球形天线球面材料的力学性能研究*

周 琪 蒋经华 陈南梁

1. 东华大学纺织学院，上海201620；2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海201620

球形天线球面材料的力学性能研究*

周 琪1蒋经华2陈南梁1,2

1. 东华大学纺织学院，上海201620；2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海201620

为研究球形天线球面材料所需具备的力学性能，在标准试验室环境中对TPU涂层高强涤纶机织布进行单向拉伸、抗撕裂及顶破等力学性能测试，并测试2种拼接方式对球形天线球面材料单向拉伸性能的影响，以及TPU涂层高强涤纶机织布经质量分数皆为20%的盐酸和氢氧化钠溶液腐蚀后的单向拉伸性能。结果表明：TPU涂层高强涤纶机织布经向拉伸断裂强力大于纬向；曲面拼接的球形天线球面材料的拉伸断裂强力大于平面拼接的球形天线球面材料；TPU涂层高强涤纶机织布耐碱蚀性能优于耐酸蚀性能。

球形天线，球面材料，TPU涂层高强涤纶机织布，单向拉伸，抗撕裂，顶破，拼接

近年来，世界范围内突发性的自然灾害呈上升趋势，洪水、海啸、飓风、雪灾、地震等频频发生，安全问题已成为各国关注的焦点[1]。充气式球形天线具有质量轻、叠后体积小、制作成本低、展开可靠性高、坚固、形状易设计等优点[2]，它能有效解决便携式固面拆卸天线所带来的问题，极大地提高险恶环境中的信息化水平，在通讯领域具有很大的利用价值[3]。目前，天线结构和材料技术是充气式球形天线亟需解决的主要关键技术。

当前，关于球形天线的研究主要集中在球形天线的结构优化设计方面[4-5]，而关于陆地用充气式球形天线的制作过程和制作材料的研究相对较少。本课题组在前期研究中初步确定了球形天线的制作工艺，并选取不同规格高强涤纶丝的PVC夹网布制作球形天线的球面材料[6]。充气式球形天线及其结构如图1[7]所示。但后期试验发现PVC夹网布还存在一定的缺陷，如PVC在低温时易发脆，在加工、使用过程中易受热、光、氧的作用而降解老化[8-9]。

(a) 实例

(b) 结构

TPU涂层高强涤纶机织布是以高强涤纶机织物作为增强材料、TPU作为涂层材料，制作而成的一种膜结构复合材料[10]。其中，增强材料高强涤纶机织物具有强度高、质量轻、耐用、拉伸性能好及价格便宜等优点；涂层材料TPU为改良的聚氨酯(PU)，其具有耐油、耐磨、耐低温、不龟裂、不易从基布表面脱落、强度与弹性高，以及低温屈挠性好、黏接性能优良、价格适中等独特的综合性能优势，且手感柔软，还具备防水与透气性能，可降解，埋于土壤中可以被水解为无毒性物质，符合环保要求[11-12]。这些性能赋予了TPU涂层高强涤纶机织布轻质、高强、卫生、环保等特性[13]。因此，本文选用TPU涂层高强涤纶机织布作为制备球形天线的球面材料。

球形天线球面材料在应用中会遭受各种外力的作用，因此，对球形天线球面材料的力学性能研究非常重要。且目前球形天线球面材料的制作主要是通过拼接的方式实现的，因此，研究球形天线球面材料的拼接方式，以及拼接后球形天线球面材料的力学性能，十分必要。另外，球形天线的应用环境——气候多变且险恶，故对球形天线球面材料的酸碱稳定性研究也十分必要。因此，本文在标准试验室环境中，对TPU涂层高强涤纶机织布进行了拉伸、撕裂、顶破等力学性能测试；比较了两种不同拼接方式对球面天线球面材料单向拉伸性能的影响；对经质量分数皆为20%的盐酸和氢氧化钠溶液腐蚀后的TPU涂层高强涤纶机织布进行了单向拉伸性能测试。

1 试验材料

1.1 TPU涂层高强涤纶机织布

根据球形天线球面材料的力学、电学等性能要求，并结合课题组前期所选球形天线球面材料——PVC夹网布的力学性能测试结果，确定本文选用TPU涂层高强涤纶机织布作为球形天线球面材料，其具体规格参数见表1。

