包括承载层、阻隔层、耐环境和气候层以及各功能层之间的胶黏剂。

在高性能蒙皮材料中,承载单元层一般使用具有较高比强度的高性能纤维织物。目前,对飞艇更高的设计要求也对蒙皮材料的性能提出了新的要求,如Lindstrand HALE飞艇的体积为18000m3,使用的蒙皮材料面密度为295g·cm-2,断裂强力为1460N· cm-1,而若制备体积达20000～40000m3的200米级平流层飞艇,要求蒙皮材料在面密度不超过210g· cm-2的情况下,断裂强力达到1460N·cm-1[6]。近些年来,各种高性能纤维的发展为制备高性能蒙皮材料提供了很大帮助,美国、日本和欧洲等西方国家均对高性能纤维在蒙皮材料中的应用进行了大量的研究,制备的蒙皮材料性能大幅度提高[7,8]。本工作根据蒙皮材料性能和结构设计要求,制备了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维等具有高比强度的高性能纤维织物,考察了其结构形式与力学性能之间的关系,设计制备了多层结构复合蒙皮材料,并对蒙皮材料的力学性能与行为进行了研究与分析。

1 蒙皮材料的制备与实验

1.1 原材料

蒙皮材料增强织物使用的纤维包括:芳纶纤维,牌号Kevlar 29,纱线细度111tex,杜邦公司生产;超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维,纱线细度为23tex和156tex,分别由北京同益中特种纤维技术开发有限公司和北京特斯顿新材料技术发展有限公司生产;聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维,纱线细度110tex,日本东洋纺公司生产。几种纤维的具体性能指标如表1所示。气体阻隔层和耐环境功能层分别选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氟乙烯(PVF)薄膜。蒙皮材料各功能层之间复合采用的聚氨酯胶黏剂由北京泽泰科技有限责任公司提供。

表1 不同高性能纤维的性能___Table 1 Properties of different high performance fibers

1.2 织物与蒙皮材料制备

根据各种纤维纱线的细度,计算出相应面密度织物所需的织物密度,然后将各种纤维编织成不同面密度和平纹、斜纹类型的织物,用以研究各种纤维织物的力学性能。按照特定设计要求利用聚氨酯胶黏剂将纤维织物与PET和PVF薄膜复合在一起,即得到实验用蒙皮材料样品。

1.3 性能测试

断裂强力的测试标准采用GB/T 3923.1—1997《纺织品织物拉伸性能第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》;撕裂性能的测试依据GB/T 3917.3《纺织品织物撕破性能第3部分:梯形试样撕破强力的测定》。

2 结果与分析

2.1 高性能纤维织物力学性能

高性能蒙皮材料的制备过程需要考虑织物在蒙皮材料制备过程中的工艺特性,在织物编织过程为了便于工艺操作,对纱线进行了加捻处理。适度加捻有利于织物编织操作,且在拉伸过程中能够增加纱线内部摩擦力,提高纱线断裂均匀性,但捻度增加后纱线直径减小,导致织物稳定性降低,而且与PET薄膜复合的效果也会受影响。加捻对细度为110tex的PBO纱线拉伸性能的影响如表2所示,可以看出,当纱线的捻度分别为30,60,90捻回/米时,纱线的断裂强力和断裂伸长率差别较小。综合考虑,在编织织物时纤维纱线的捻度均采用30捻回/米。

表2 加捻PBO纱线的拉伸性能______Table 2__Tensile p roperties of tw isted PB___________ Oyarns

将PBO,Kevlar29和UHMWPE纤维编织成具有不同面密度和平纹、斜纹组织的织物,分别测试其拉伸断裂强力,测试结果如图1所示。由图1可以看出,在面密度相同而织物类型分别为平纹和斜纹组织时,二者的断裂强力非常接近,这是由于总体上织物编织密度较低,因纤维纱线的屈曲、摩擦和经纬向耦合作用导致的织物性能差异较小。然而在采用不同的织物组织形式时,织物的稳定性有明显区别,斜纹织物容易发生变形,稳定性不如平纹织物,这将影响到织物在制备蒙皮材料时的工艺特性。

