老化與折皺損傷對(duì)飛艇囊體材料單軸拉伸力學(xué)性能影響

程書(shū)通，張?jiān)坪疲偶魏溃瑥埓笮?，陳?wù)軍，魯國(guó)富，張金奎

(1. 上海交通大學(xué) a.船舶海洋與建筑工程學(xué)院；b.空間結(jié)構(gòu)研究中心，上海 200240；2. 中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448000)

飛艇起源于1784年的法國(guó)，因駐空位置不受限制且可以長(zhǎng)期滯空而擁有其他飛行器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此成為世界上主要軍事大國(guó)的研究熱點(diǎn)[1-2]。就結(jié)構(gòu)體系而言，飛艇分為硬式飛艇和軟式飛艇兩類，其中軟式飛艇為目前主要采用的結(jié)構(gòu)形式。軟式飛艇的懸掛體系較為復(fù)雜，并且變形較大[3]。浮空器氣囊作為軟式飛艇的重要組成部分，在保持飛艇氣動(dòng)外形、結(jié)構(gòu)剛度和載荷力流傳遞方面具有重要作用。氣囊由蒙皮織物材料焊接制成，因此蒙皮材料的力學(xué)性能對(duì)飛艇工程設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算分析至關(guān)重要[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)飛艇囊體材料的單、雙軸力學(xué)行為已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。在國(guó)內(nèi)，秦朝中等[5]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)囊體材料的撕裂特性和加強(qiáng)筋的止裂效果進(jìn)行了研究，并利用數(shù)值模擬研究了囊體材料局部破裂后破口處氣體外泄的非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其演變過(guò)程。李偉等[6]基于復(fù)合材料彈性矩陣對(duì)偏軸拉伸試驗(yàn)測(cè)量囊體材料剪切模量的方法進(jìn)行了理論分析。顏標(biāo)[7]利用應(yīng)變片對(duì)囊體材料進(jìn)行測(cè)試，研究了應(yīng)變片在非線性應(yīng)變中的表現(xiàn)特性，驗(yàn)證了其在浮空器囊體材料中測(cè)試應(yīng)用的可行性。陳建穩(wěn)等[8]對(duì)膜材Uretek3216L進(jìn)行了單、雙軸試驗(yàn)，探討了材料的非線性以及正交異性在應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量中的體現(xiàn)，分析了膜材Uretek3216-LV的中心切縫撕裂破壞強(qiáng)度，并應(yīng)用Griffith能量理論推導(dǎo)了蒙皮材料的抗撕裂強(qiáng)度公式。高海健等[9]對(duì)3種飛艇囊體材料進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)與分析研究，得到了強(qiáng)度、變形、徐變等力學(xué)性能參數(shù)值。何世贊等[10]對(duì)Uretek5876材料在7個(gè)偏軸方向上單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，得出了殘余應(yīng)變和彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，使用VIC-2D數(shù)字散斑測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了膜材拉伸的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，并對(duì)膜材的破壞機(jī)制進(jìn)行分析。在國(guó)外，Kang等[11]對(duì)一種芳香聚酰胺平紋織物膜材進(jìn)行了高、低溫單軸拉伸試驗(yàn)，借助有限元單胞模型對(duì)膜材的單向拉伸性能進(jìn)行了模擬分析。Komatsu等[12]進(jìn)行了幾種飛艇囊體材料單軸拉伸試驗(yàn)，研究了不同溫度下膜材的搭接強(qiáng)度及徐變特征。

綜上所述可知，已有文獻(xiàn)多是對(duì)全新囊體材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。然而，飛艇氣囊結(jié)構(gòu)在加工、運(yùn)輸、存放和服役過(guò)程中不可避免會(huì)發(fā)生老化和折皺損傷，因此，非常有必要對(duì)老化和折皺損傷后的囊體材料力學(xué)性能進(jìn)行研究，從而為飛艇結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析提供依據(jù)。本文以飛艇囊體材料Uretek3216-LV為研究對(duì)象，其主要由Vectran基布和聚氟乙烯(polyvinyl fluoride, PVF)面層及各功能膜層復(fù)合而成，是一種高性能層壓復(fù)合織物材料，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐候性強(qiáng)、阻氦氣滲透性好等特點(diǎn)。采用戶外暴露和揉搓試驗(yàn)方法分別模擬飛艇氣囊材料的老化和折皺損傷，并對(duì)材料經(jīng)、緯向進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度和拉伸循環(huán)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)Uretek3216-LV材料開(kāi)展老化與折皺試驗(yàn)研究，揭示了短期老化(1、 3、 8、 12個(gè)月戶外暴露)、折皺損傷(20、 270、 900、 2 700次全揉搓)，以及二者共同作用對(duì)材料經(jīng)、緯向單軸拉伸強(qiáng)度和彈性模量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 老化試驗(yàn)

