老化与折皱损伤对飞艇囊体材料单轴拉伸力学性能影响

程书通，张云浩，杜嘉豪，张大旭，陈务军，鲁国富，张金奎

(1. 上海交通大学 a.船舶海洋与建筑工程学院；b.空间结构研究中心，上海 200240；2. 中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448000)

飞艇起源于1784年的法国，因驻空位置不受限制且可以长期滞空而拥有其他飞行器无可比拟的优势，因此成为世界上主要军事大国的研究热点[1-2]。就结构体系而言，飞艇分为硬式飞艇和软式飞艇两类，其中软式飞艇为目前主要采用的结构形式。软式飞艇的悬挂体系较为复杂，并且变形较大[3]。浮空器气囊作为软式飞艇的重要组成部分，在保持飞艇气动外形、结构刚度和载荷力流传递方面具有重要作用。气囊由蒙皮织物材料焊接制成，因此蒙皮材料的力学性能对飞艇工程设计与结构计算分析至关重要[4]。

国内外学者对飞艇囊体材料的单、双轴力学行为已经进行了广泛的研究。在国内，秦朝中等[5]通过试验对囊体材料的撕裂特性和加强筋的止裂效果进行了研究，并利用数值模拟研究了囊体材料局部破裂后破口处气体外泄的非定常流场结构及其演变过程。李伟等[6]基于复合材料弹性矩阵对偏轴拉伸试验测量囊体材料剪切模量的方法进行了理论分析。颜标[7]利用应变片对囊体材料进行测试，研究了应变片在非线性应变中的表现特性，验证了其在浮空器囊体材料中测试应用的可行性。陈建稳等[8]对膜材Uretek3216L进行了单、双轴试验，探讨了材料的非线性以及正交异性在应力、应变和弹性模量中的体现，分析了膜材Uretek3216-LV的中心切缝撕裂破坏强度，并应用Griffith能量理论推导了蒙皮材料的抗撕裂强度公式。高海健等[9]对3种飞艇囊体材料进行了单轴拉伸试验与分析研究，得到了强度、变形、徐变等力学性能参数值。何世赞等[10]对Uretek5876材料在7个偏轴方向上单轴拉伸循环试验的结果进行分析，得出了残余应变和弹性模量随循环次数的变化规律，使用VIC-2D数字散斑测量系统测量了膜材拉伸的位移场和应变场，并对膜材的破坏机制进行分析。在国外，Kang等[11]对一种芳香聚酰胺平纹织物膜材进行了高、低温单轴拉伸试验，借助有限元单胞模型对膜材的单向拉伸性能进行了模拟分析。Komatsu等[12]进行了几种飞艇囊体材料单轴拉伸试验，研究了不同温度下膜材的搭接强度及徐变特征。

综上所述可知，已有文献多是对全新囊体材料的力学性能进行研究。然而，飞艇气囊结构在加工、运输、存放和服役过程中不可避免会发生老化和折皱损伤，因此，非常有必要对老化和折皱损伤后的囊体材料力学性能进行研究，从而为飞艇结构的设计和分析提供依据。本文以飞艇囊体材料Uretek3216-LV为研究对象，其主要由Vectran基布和聚氟乙烯(polyvinyl fluoride, PVF)面层及各功能膜层复合而成，是一种高性能层压复合织物材料，具有强度高、质量轻、耐候性强、阻氦气渗透性好等特点。采用户外暴露和揉搓试验方法分别模拟飞艇气囊材料的老化和折皱损伤，并对材料经、纬向进行单轴拉伸强度和拉伸循环试验。通过对Uretek3216-LV材料开展老化与折皱试验研究，揭示了短期老化(1、 3、 8、 12个月户外暴露)、折皱损伤(20、 270、 900、 2 700次全揉搓)，以及二者共同作用对材料经、纬向单轴拉伸强度和弹性模量的影响规律。