实验采用的几种高性能纤维中,PBO为直链芳杂环高分子,被认为具有接近高分子极限的强度和模量,拉伸强度最高,UHMWPE的拉伸强度次之,Kevlar29的拉伸强度相对较小。与纤维的拉伸强度相对应,在同样的面密度时,PBO织物的断裂强力较高,U HM 2 W PE织物的断裂强力低于PBO织物,Kevlar织物在三种织物中的断裂强力最低,其中小丝束U HMW PE织物由于编织织物的均匀性好,其断裂强力略高于大丝束UHMWPE织物,但是小丝束织物的材料和编织成本都较高。各种织物中,PBO织物具有最高的承载效率,因此有助于降低蒙皮材料的面密度,也增加了在蒙皮材料设计时对结构参数进行进一步调整的余地。

2.2 高性能蒙皮材料结构与力学性能关系

2.2.1 拉伸性能测试

图1 不同结构形式高性能纤维织物的断裂强力与面密度的关系Fig.1 Breaking strength of high performance fabrics with different structural characteristics vs weight

综合考虑高性能蒙皮材料的各项性能要求和面密度的限制,对蒙皮材料各功能层进行设计,如表3所示,蒙皮材料面密度为178g·cm-2。按照表3所示结构设计制备了多层复合结构蒙皮材料,对其拉伸性能进行测试,同时参照蒙皮材料测试标准测试了PV F/ PET复合薄膜的拉伸性能,结果如表4所示,由表4可以看出,蒙皮材料纬向(Fill)的断裂强力低于经向(Warp)的断裂强力,同时纬向的断裂伸长率略高于经向,另外,与PBO纤维织物及其制备的蒙皮材料相比, PVF/PET复合薄膜的拉伸性能较低,拉伸断裂强力仅为87.2N·cm-1,且实验过程中当其伸长率达到蒙皮材料的断裂伸长率4%时,强力载荷仅为40N· cm-1,对蒙皮材料断裂强力的贡献非常小,因此,蒙皮材料的断裂强力主要来自于织物增强体的贡献。

表3 蒙皮材料各功能层及其面密度Table 3 The function components and weight of envelopematerial

表4 蒙皮材料和PVF/PET复合薄膜拉伸性能Table 4 Tensile p ropertiesof envelope material and PVF/PET laminated film______________

为了考察蒙皮材料制备过程对力学性能的影响,对其从PBO纱线编织成平纹织物到与薄膜复合得到蒙皮材料的制备过程中表观拉伸性能的变化进行了分析。按照PBO织物的面密度计算,假定织物中每一根纱线的强力都完全转化为织物的强力,然后将其与蒙皮材料实际测试的断裂强力和断裂伸长率进行比较,结果如图2所示,由图2可以看到,蒙皮材料的经、纬向断裂强力与纱线相比出现了不同程度的降低,经向强力保留87.7%,纬向强力保留77.8%,同时两个方向的断裂伸长率都比纱线要高。

图2 PBO纱线与蒙皮材料的拉伸性能 (a)断裂强力;(b)断裂伸长率Fig.2 Tensile properties of PBO yarn and envelopematerial (a)breaking strength;(b)elongation

蒙皮材料的载荷2位移曲线如图3所示,可以看到,在纬向断裂强力的测试中,曲线从最高点下降后又出现多次转折,说明纬向织物断裂破坏时纱线不同时断裂,最高点对应的断裂强力测试值较低;而经向的载荷2位移曲线从最高点下降后应力直线下降,曲线最高点对应的断裂强力测试值较高,说明在经向断裂强力的测试中,纱线基本同时断裂。分析认为,经过纱线编织和织物与薄膜复合等工艺后,蒙皮材料中不同的纱线准直度不尽相同,使得测试时纱线不同时断裂,导致蒙皮材料与纱线相比断裂强力降低,伸长率增加,而工艺过程中由于纬向纱线的伸展程度不如经向纱线,导致纬向性能降低更多。因此蒙皮材料制备过程中需要控制工艺条件,提高其结构均匀性,使不同的经、纬纱的张力尽可能一致,才有利于获得较高的断裂强力。