表1 TPU涂层高强涤纶机织布规格参数

1.2 TPU涂层高强涤纶机织布的拼接

球形天线球面材料是将单片的裁剪片，通过加热熨斗在曲面球形拼接模具上热压相互拼接而形成的(图2和图3)。其中，平面拼接是指利用平面的加热熨斗在曲面球形拼接模具上热压；曲面拼接是指利用曲面的加热熨斗在曲面球形拼接模具上热压，其加热熨斗的曲率与曲面球形拼接模具热压面接近。

图2 曲面球形拼接模具模型

图3 拼接实例

1.3 TPU涂层高强涤纶机织布的酸碱处理

将TPU涂层高强涤纶机织布分组标记并分别放置于质量分数皆为20%的盐酸和氢氧化钠溶液中，密封，在标准试验室环境下静置腐蚀8、 16、 24、 32、 40 h，然后取出洗净、干燥，待用。

2 测试方法

2.1 TPU涂层高强涤纶机织布

2.1.1 单向拉伸性能

在球形天线球面材料前期的研究中，单向拉伸性能测试参照DIN 53354-1981《人造革的检验：拉伸试验》进行，故本文的单向拉伸性能测试同样也参照此标准。单向拉伸性能测试使用多功能电子织物强力仪进行，采用等速伸长模式，测试拉伸速度为100 mm/min。

单向拉伸测试样为矩形(长度为300.00 mm、宽度为50.00 mm)，拉伸隔距设定为200.00 mm、两端夹持长度设定为50.00 mm(图4)。经、纬向试样各准备5块。

图4 单向拉伸试样测试示意

测试时环境温度和相对湿度分别控制在(20±2)℃和(65±5)%。此外，为防止单向拉伸性能测试过程中试样产生滑移，避免试样非正常拉伸断裂，特在夹持钳口处用牛皮纸对试样进行保护处理。

2.1.2 抗撕裂性能

根据ASTM D 5733-1995《非织造织物抗撕裂强度的梯形法标准试验方法》测试TPU涂层高强涤纶机织布的抗撕裂性能。制备梯形抗撕裂性能测试样(图5)，试样总长度为150.00 mm、宽度为75.00 mm。 使用多功能电子织物强力仪，夹持使得试样下底长度为100.00 mm、上底长度为25.00 mm，并沿梯形上底正中位置裁剪长度为15.00 mm的小口。

图5 撕裂测试试样示意

测试时环境温度和相对湿度分别控制在(20±2)℃和(65±5)%。

2.1.3 顶破性能

根据GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》测试TPU涂层高强涤纶机织布的顶破性能，使用多功能电子织物强力仪。顶破性能测试样为圆形，半径为30.00 mm。

测试时环境温度和相对湿度分别控制在(20±2)℃和(65±5)%。

2.2 拼接后球形天线球面材料的单向拉伸性能

为研究曲面拼接和平面拼接2种拼接方式对球形天线球面材料单向拉伸性能的影响，选取TPU涂层高强涤纶机织布和PVC夹网机织布，分别用曲面拼接和平面拼接的方式，对裁剪片进行热压、胶接。2种材料、2种拼接方式所得球形天线球面材料试样各取5块。因主要测试拼缝的单向拉伸性能，所以仍按照拉伸试验标准来设计，具体测试同本文2.1.1节。