1 试验方法

1.1 老化试验

通常飞艇服役时间为5～10年，受试验条件限制，本文对囊体材料的短期老化进行研究。根据GB/T 17603—1998，将Uretek3216-LV囊体材料置于室外屋顶天台，使其在暴露环境下自然老化。试样经向长为550 mm，纬向长为1 420 mm，共5批材料，其中，1批作为对照组不进行老化试验，剩余4批分别老化1、 3、 8和12个月。本次老化试验暴露地点为湖北荆门，采用的暴露架为自制，有5°倾斜角，便于太阳直射试样。老化试验自2016年10月25日开始，于2017年10月25日全部完成。荆门市位于东经111°51′～113°29′，北纬30°32′～31°36′处，为亚热带温暖季风型气候，年平均气温为16.1 ℃，年日照时长约为2 000 h。

1.2 耐揉搓性试验

耐揉搓性试验参照ASTM F392/F392M-11。采用FDT-02型揉搓试验机，揉搓频率为45次/min，经、纬向试样尺寸相同，均为长280 mm、宽200 mm。4个试样同时进行揉搓试验的照片如图4所示，分别将试件沿高度方向固定于上下揉搓圆台上，两圆台相距180 mm。揉搓过程分为2步：(1)上揉搓圆台向下平动90 mm，同时转动(440±4)°；(2)上揉搓圆台向下平动65 mm。试验过程中下揉搓圆台固定不动。

根据ASTM F392/F392M-11，设定揉搓试验条件分别为揉搓20、270、900和2 700次，不同的揉搓次数用来模拟气囊材料的折皱损伤程度，揉搓次数越多则折皱损伤越严重。

1.3 拉伸试验方法

根据ASTM D4851-07(2015)，对Uretek3216-LV囊体材料进行单轴拉伸强度和拉伸循环试验，两种试验的经、纬向试样尺寸相同，均为长200 mm、宽25 mm。试验采用UTM-4000型电子万能试验机进行加载，加载速度为50 mm/min，预加载荷为5 N；单轴拉伸循环试验，按正弦波循环加载15次，加载速度为10 mm/min，预加载荷为5 N，循环上限为1/4单轴拉伸强度，循环下限为1/40单轴拉伸强度。单轴拉伸试验照片如图2所示。

Uretek3216-LV囊体材料单轴拉伸应力-应变曲线如图3所示。由图3可以看出，材料具有显著正交异性和非线性特征。本次试验取单轴拉伸循环应力-应变曲线第15次循环的曲线斜率作为囊体材料的单轴拉伸弹性模量[13]。为避免试验数据的偶然误差，同一工况进行了4个试样的重复试验，取平均值作为该工况的拉伸试验结果。

2 单轴拉伸强度试验

2.1 短期老化时间影响

为了揭示短期老化对囊体材料单轴拉伸强度的影响，对不同老化时间的材料进行单轴拉伸强度试验，结果如图4所示，图中散点为既定老化时间下的应力均值。对试验结果进行线性拟合，得到材料经、纬向单轴拉伸强度(σ)与老化时间(t)的退化关系曲线，其退化方程为

σj=81.56-0.746 3t

(1)

σw=73.83-1.565 6t

(2)

式中：下标j、 w分别为材料的经向和纬向。

由图4可以看出：总体上经向试样的单轴拉伸强度大于纬向试样的单轴拉伸强度；随着老化时间的增加，单轴拉伸强度逐渐减小，当老化12个月时，经向和纬向拉伸强度分别下降约11.50%、 27.18%，纬向试样的单轴拉伸强度退化拟合曲线倾斜程度略大于经向试样。由此表明，纬向试样单轴拉伸强度对老化时间的退化作用更加敏感。

2.2 揉搓次数影响

为揭示折皱损伤程度对囊体材料单轴拉伸强度的影响，首先在4种揉搓条件进行经、纬向揉搓试验，然后进行单轴拉伸强度试验。不同揉搓条件下囊体材料经、纬向单轴拉伸强度均值散点图如图5所示。

对试验结果进行线性拟合，得到经、纬向拉伸强度与揉搓次数(n)的退化关系曲线，其退化方程为

σj=81.56-0.012n(0≤n≤2 700)

(3)

σw=73.83-0.0109n(0≤n≤2 700)

