囊體材料主要缺陷及其對材料性能影響研究

陳 思,武國軍,劉圣千,吳家紅,易懷強

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

浮力囊體是浮空器(飛艇)的關(guān)鍵部件,浮力囊體的質(zhì)量穩(wěn)定性能直接關(guān)系到浮空器的安全使用性能。囊體材料是制備浮空器(飛艇)浮力囊體的關(guān)鍵材料,其面密度、拉伸強度、氦氣滲透率等性能變化會直接影響浮力囊體的承壓性能、載荷性能以及駐空時間等。

囊體材料是一種柔性復合材料,一般由高比強度承力層織物、多功能樹脂或膜材料通過多層復合工藝制備獲得,以達到浮空器對囊體材料強制高強度、高氣密等性能要求。在囊體材料制備過程中,材料的外觀會不同程度地存在缺陷,如織物緯斜、纖維斷紗、纖維接頭、紗線并絲、跳紗、疏密不勻、異物夾雜、褶皺、分層等,不同種類、不同程度的外觀缺陷對囊體材料的主要性能會有不同的影響。

通過對現(xiàn)有囊體材料的主要缺陷進行了收集與整理,測試了缺陷部位囊體材料的拉伸強度和氦氣滲透率,對比無缺陷部位囊體材料的性能數(shù)據(jù),分析缺陷對囊體材料的綜合性能影響,為浮空器選擇和控制囊體材料質(zhì)量提供參考。同時,研究結(jié)果對提升浮空器囊體材料的原材料控制和工藝控制、提高囊體材料的質(zhì)量穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 囊體材料主要缺陷

為了滿足力學性能要求,囊體材料大多采用高強有機纖維織物作為承力層材料。在織造過程中,織物容易產(chǎn)生缺陷,主要包括折痕、磨損痕、跳紗、經(jīng)斜、緯斜、異物、接頭、斷紗、稀密路、污漬、并絲、褶皺等[1]。

部分典型缺陷如圖1所示。

2 缺陷對囊體材料性能的影響

選用某自制的囊體材料進行分析。對比測試同一塊囊體材料樣品存在缺陷處與正常囊體材料的性能,測試結(jié)果見表1～表12。

2.1 折痕

折痕是織物折皺時引起的紗線變形,在除去折皺后留下的痕跡。測試結(jié)果見表1,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向851.3～950.2 N/c m,緯向720.6～794.9 N/c m,與正常材料(經(jīng)向850.3～954.9 N/c m,緯向716.5～796.8 N/c m)相比較,變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.201～0.305 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,折痕對囊體材料的拉伸強度與氣體透過率性能影響較小。

表1 折痕缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.2 磨損

磨損痕主要是織物受到粗硬物的摩擦或斜向沖擊,表面磨損呈現(xiàn)毛茸的狀態(tài),該缺陷處一般會發(fā)生纖維輕微損傷。測試結(jié)果見表2,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向861.5～925.2 N/c m,緯向750.9～821.6 N/c m,與正常材料(經(jīng)向881.6～940.7 N/c m,緯向748.7～848.2 N/c m)相比較,變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.181～0.303 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,變化不明顯。分析認為,磨損痕對囊體材料的拉伸強度與氣體透過率性能影響較小。

表2 磨損痕缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.3 跳紗

跳紗主要在織物織造過程中產(chǎn)生,織物上1～2根經(jīng)(緯)紗不按組織起伏跳過2根及以上經(jīng)(緯)紗,呈現(xiàn)不應有的浮紗稱為跳紗,該缺陷在囊體材料上一般發(fā)生1～10根纖維跳紗。測試結(jié)果見表3,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向885.0～930.4.0 N/c m,緯向780.5～836.7 N/c m,與正常材料(經(jīng)向865.0～951.1 N/c m,緯向764.9～842.7 N/c m)相比較,變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.212～0.282 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,變化不明顯。因此分析認為,跳紗對囊體材料的拉伸強度與氣體透過率性能影響較小。

表3 跳紗缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.4 經(jīng)斜

經(jīng)斜在囊體材料復合過程中產(chǎn)生。該缺陷處一般不會發(fā)生功能膜的損傷,經(jīng)斜率一般小于3%。測試結(jié)果見表4,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向為832.1～968.4 N/c m,緯向780.9～825.9 N/c m,與正常材料(經(jīng)向886.0～983.9 N/c m,緯向760.8～868.2 N/c m)相比較,經(jīng)向拉伸強度降低,緯向變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.162～0.335 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,經(jīng)斜對囊體材料的經(jīng)向拉伸強度有影響,對緯向拉伸強度基本沒有影響,對氣體透過率性能影響較小。

表4 經(jīng)斜缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.5 緯斜

緯斜在囊體材料復合過程中產(chǎn)生,該缺陷處一般不會發(fā)生功能膜的損傷,經(jīng)斜率一般小于3%。測試結(jié)果見表5,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向為856.6～937.3 N/c m,緯向平均705.9～800.9 N/c m,與正常材料(經(jīng)向852.4～916.5 N/c m,緯向752.1～848.0 N/c m)相比較,經(jīng)向拉伸強度變化不明顯,緯向拉伸強度降低約50 N/c m,緯斜率越大,降低越多;缺陷處的氣體滲透率為0.168～0.310 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,緯斜對囊體材料的緯向拉伸強度有影響,對經(jīng)向拉伸強度沒有影響,對氣體透過率性能影響較小。

