陳 思,武國軍,劉圣千,鄭 磊,康建釗,于鳳林

(中國航天科工集團(tuán)第六研究院四十六所,內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

囊體材料抗撕裂性對(duì)浮空器的使用安全性具有重要意義,是考察囊體材料實(shí)用性的重要指標(biāo)之一。目前,囊體材料常用的撕裂強(qiáng)度測試方法是 MIL-C-21189 Method 10.2.4[1],這種測試方法一般用于常溫撕裂強(qiáng)度測試。隨著浮空器行業(yè)發(fā)展,一些浮空器設(shè)計(jì)單位希望進(jìn)一步掌握囊體材料在高溫下的撕裂強(qiáng)度性能,需要研究高溫撕裂強(qiáng)度測試方法。

在MIL-C-21189 Method 10.2.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,研究了高溫撕裂強(qiáng)度試樣的形狀尺寸、夾持方式、保溫時(shí)間、溫度變化等對(duì)囊體材料撕裂強(qiáng)度性能的影響,以確定適合囊體材料高溫撕裂強(qiáng)度的測試方法和參數(shù)；研究了2種不同規(guī)格的囊體材料在高溫狀態(tài)下撕裂強(qiáng)度的變化規(guī)律,為合理分析、評(píng)估囊體材料的高溫撕裂性能提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

(1)A囊體材料 結(jié)構(gòu)：防老化層/粘接層/阻隔層/粘接層/織物層。

(2)B囊體材料 結(jié)構(gòu)：防老化層/織物層/焊接層。

1.2 試驗(yàn)儀器

電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)：Instron 2366。

1.3 測試條件

撕裂強(qiáng)度測試條件參考MIL-C-21189 Method 10.2.4標(biāo)準(zhǔn),拉伸速率305 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣設(shè)計(jì)

常溫撕裂強(qiáng)度測試試樣示意圖如圖1所示。

測試常溫撕裂強(qiáng)度的夾具采用氣動(dòng)夾具,由于氣動(dòng)夾具體積較大,不能正常放入環(huán)境試驗(yàn)箱中,無法進(jìn)行高溫撕裂強(qiáng)度測試；使用手動(dòng)夾具時(shí),囊體材料在高溫狀態(tài)下容易打滑導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖1 常溫撕裂強(qiáng)度測試試樣示意圖

囊體材料高溫撕裂強(qiáng)度的測試采用纏繞式夾具進(jìn)行試樣固定,可以克服試樣打滑問題,為了保證高低溫撕裂強(qiáng)度與常溫撕裂強(qiáng)度可比性,考慮將囊體材料夾持位置進(jìn)行延長的方式以保證囊體材料在撕裂時(shí)受力位置基本一致,延長的長度可以依據(jù)夾具間距離不同進(jìn)行調(diào)整,約為15～30 cm,高溫撕裂強(qiáng)度測試試樣設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 高溫撕裂強(qiáng)度測試試樣示意圖

2.2 試樣夾持方式對(duì)撕裂強(qiáng)度測試結(jié)果的影響

采用纏繞式夾具進(jìn)行撕裂強(qiáng)度試樣固定時(shí),上下夾具與中心切口的距離對(duì)撕裂強(qiáng)度有較大影響,當(dāng)上下夾具與中心切口的距離越接近使用氣動(dòng)夾具夾持時(shí),兩者的測試結(jié)果越接近,即測試結(jié)果越準(zhǔn)確。測試夾持方式如圖3和圖4所示,常溫時(shí)A囊體材料和B囊體材料的不同夾持方式撕裂強(qiáng)度測試結(jié)果見表1和表2。

圖3 氣動(dòng)夾具夾持試樣

由表1和表2經(jīng)計(jì)算得出,A囊體材料常溫纏繞式夾持時(shí),撕裂強(qiáng)度比氣動(dòng)夾持時(shí)低3.2%；B囊體材料常溫纏繞式夾持方式比氣動(dòng)夾持時(shí)高1.7%,2種夾持方式撕裂強(qiáng)度測試結(jié)果差距≤5%,測試結(jié)果相近。分析認(rèn)為,采用延長夾持部位制備的試樣,并用纏繞式的夾持方式進(jìn)行測試,得到的測試結(jié)果與氣動(dòng)夾持的結(jié)果相近,該種測試方法可用于囊體材料的撕裂強(qiáng)度性能測試。

圖4 纏繞式夾具夾持試樣

表1 A囊體材料常溫時(shí)不同夾持方式測試結(jié)果單位：N

表2 B囊體材料常溫時(shí)不同夾持方式測試結(jié)果單位：N

2.3 保溫時(shí)間對(duì)撕裂強(qiáng)度測試結(jié)果的影響

不同保溫時(shí)間的A囊體材料和B囊體材料在50℃環(huán)境下的撕裂強(qiáng)度測試結(jié)果見表3和表4。

由表3可以看出,A囊體材料在保溫1、5、10和15 min時(shí)平均撕裂強(qiáng)度相差不大,在保溫1、5 min時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差為9%和6%,均大于5%,測試結(jié)果均勻性、穩(wěn)定性較差；保溫10和15 min時(shí)2種囊體材料撕裂強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差為3%和2%,均小于5%,測試結(jié)果更均勻,更穩(wěn)定。