(4)

由图5可以看出：相同揉搓次数下，经向试样的单轴拉伸强度大于纬向试样；两条拟合曲线近乎平行，说明揉搓次数对经、纬向试件强度的退化影响差别不是很大；随着揉搓次数的增加，囊体材料的单轴拉伸强度退化逐渐增大；当揉搓次数达到2 700次时，囊体材料的单轴拉伸强度下降约40%。由此可见，折皱损伤对材料的单轴拉伸强度的影响十分显著。

2.3 老化时间与揉搓次数共同影响

老化和揉搓是两种不同类型的损伤因素，本文假设老化时间和揉搓次数对囊体材料单轴拉伸强度的影响相互独立。当二者共同作用时，其对材料强度的退化影响符合叠加原理。根据式(1)～(4)，得出两者共同影响下囊体材料经、纬向的单轴拉伸强度退化方程为

σj=81.56-0.7436t-0.012n

(5)

σw=73.83-1.565 6t-0.010 9n

(6)

通过对老化材料开展耐揉搓性试验，得到4种老化时间和4类揉搓次数共同作用下的试样，然后对其进行单轴拉伸试验，得到不同工况下的单轴拉伸强度，如图6所示。由图6可以看出：当揉搓次数低于900次时，式(5)和(6)的理论值与试验值比较吻合；当揉搓次数为2 700次时，相比试验值，式(5)和(6)的理论值偏小，而式(3)和(4)的理论值更接近试验值。这说明当揉搓次数较大时，折皱损伤成为降低材料单轴拉伸强度的控制性因素，老化时间对强度的削弱作用可以忽略不计，式(5)和(6)不再适用。这一现象的微观机理将在第4节做进一步分析。

3 单轴拉伸循环试验

3.1 短期老化时间影响

为揭示短期老化对囊体材料单轴拉伸弹性模量的影响，对不同老化时间下的囊体材料进行单轴拉伸循环试验。不同老化时间下材料单轴拉伸弹性模量均值散点图如图7所示。对试验结果进行线性拟合，得到材料经、纬向单轴拉伸弹性模量与老化时间的退化关系曲线，其退化方程为

Ej=1 145.25+6.126 3t

(7)

Ew=1 058.75+6.946 8t

(8)

由图7可以看出：经向试样的单轴拉伸弹性模量大于纬向试样的单轴拉伸弹性模量；随着老化时间的增加，单轴拉伸弹性模量逐渐增大；当老化12个月时，经、纬向弹性模量分别增加约9.89%和10.61%，表明老化时间对经、纬向单轴拉伸弹性模量的增强作用基本相同。

3.2 揉搓次数影响

为揭示折皱损伤程度对囊体材料单轴拉伸弹性模量的影响，对不同揉搓次数下的囊体材料进行了单轴拉伸循环试验。不同揉搓条件下囊体材料经、纬向单轴拉伸弹性模量均值散点图如图8所示。对试验结果进行线性拟合，得到经、纬向单轴拉伸弹性模量与揉搓次数的退化关系曲线，其退化方程为

Ej=1 145.25-0.048 7n(0≤n≤2 700)

(9)

Ew=1 058.75-0.048 6n(0≤n≤2 700)

(10)

由图8可以看出：相同揉搓次数下，经向试样的单轴拉伸弹性模量大于纬向试样的单轴拉伸弹性模量；两条拟合曲线近乎平行，说明揉搓次数对经、纬向试件单轴弹性模量的损伤影响相差不大；随着揉搓次数的增加，材料的单轴拉伸弹性模量退化程度越大；当揉搓次数达到2 700次时，材料的单轴拉伸弹性模量下降约13%。由此可见，折皱损伤对材料单轴拉伸弹性模量的影响较为显著，但是影响程度远远小于其对单轴拉伸强度的影响。

3.3 老化时间与揉搓次数的共同影响

与单轴拉伸强度部分相似，同样假设老化时间与揉搓次数对材料拉伸模量的影响符合叠加原理。根据式(7)～(10)，得出两者共同影响下囊体材料单轴拉伸弹性模量退化方程为

Ej=1 145.25+6.126 3t-0.048 7n

(11)