2.6 異物

異物一般不會發(fā)生纖維和功能膜的損傷。軟質(zhì)異物處測試結(jié)果見表6,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向886.5～986.7 N/c m,緯向750.0～838.3 N/c m,與正常材料(經(jīng)向912.5～972.2 N/c m,緯向764.0～823.2 N/c m)相比較,變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.173～0.299 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24h·at m)相比較,變化不大。因此分析認為,軟質(zhì)異物對囊體材料的拉伸強度與氣體透過率性能影響較小。

2.7 接頭

接頭是纖維絲在織造過程中斷裂后被工人打結(jié)修補所產(chǎn)生的缺陷。接頭處測試結(jié)果見表7,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向861.5～964.3 N/c m,緯向742.0～834.9 N/c m,與正常材料(經(jīng)向856.9～967.3 N/c m,緯向768.3～840.5 N/c m)相比較,變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.164～0.292 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,接頭對囊體材料的拉伸強度與氣體透過率性能影響較小。

表7 接頭缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.8 斷紗

斷紗是纖維織物在織造過程中,纖維絲與纖維絲之間,纖維絲與機件間摩擦發(fā)生斷裂而產(chǎn)生的缺陷。斷紗處測試結(jié)果見表8,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向753.2～853.8 N/c m,緯向758.9～830.8 N/c m,與正常材料(經(jīng)向949.4～959.5 N/c m,緯向731.2～822.3 N/c m)相比較,經(jīng)向拉伸強度下降較大,緯向拉伸強度變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.164～0.294 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,斷紗對囊體材料相對應方向的拉伸強度有較大影響,即經(jīng)紗斷紗對經(jīng)向拉伸強度有較大影響,對緯向拉伸強度影響不大,對氣體透過率性能影響較小。

表8 斷紗缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.9 污漬

污漬是織物受到塵埃、油等沾染,呈現(xiàn)變色的斑跡,該缺陷處一般不會發(fā)生纖維和功能膜的損傷。測試結(jié)果見表9,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向936.8～951.2 N/c m,緯向794.0～828.9 N/c m,與正常材料(經(jīng)向905.0～958.4 N/c m,緯向752.1～837.5 N/c m)相比較,變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.160～0.306 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,污漬對囊體材料的拉伸強度與氣體透過率性能影響較小。

表9 污漬缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.10 并絲

并絲是編織過程中產(chǎn)生,織物上呈現(xiàn)紗線擠在一起的現(xiàn)象。測試結(jié)果見表10,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向885.0～927.1 N/c m,緯向765.9～826.1 N/c m,與正常材料(經(jīng)向872.8～948.2 N/c m,緯向750.8～850.0 N/c m)相比較,變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.158～0.323 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,并絲對囊體材料的拉伸強度與氣體透過率性能影響較小。

表10 并絲缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.11 稀密路

稀密路是緯紗部分密集或疏散,是在織物織造過程中產(chǎn)生的缺陷。測試結(jié)果見表11,缺陷處的拉伸強度為經(jīng)向856.2～953.6 N/c m,緯向789.2～838.4 N/c m,與正常材料(經(jīng)向882.6～958.4 N/c m,緯向766.9～847.6 N/c m)相比較,經(jīng)向拉伸強度降低,緯向變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.160～0.298 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,稀密路對囊體材料的拉伸強度有影響,對氣體透過率性能影響較小。

表11 稀密路缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

2.1 2 織物褶皺

織物褶皺,即死折痕,是織物局部折疊,紗線產(chǎn)生永久變形,織物上呈現(xiàn)難以加工除去的硬折皺,是囊體材料復合過程中產(chǎn)生的缺陷。該缺陷處一般會發(fā)生纖維和功能膜的損傷,測試結(jié)果見表12,缺陷處的拉伸強度經(jīng)向827.0～907.3 N/c m,緯向756.3～806.3 N/c m,與正常材料(經(jīng)向886.0～947.2 N/c m,緯向752.1～840.1 N/c m)相比較,經(jīng)向拉伸強度降低,緯向變化不明顯;缺陷處的氣體滲透率為0.176～0.323 L/m2·24 h·at m,與正常材料(氣體滲透率為0.158～0.340 L/m2·24 h·at m)相比較,基本沒有變化。因此分析認為,織物褶皺對囊體材料的拉伸強度有影響,對氣體透過率性能影響較小。

表12 織物褶皺缺陷處囊體材料性能測試結(jié)果

3 結(jié)語

通過研究可知,囊體材料缺陷主要有折痕、磨損痕、跳紗、經(jīng)斜、緯斜、異物、接頭、斷紗、稀密路、污漬、并絲、褶皺等,其中折痕、磨損痕、接頭、跳紗、污漬、起球、并絲等缺陷對囊體材料拉伸強度影響較小;經(jīng)斜、緯斜、斷紗、褶皺、稀密路等缺陷對囊體材料拉伸強度影響較大;織物缺陷對囊體材料氣體滲透率基本沒有影響。