2.3 酸碱腐蚀后的TPU涂层高强涤纶机织布的单向拉伸性能

沿经向和纬向各准备60块矩形的酸碱腐蚀后的TPU涂层高强涤纶机织布，用于酸碱腐蚀后的TPU涂层高强涤纶机织布的单向拉伸试验。具体测试同本文2.1.1节。

3 试验数据与结果分析

3.1 TPU涂层高强涤纶机织布

3.1.1 单向拉伸性能

所得TPU涂层高强涤纶机织布的单向拉伸测试结果归纳于表2。

表2 TPU涂层高强涤纶机织布单向拉伸测试结果

3.1.2 抗撕裂性能

TPU涂层高强涤纶机织布经向和纬向抗撕裂性能测试结果见表3和图6。

表3 TPU涂层高强涤纶机织布撕裂测试结果

图6 TPU涂层高强涤纶机织布撕裂曲线

在机织布的梯形撕裂过程中，撕裂是由拉伸作用造成的[14]。受拉系统在载荷作用下，系统纱线开始伸直、变形而形成受力三角区；随着受拉系统承受的载荷逐渐增大，系统纱线产生较大形变，受力三角区逐渐变大，受力三角区的纱线根数增多，撕裂强力增大；继而系统纱线发生断裂，受力三角区发生移动，直到受力三角区的纱线根数达到最多，受力三角区的变形最大，此时系统的撕裂强力值达到最大。

TPU涂层高强涤纶机织布经向撕裂强力大于纬向，主要是因为TPU涂层高强涤纶机织布经密大于纬密，经向撕裂过程中所形成的受力三角区中承载负荷的纱线根数多，故受力三角区能承受较大形变，撕裂强力较大，而纬向撕裂时所形成的受力三角区中承载负荷的受力纱线根数相对较少，故撕裂强力较小。

3.1.3 顶破性能

TPU涂层高强涤纶机织布顶破试验的测试结果如表4和图7所示。

表4 TPU涂层高强涤纶机织布顶破测试结果

图7 TPU涂层高强涤纶机织布顶破曲线

图7为典型的顶破曲线。TPU涂层高强涤纶机织布在受到顶破作用时，圆头顶伸件与TPU涂层高强涤纶机织布由点接触变为面接触，TPU涂层高强涤纶机织布沿负荷能力小的方向产生纱线变形、断裂直至试样完成顶破。顶破缺口沿经向呈直线形，表明织物沿经向负荷承载能力优于纬向，这个结论与织物单向拉伸测试结果是一致的。

3.2 拼接后球形天线球面材料

拼接所得球形天线球面材料的单向拉伸性能如图8所示。

(a) PVC夹网机织布

(b) TPU涂层高强涤纶机织布

从图8的单向拉伸曲线可知：曲面拼接的球形天线球面材料的拉伸断裂强力均高于平面拼接的球形天线球面材料；无论是曲面拼接还是平面拼接，使用TPU涂层高强涤纶机织布的球形天线球面材料的拉伸断裂强力均高于使用PVC夹网机织布的球形天线球面材料；曲面拼接的球形天线球面材料的拉伸断裂线大多处在拼接线两侧的弱节处，这说明曲面拼接的球形天线球面材料拼接处的拉伸断裂强力高于机织布自身的拉伸断裂强力，而平面拼接的球形天线球面材料的拉伸断裂线大多处在拼接处，这说明平面拼接的球形天线球面材料拼接处的拉伸断裂强力低于机织布自身的拉伸断裂强力。究其原因在于，曲面拼接时机织布与曲面模具贴合更平整，热压时布面受力和受热更均匀，胶膜均匀熔化于拼接处，不会在拼接处形成凹凸，而平面拼接时机织布经平面熨斗与曲面模具贴合，易出现受力和受热不均，使得拼接处出现凹凸，形成了拉伸弱节。

3.3 酸碱腐蚀后的TPU涂层高强涤纶机织布

图9反映了TPU涂层高强涤纶机织布拉伸断裂强力随酸蚀时间的变化：0～8 h内，TPU涂层高强涤纶机织布沿经向和纬向的拉伸断裂强力都迅速下降；8 h时，经向拉伸断裂强力下降到未酸蚀材料经向强力的52.74%，纬向拉伸断裂强力下降到未酸蚀材料纬向强力的63.28%；8～32 h内，经向拉伸断裂强力又缓慢下降了11.95%，纬向拉伸断裂强力又缓慢下降了13.23%。究其原因在于，酸性环境中，H+能显著加速TPU涂层与水发生水解反应，使TPU分子链发生断裂，TPU涂层力学性能变差，因此，在酸蚀的0～8 h内，TPU涂层高强涤纶机织布的拉伸断裂强力快速下降，且随着TPU涂层的水解，TPU涂层与涤纶基布结合牢度快速降低，这进一步促使TPU涂层高强涤纶机织布的断裂强力下降。