通常飛艇服役時(shí)間為5～10年，受試驗(yàn)條件限制，本文對(duì)囊體材料的短期老化進(jìn)行研究。根據(jù)GB/T 17603—1998，將Uretek3216-LV囊體材料置于室外屋頂天臺(tái)，使其在暴露環(huán)境下自然老化。試樣經(jīng)向長(zhǎng)為550 mm，緯向長(zhǎng)為1 420 mm，共5批材料，其中，1批作為對(duì)照組不進(jìn)行老化試驗(yàn)，剩余4批分別老化1、 3、 8和12個(gè)月。本次老化試驗(yàn)暴露地點(diǎn)為湖北荊門(mén)，采用的暴露架為自制，有5°傾斜角，便于太陽(yáng)直射試樣。老化試驗(yàn)自2016年10月25日開(kāi)始，于2017年10月25日全部完成。荊門(mén)市位于東經(jīng)111°51′～113°29′，北緯30°32′～31°36′處，為亞熱帶溫暖季風(fēng)型氣候，年平均氣溫為16.1 ℃，年日照時(shí)長(zhǎng)約為2 000 h。

1.2 耐揉搓性試驗(yàn)

耐揉搓性試驗(yàn)參照ASTM F392/F392M-11。采用FDT-02型揉搓試驗(yàn)機(jī)，揉搓頻率為45次/min，經(jīng)、緯向試樣尺寸相同，均為長(zhǎng)280 mm、寬200 mm。4個(gè)試樣同時(shí)進(jìn)行揉搓試驗(yàn)的照片如圖4所示，分別將試件沿高度方向固定于上下揉搓圓臺(tái)上，兩圓臺(tái)相距180 mm。揉搓過(guò)程分為2步：(1)上揉搓圓臺(tái)向下平動(dòng)90 mm，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)(440±4)°；(2)上揉搓圓臺(tái)向下平動(dòng)65 mm。試驗(yàn)過(guò)程中下揉搓圓臺(tái)固定不動(dòng)。

根據(jù)ASTM F392/F392M-11，設(shè)定揉搓試驗(yàn)條件分別為揉搓20、270、900和2 700次，不同的揉搓次數(shù)用來(lái)模擬氣囊材料的折皺損傷程度，揉搓次數(shù)越多則折皺損傷越嚴(yán)重。

1.3 拉伸試驗(yàn)方法

根據(jù)ASTM D4851-07(2015)，對(duì)Uretek3216-LV囊體材料進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度和拉伸循環(huán)試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)的經(jīng)、緯向試樣尺寸相同，均為長(zhǎng)200 mm、寬25 mm。試驗(yàn)采用UTM-4000型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速度為50 mm/min，預(yù)加載荷為5 N；單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)，按正弦波循環(huán)加載15次，加載速度為10 mm/min，預(yù)加載荷為5 N，循環(huán)上限為1/4單軸拉伸強(qiáng)度，循環(huán)下限為1/40單軸拉伸強(qiáng)度。單軸拉伸試驗(yàn)照片如圖2所示。

Uretek3216-LV囊體材料單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可以看出，材料具有顯著正交異性和非線性特征。本次試驗(yàn)取單軸拉伸循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線第15次循環(huán)的曲線斜率作為囊體材料的單軸拉伸彈性模量[13]。為避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偶然誤差，同一工況進(jìn)行了4個(gè)試樣的重復(fù)試驗(yàn)，取平均值作為該工況的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

2 單軸拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 短期老化時(shí)間影響

為了揭示短期老化對(duì)囊體材料單軸拉伸強(qiáng)度的影響，對(duì)不同老化時(shí)間的材料進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，圖中散點(diǎn)為既定老化時(shí)間下的應(yīng)力均值。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到材料經(jīng)、緯向單軸拉伸強(qiáng)度(σ)與老化時(shí)間(t)的退化關(guān)系曲線，其退化方程為

