囊體材料高溫撕裂強度測試方法研究

陳 思,武國軍,劉圣千,鄭 磊,康建釗,于鳳林

(中國航天科工集團第六研究院四十六所,內蒙古 呼和浩特010010)

囊體材料抗撕裂性對浮空器的使用安全性具有重要意義,是考察囊體材料實用性的重要指標之一。目前,囊體材料常用的撕裂強度測試方法是 MIL-C-21189 Method 10.2.4[1],這種測試方法一般用于常溫撕裂強度測試。隨著浮空器行業(yè)發(fā)展,一些浮空器設計單位希望進一步掌握囊體材料在高溫下的撕裂強度性能,需要研究高溫撕裂強度測試方法。

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

1 試驗部分

1.1 試驗材料

(1)A囊體材料 結構：防老化層/粘接層/阻隔層/粘接層/織物層。

(2)B囊體材料 結構：防老化層/織物層/焊接層。

1.2 試驗儀器

電子萬能材料試驗機：Instron 2366。

1.3 測試條件

撕裂強度測試條件參考MIL-C-21189 Method 10.2.4標準,拉伸速率305 mm/min。

2 結果與討論

2.1 試樣設計

常溫撕裂強度測試試樣示意圖如圖1所示。

測試常溫撕裂強度的夾具采用氣動夾具,由于氣動夾具體積較大,不能正常放入環(huán)境試驗箱中,無法進行高溫撕裂強度測試；使用手動夾具時,囊體材料在高溫狀態(tài)下容易打滑導致測試結果不準確。

圖1 常溫撕裂強度測試試樣示意圖

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

圖2 高溫撕裂強度測試試樣示意圖

2.2 試樣夾持方式對撕裂強度測試結果的影響

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

圖3 氣動夾具夾持試樣

由表1和表2經計算得出,A囊體材料常溫纏繞式夾持時,撕裂強度比氣動夾持時低3.2%；B囊體材料常溫纏繞式夾持方式比氣動夾持時高1.7%,2種夾持方式撕裂強度測試結果差距≤5%,測試結果相近。分析認為,采用延長夾持部位制備的試樣,并用纏繞式的夾持方式進行測試,得到的測試結果與氣動夾持的結果相近,該種測試方法可用于囊體材料的撕裂強度性能測試。

圖4 纏繞式夾具夾持試樣

表1 A囊體材料常溫時不同夾持方式測試結果單位：N

表2 B囊體材料常溫時不同夾持方式測試結果單位：N

2.3 保溫時間對撕裂強度測試結果的影響

不同保溫時間的A囊體材料和B囊體材料在50℃環(huán)境下的撕裂強度測試結果見表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時平均撕裂強度相差不大,在保溫1、5 min時相對標準方差為9%和6%,均大于5%,測試結果均勻性、穩(wěn)定性較差；保溫10和15 min時2種囊體材料撕裂強度的相對標準方差為3%和2%,均小于5%,測試結果更均勻,更穩(wěn)定。

表3 A囊體材料不同保溫時間測試結果(50℃)單位：N

表4 B囊體材料不同保溫時間測試結果(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時平均撕裂強度相差不大,在保溫1、5 min時相對標準方差為均為6%,大于5%,測試結果均勻性、穩(wěn)定性較差；保溫10和15 min時2種囊體材料撕裂強度的相對標準方差均為3%,小于5%,測試結果更均勻,更穩(wěn)定。

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

2.4 囊體材料高溫撕裂強度隨溫度變化規(guī)律

2.4.1 A囊體材料撕裂強度隨溫度變化情況

A囊體材料撕裂強度隨溫度變化情況如圖5所示,50℃撕裂后試樣如圖6所示。

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

由圖5可以看出,當溫度一定時,囊體材料的撕裂強度數據波動較小,隨著環(huán)境溫度的升高,囊體材料的撕裂強度都呈上升趨勢。在室溫至60℃范圍內,囊體材料撕裂強度緩慢升高；在60～80℃范圍內,撕裂強度迅速增加。分析產生的原因為：囊體材料為多層復合體系,多層功能層通過膠黏劑實現(xiàn)粘接,在撕裂過程中,中心裂口處的纖維在受力狀態(tài)下向外擴展斷裂；常溫狀態(tài)下,膠黏劑呈固化狀態(tài),強度較高,對織物的束縛程度高,纖維紗線呈單束絲狀態(tài)向外擴展,撕裂強度數據偏低；當溫度升高時,膠黏劑會有軟化趨勢,強度變弱,對織物的束縛程度降低,纖維紗線會有不同程度的滑移,斷裂過程中同時斷裂的紗線會大于單束絲狀態(tài)向外擴展,雖然溫度升高會導致纖維強度降低,但由于同時斷裂的纖維束增加[3],因此測試的撕裂強度數據會較低溫狀態(tài)偏高。

圖5 A囊體材料撕裂強度隨溫度變化情況

圖6 A囊體材料50℃撕裂后試樣

2.4.2 B囊體材料撕裂強度隨溫度變化情況

B囊體材料撕裂強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,隨溫度升高,B囊體材料撕裂強度緩慢升高；在50～80℃范圍內,撕裂強度迅速增加。

B囊體材料是采用流延工藝制備。流延時,防老化層和焊接層材料會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度增加。在50～80℃范圍內,防老化層和焊接層材料軟化加速,斷裂過程中同時斷裂的紗線會大于單束絲狀態(tài)向外擴展,雖然溫度升高會導致纖維強度降低,但由于同時斷裂的纖維束增加,因此測試的撕裂強度數據會較低溫狀態(tài)偏高。

圖7 B囊體材料撕裂強度隨溫度變化情況

3 結語

本文設計的高溫撕裂強度試樣能夠滿足囊體材料撕裂強度的測試需求,測試結果與常規(guī)撕裂強度方法在常溫下的測試結果相近,可以推廣應用于囊體材料高溫撕裂強度性能測試。A和B這2種結構的囊體材料在一定溫度范圍內,高溫撕裂強度均隨溫度增加而增加,高溫測試數據不能反應囊體材料正常狀態(tài)下的性能,數據可供飛艇設計參考。

圖8 B囊體材料50℃撕裂后試樣