图9 TPU涂层高强涤纶机织布拉伸断裂强力随酸蚀时间的变化

图10为TPU涂层高强涤纶机织布拉伸断裂强力随碱蚀时间的变化：TPU涂层高强涤纶机织布在碱蚀的0～32 h，其经向和纬向的拉伸断裂强力分别曲折缓慢地下降了26.85%和13.12%；在碱蚀的32～ 40 h，经向和纬向的拉伸断裂强力却回复至初始的经向和纬向断裂强力。在碱性环境中，涤纶大分子中的酯基(—COO)在碱液中发生水解反应，因此在碱蚀的0～32 h，随着NaOH缓慢渗透到涤纶基布，TPU涂层高强涤纶机织布的拉伸断裂强力小幅度下降。但由于试验过程使用的是不同的试样经历不同时间的腐蚀，故随着碱液渗透程度的不同，拉伸断裂强力曲线呈现出上下波动的下降趋势。

图10 TPU涂层高强涤纶机织布拉伸断裂强力随碱蚀时间的变化

总之，以上是TPU涂层在酸性条件下水解、涤纶基布在碱性条件下水解，以及涂层与基布结合牢度变化等共同作用的结果；且可以发现，TPU涂层高强涤纶机织布拉伸断裂强力受碱蚀的影响相对较小。

4 结论

在标准试验条件下对TPU涂层高强涤纶机织布进行了拉伸、撕裂、顶破等力学性能测试；测试了曲面拼接和平面拼接2种方式对球形天线球面材料单向拉伸性能的影响；测试了TPU涂层高强涤纶机织布经质量分数皆为20%的盐酸和氢氧化钠溶液腐蚀后的力学拉伸性能，得出：

(1) TPU涂层高强涤纶机织布经向拉伸断裂强力高于纬向，经向抗撕裂能力优于纬向，顶破缺口表现为纬纱的断裂；

(2) 曲面拼接的球形天线球面材料的拉伸断裂强力大于平面拼接的球形天线球面材料；

(3) TPU涂层高强涤纶机织布的耐碱腐蚀性优于耐酸腐蚀性。酸蚀后的TPU涂层高强涤纶机织布拉伸断裂强力下降得更快、更多，而相同质量分数的氢氧化钠溶液对TPU涂层高强涤纶机织布拉伸断裂强力的影响较小。

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Study on mechanical properties of spherical materials in the spherical antenna

ZhouQi1，JiangJinghua2，ChenNanliang1,2

1. College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China; 2. Engineering Research Center of Technical Textile, Ministry of Education， Donghua University, Shanghai 201620，China

In order to study required mechanical properties of spherical materials in the spherical antenna，the mechanical properties, such as the one-way tension, the tearing resistance and the bursting, of the TPU coated high-strength polyester woven fabric were tested, two stitching methods affecting the one-way tensile properties of spherical materials in the spherical antenna were studied, and the one-way tensile properties of the TPU coated high-strength polyester woven fabric after corrosion with 20%(w.t.) hydrochloric acid solution and sodium hydroxide solution were tested in the standard laboratory environment. The results showed that, the tensile breaking strength in the warp direction of the TPU coated high-strength polyester woven fabric was greater than that in the weft direction, the tensile breaking strength of spherical materials in the spherical antenna by curve surface stitching was greater than that by plane stitching, and the ability of alkali corrosion resistance of the TPU coated high-strength polyester woven fabric was superior to that of the acid corrosion resistance.

spherical antenna, spherical material,TPU coated high-strength polyester woven fabric, one-way tensile, tearing resistance, burst, stitch

*中国纺织工业联合会应用技术研究项目(J201507)；高性能纤维及制品教育部重点实验室资助课题(277-10-0001036)

2016-07-18

周琪，女，1992年生，在读硕士研究生，研究方向为陆地用球形充气天线的优化制作

陈南梁，E-mail：nlch@dhu.edu.cn

TS101.8， TN823+.32

A

1004-7093(2017)03-0022-06