表3 A囊體材料不同保溫時(shí)間測試結(jié)果(50℃)單位：N

表4 B囊體材料不同保溫時(shí)間測試結(jié)果(50℃)單位：N

由表4可以看出,B囊體材料在保溫1、5、10和15 min時(shí)平均撕裂強(qiáng)度相差不大,在保溫1、5 min時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差為均為6%,大于5%,測試結(jié)果均勻性、穩(wěn)定性較差；保溫10和15 min時(shí)2種囊體材料撕裂強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差均為3%,小于5%,測試結(jié)果更均勻,更穩(wěn)定。

在測試結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上考慮到節(jié)約測試時(shí)間,后續(xù)囊體材料高溫撕裂強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律研究測試均采用達(dá)到測試溫度后保溫10 min的測試方式。

2.4 囊體材料高溫撕裂強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律

2.4.1 A囊體材料撕裂強(qiáng)度隨溫度變化情況

A囊體材料撕裂強(qiáng)度隨溫度變化情況如圖5所示,50℃撕裂后試樣如圖6所示。

囊體材料的強(qiáng)度性能與承力層織物的性能相關(guān),溫度越高纖維強(qiáng)度越低[2]。正常狀態(tài)下,囊體材料的撕裂強(qiáng)度隨溫度升高應(yīng)該呈下降趨勢。

由圖5可以看出,當(dāng)溫度一定時(shí),囊體材料的撕裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)波動(dòng)較小,隨著環(huán)境溫度的升高,囊體材料的撕裂強(qiáng)度都呈上升趨勢。在室溫至60℃范圍內(nèi),囊體材料撕裂強(qiáng)度緩慢升高；在60～80℃范圍內(nèi),撕裂強(qiáng)度迅速增加。分析產(chǎn)生的原因?yàn)椋耗殷w材料為多層復(fù)合體系,多層功能層通過膠黏劑實(shí)現(xiàn)粘接,在撕裂過程中,中心裂口處的纖維在受力狀態(tài)下向外擴(kuò)展斷裂；常溫狀態(tài)下,膠黏劑呈固化狀態(tài),強(qiáng)度較高,對(duì)織物的束縛程度高,纖維紗線呈單束絲狀態(tài)向外擴(kuò)展,撕裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)偏低；當(dāng)溫度升高時(shí),膠黏劑會(huì)有軟化趨勢,強(qiáng)度變?nèi)?對(duì)織物的束縛程度降低,纖維紗線會(huì)有不同程度的滑移,斷裂過程中同時(shí)斷裂的紗線會(huì)大于單束絲狀態(tài)向外擴(kuò)展,雖然溫度升高會(huì)導(dǎo)致纖維強(qiáng)度降低,但由于同時(shí)斷裂的纖維束增加[3],因此測試的撕裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)會(huì)較低溫狀態(tài)偏高。

圖5 A囊體材料撕裂強(qiáng)度隨溫度變化情況

圖6 A囊體材料50℃撕裂后試樣

2.4.2 B囊體材料撕裂強(qiáng)度隨溫度變化情況

B囊體材料撕裂強(qiáng)度隨溫度變化情況如圖7所示,50℃撕裂后試樣如圖8所示。

由圖7可以看出,在室溫至50℃范圍內(nèi),隨溫度升高,B囊體材料撕裂強(qiáng)度緩慢升高；在50～80℃范圍內(nèi),撕裂強(qiáng)度迅速增加。

B囊體材料是采用流延工藝制備。流延時(shí),防老化層和焊接層材料會(huì)部分滲入到纖維織物中。隨著溫度的升高,防老化層和焊接層材料變軟,減小纖維間的磨擦,使紗線間滑移變大,從而使囊體材料撕裂強(qiáng)度增加。在50～80℃范圍內(nèi),防老化層和焊接層材料軟化加速,斷裂過程中同時(shí)斷裂的紗線會(huì)大于單束絲狀態(tài)向外擴(kuò)展,雖然溫度升高會(huì)導(dǎo)致纖維強(qiáng)度降低,但由于同時(shí)斷裂的纖維束增加,因此測試的撕裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)會(huì)較低溫狀態(tài)偏高。

圖7 B囊體材料撕裂強(qiáng)度隨溫度變化情況

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的高溫撕裂強(qiáng)度試樣能夠滿足囊體材料撕裂強(qiáng)度的測試需求,測試結(jié)果與常規(guī)撕裂強(qiáng)度方法在常溫下的測試結(jié)果相近,可以推廣應(yīng)用于囊體材料高溫撕裂強(qiáng)度性能測試。A和B這2種結(jié)構(gòu)的囊體材料在一定溫度范圍內(nèi),高溫撕裂強(qiáng)度均隨溫度增加而增加,高溫測試數(shù)據(jù)不能反應(yīng)囊體材料正常狀態(tài)下的性能,數(shù)據(jù)可供飛艇設(shè)計(jì)參考。

圖8 B囊體材料50℃撕裂后試樣