Ew=1 058.75+6.946 8t-0.048 6n

(12)

对不同老化时间和揉搓次数下的囊体材料进行单轴拉伸循环试验，得到了不同工况下的单轴拉伸弹性模量。将试验结果与式(11)和(12)的理论预测曲线进行对比，如图9所示。由图9可以看出：当揉搓次数低于900次时，式(11)和(12)的理论值与试验值比较吻合；当揉搓次数为2 700次时，式(11)和(12)的理论值相比试验值偏小，而式(9)和(10)的理论值更接近试验值。说明当揉搓次数较大时，折皱损伤成为影响材料单轴拉伸弹性模量的控制性因素，老化时间对弹性模量的增强作用可以忽略不计，式(11)和(12)不再适用。这一现象的微观机理将在第4节做进一步分析。

Fig.9 Elastic modulus of capsule materials under various aging and flexing conditions

4 机理分析

4.1 老化影响

2.1节和3.1节试验结果表明，户外暴露老化降低了囊体材料的拉伸强度，但使得材料的弹性模量略有增大。这是因为户外暴露环境使材料受到紫外光线、氧、温度、水和湿气的综合作用，发生了高分子聚合物的降解和交联[14]，影响囊体材料基层织物和功能涂层的性能。对于基层织物，降解将导致织物纤维强度的降低，宏观表征为材料拉伸强度退化；对于功能涂层，交联将提高功能涂层的刚度，表征为材料弹性模量的增大。

4.2 折皱损伤影响

囊体材料在完好以及4类揉搓条件下的电子扫描显微镜图如图10所示。由图10可以看出：完好材料的各功能涂层完好无损，基层织物致密紧凑；全揉搓20次后，功能涂层开始出现破裂，基层织物出现分离；全揉搓270次后，功能涂层局部脱离，基层织物出现更大程度的松散分离；全揉搓900次后，功能涂层严重脱离，基层织物出现扭曲变形，呈松散状态；全揉搓2 700次后，功能涂层完全脱离，基层织物呈严重松散状态，对其单根纤维进行局部放大，可以看出纤维发生严重松散和扭曲。这是因为：功能涂层属于保护层，为囊体材料提供耐候性、阻氦气及密封功能；基层织物属于承力层，承受飞艇内压并确保气囊材料的强度。当揉搓次数较小时，功能涂层和基层织布损伤较轻，二者仍然共同工作，因此适用于叠加原理，即老化时间和揉搓次数对材料拉伸性能共同产生影响；随着揉搓次数的增加，功能涂层逐渐发生脱离，当揉搓次数较大时，材料的力学性能主要由基层织物承担，因此叠加原理不再适用，以揉搓次数对囊体材料拉伸性能的影响为主。

5 结 语

本文首先通过对飞艇囊体材料Uretek3216-LV开展户外暴露老化与折皱损伤耐揉搓性试验，然后进行经、纬向单轴拉伸强度与拉伸循环试验，得到了短期老化、折皱损伤以及二者共同作用下囊体材料单轴拉伸力学性能的变化规律，得到结论如下：

(1) 短期老化使材料的单轴拉伸强度产生较严重退化，退化程度与老化时间基本呈线性关系。当老化12个月时，经、纬向拉伸强度分别下降约11.50%和27.18%。

(2) 短期老化使材料的单轴拉伸弹性模量有所增加，增加幅度与老化时间基本呈线性关系。当老化12个月时，经、纬向弹性模量分别增加约9.89%和10.61%。

(3) 折皱损伤可显著降低材料的单轴拉伸强度和弹性模量，且对强度的退化影响程度大。当揉搓次数达到2 700次时，材料单轴拉伸强度退化约40%，弹性模量退化约13%。

(4) 当折皱损伤程度较轻微时，老化和折皱损伤共同作用对材料拉伸性能的退化影响为二者单独作用时的叠加；当折皱损伤程度较严重时，折皱损伤对拉伸性能影响起控制作用，老化影响可忽略不计。