σj=81.56-0.746 3t

(1)

σw=73.83-1.565 6t

(2)

式中：下標(biāo)j、 w分別為材料的經(jīng)向和緯向。

由圖4可以看出：總體上經(jīng)向試樣的單軸拉伸強(qiáng)度大于緯向試樣的單軸拉伸強(qiáng)度；隨著老化時(shí)間的增加，單軸拉伸強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)老化12個(gè)月時(shí)，經(jīng)向和緯向拉伸強(qiáng)度分別下降約11.50%、 27.18%，緯向試樣的單軸拉伸強(qiáng)度退化擬合曲線傾斜程度略大于經(jīng)向試樣。由此表明，緯向試樣單軸拉伸強(qiáng)度對(duì)老化時(shí)間的退化作用更加敏感。

2.2 揉搓次數(shù)影響

為揭示折皺損傷程度對(duì)囊體材料單軸拉伸強(qiáng)度的影響，首先在4種揉搓條件進(jìn)行經(jīng)、緯向揉搓試驗(yàn)，然后進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。不同揉搓條件下囊體材料經(jīng)、緯向單軸拉伸強(qiáng)度均值散點(diǎn)圖如圖5所示。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到經(jīng)、緯向拉伸強(qiáng)度與揉搓次數(shù)(n)的退化關(guān)系曲線，其退化方程為

σj=81.56-0.012n(0≤n≤2 700)

(3)

σw=73.83-0.0109n(0≤n≤2 700)

(4)

由圖5可以看出：相同揉搓次數(shù)下，經(jīng)向試樣的單軸拉伸強(qiáng)度大于緯向試樣；兩條擬合曲線近乎平行，說(shuō)明揉搓次數(shù)對(duì)經(jīng)、緯向試件強(qiáng)度的退化影響差別不是很大；隨著揉搓次數(shù)的增加，囊體材料的單軸拉伸強(qiáng)度退化逐漸增大；當(dāng)揉搓次數(shù)達(dá)到2 700次時(shí)，囊體材料的單軸拉伸強(qiáng)度下降約40%。由此可見(jiàn)，折皺損傷對(duì)材料的單軸拉伸強(qiáng)度的影響十分顯著。

2.3 老化時(shí)間與揉搓次數(shù)共同影響

老化和揉搓是兩種不同類型的損傷因素，本文假設(shè)老化時(shí)間和揉搓次數(shù)對(duì)囊體材料單軸拉伸強(qiáng)度的影響相互獨(dú)立。當(dāng)二者共同作用時(shí)，其對(duì)材料強(qiáng)度的退化影響符合疊加原理。根據(jù)式(1)～(4)，得出兩者共同影響下囊體材料經(jīng)、緯向的單軸拉伸強(qiáng)度退化方程為

σj=81.56-0.7436t-0.012n

(5)

σw=73.83-1.565 6t-0.010 9n

(6)

通過(guò)對(duì)老化材料開(kāi)展耐揉搓性試驗(yàn)，得到4種老化時(shí)間和4類揉搓次數(shù)共同作用下的試樣，然后對(duì)其進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，得到不同工況下的單軸拉伸強(qiáng)度，如圖6所示。由圖6可以看出：當(dāng)揉搓次數(shù)低于900次時(shí)，式(5)和(6)的理論值與試驗(yàn)值比較吻合；當(dāng)揉搓次數(shù)為2 700次時(shí)，相比試驗(yàn)值，式(5)和(6)的理論值偏小，而式(3)和(4)的理論值更接近試驗(yàn)值。這說(shuō)明當(dāng)揉搓次數(shù)較大時(shí)，折皺損傷成為降低材料單軸拉伸強(qiáng)度的控制性因素，老化時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的削弱作用可以忽略不計(jì)，式(5)和(6)不再適用。這一現(xiàn)象的微觀機(jī)理將在第4節(jié)做進(jìn)一步分析。

3 單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)