2.2.2 撕裂性能

图3 蒙皮材料载荷2位移曲线Fig.3 Load2displacement curve of envelopematerial

撕裂破坏是飞艇蒙皮的一个主要破坏方式,蒙皮材料的抗撕裂和撕裂扩展性能代表了蒙皮材料损伤后抑制损伤继续扩展的能力,亦即蒙皮材料的损伤容限,研究中为了考察不同织物结构形式对蒙皮材料撕破强力的影响,分别选择PBO纤维和不同细度U HMW PE纤维编织成具有相同面密度的平纹结构增强织物,然后与同样的PET和PVF薄膜复合为蒙皮材料,测试其梯形试样撕破强力,结果如表5所示。

表5 蒙皮材料的撕破强力Table 5__Tearing strength of envelope material

由表5可知,不同织物的撕破强力呈现出与蒙皮材料的拉伸性能不同的规律。这是由于撕破行为与织物的拉伸断裂行为有密切关系,但又具有明显不同的特征,拉伸断裂时织物中同一方向的纱线基本上同时受力,在较短时间内受力方向上全部或大部分纱线断裂,而撕裂破坏时首先是最靠近裂口的一根纱线受力,与此同时,由于织物的变形和滑动,裂口根部的纱线逐渐靠拢,形成一个受力三角形,三角形中第一根纱线受到最大的拉力,当纱线的细度较大时,第一根纱线所能承受的拉力也较大,所以撕破强力与使用的纱线细度具有较大的关系,在受力三角形中的第一根纱线受力的同时,其他纱线也共同受力,直至第一根纱线断裂,然后这种破坏方式不断重复,织物发生撕破,因此织物的撕破强力要大于单根纱线的断裂强力,其值大小取决于受力三角形内的纱线数量和纱线的断裂伸长率,纱线的断裂伸长率越大,三角形内同时受力的纱线根数越多,撕破强力也就越大[9]。撕裂过程中增强材料的这种破坏机制,导致制备的蒙皮材料撕破强力相应出现了较大的差异,E21#,E22#,E23#蒙皮材料使用的原材料分别为110tex的PBO纱线,23tex的U HM 2 WPE纱线,156tex的UHMWPE纱线,通过计算可求得单纱断裂强力理论值分别为407,73.6,499N,所以E21#蒙皮材料的撕破强力大于E22#蒙皮材料,但小于E23#蒙皮材料。

以上测试结果说明,与蒙皮材料的拉伸断裂性能相比,撕破强力与纱线本身的拉伸断裂性能关系更大。图4为蒙皮材料撕破强力与采用的纤维纱线断裂强力的比较结果,可以看到,相同面密度时,当PBO和UHMWPE的纱线细度分别为110tex和156tex时,蒙皮材料的撕破强力分别为单束纱线断裂强力的1.4倍和1.2倍,当U HMWPE的纱线细度为23tex时,蒙皮材料的撕破强力为单束纱线断裂强力的4.1倍,可见纱线细度降低时,由于同时受力纱线的数量增加,蒙皮材料的撕破强力与单纱断裂强力相比增加的比例提高,但与纱线细度较大的织物相比,其撕破强力仍较低,因此,采用细度较大的增强织物有利于提高蒙皮材料的撕破强力。

图4 蒙皮材料撕破强力与纱线断裂强力的比较Fig.4 Comparison between tearing strength of envelopematerials and breaking strength of yarns

3 结论

(1)在几种不同的高性能纤维织物中,PBO纤维制备的增强织物具有较高的拉伸断裂性能,有利于提高蒙皮材料的断裂强力,降低蒙皮材料的面密度。

(2)蒙皮材料拉伸断裂性能主要来自增强纤维织物的贡献,主要取决于纤维种类和织物结构。制备蒙皮材料时保持增强织物中经、纬纱具有均匀的张力有助于提高其拉伸断裂性能。

(3)蒙皮材料的撕破强力除了与采用的纤维种类有关外,还与织物纱线的细度有较大关系,采用细度较大的增强织物有利于提高蒙皮材料的撕破强力。

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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,高级工程师,现从事复合材料研究,联系地址:北京市81信箱12分箱(100095),E2mail:bintaili @sohu.com