3.1 短期老化時(shí)間影響

為揭示短期老化對(duì)囊體材料單軸拉伸彈性模量的影響，對(duì)不同老化時(shí)間下的囊體材料進(jìn)行單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)。不同老化時(shí)間下材料單軸拉伸彈性模量均值散點(diǎn)圖如圖7所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到材料經(jīng)、緯向單軸拉伸彈性模量與老化時(shí)間的退化關(guān)系曲線，其退化方程為

Ej=1 145.25+6.126 3t

(7)

Ew=1 058.75+6.946 8t

(8)

由圖7可以看出：經(jīng)向試樣的單軸拉伸彈性模量大于緯向試樣的單軸拉伸彈性模量；隨著老化時(shí)間的增加，單軸拉伸彈性模量逐漸增大；當(dāng)老化12個(gè)月時(shí)，經(jīng)、緯向彈性模量分別增加約9.89%和10.61%，表明老化時(shí)間對(duì)經(jīng)、緯向單軸拉伸彈性模量的增強(qiáng)作用基本相同。

3.2 揉搓次數(shù)影響

為揭示折皺損傷程度對(duì)囊體材料單軸拉伸彈性模量的影響，對(duì)不同揉搓次數(shù)下的囊體材料進(jìn)行了單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)。不同揉搓條件下囊體材料經(jīng)、緯向單軸拉伸彈性模量均值散點(diǎn)圖如圖8所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到經(jīng)、緯向單軸拉伸彈性模量與揉搓次數(shù)的退化關(guān)系曲線，其退化方程為

Ej=1 145.25-0.048 7n(0≤n≤2 700)

(9)

Ew=1 058.75-0.048 6n(0≤n≤2 700)

(10)

由圖8可以看出：相同揉搓次數(shù)下，經(jīng)向試樣的單軸拉伸彈性模量大于緯向試樣的單軸拉伸彈性模量；兩條擬合曲線近乎平行，說(shuō)明揉搓次數(shù)對(duì)經(jīng)、緯向試件單軸彈性模量的損傷影響相差不大；隨著揉搓次數(shù)的增加，材料的單軸拉伸彈性模量退化程度越大；當(dāng)揉搓次數(shù)達(dá)到2 700次時(shí)，材料的單軸拉伸彈性模量下降約13%。由此可見(jiàn)，折皺損傷對(duì)材料單軸拉伸彈性模量的影響較為顯著，但是影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其對(duì)單軸拉伸強(qiáng)度的影響。

3.3 老化時(shí)間與揉搓次數(shù)的共同影響

與單軸拉伸強(qiáng)度部分相似，同樣假設(shè)老化時(shí)間與揉搓次數(shù)對(duì)材料拉伸模量的影響符合疊加原理。根據(jù)式(7)～(10)，得出兩者共同影響下囊體材料單軸拉伸彈性模量退化方程為

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

(11)

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

(12)

對(duì)不同老化時(shí)間和揉搓次數(shù)下的囊體材料進(jìn)行單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)，得到了不同工況下的單軸拉伸彈性模量。將試驗(yàn)結(jié)果與式(11)和(12)的理論預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。由圖9可以看出：當(dāng)揉搓次數(shù)低于900次時(shí)，式(11)和(12)的理論值與試驗(yàn)值比較吻合；當(dāng)揉搓次數(shù)為2 700次時(shí)，式(11)和(12)的理論值相比試驗(yàn)值偏小，而式(9)和(10)的理論值更接近試驗(yàn)值。說(shuō)明當(dāng)揉搓次數(shù)較大時(shí)，折皺損傷成為影響材料單軸拉伸彈性模量的控制性因素，老化時(shí)間對(duì)彈性模量的增強(qiáng)作用可以忽略不計(jì)，式(11)和(12)不再適用。這一現(xiàn)象的微觀機(jī)理將在第4節(jié)做進(jìn)一步分析。

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

4 機(jī)理分析

4.1 老化影響

2.1節(jié)和3.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明，戶外暴露老化降低了囊體材料的拉伸強(qiáng)度，但使得材料的彈性模量略有增大。這是因?yàn)閼敉獗┞董h(huán)境使材料受到紫外光線、氧、溫度、水和濕氣的綜合作用，發(fā)生了高分子聚合物的降解和交聯(lián)[14]，影響囊體材料基層織物和功能涂層的性能。對(duì)于基層織物，降解將導(dǎo)致織物纖維強(qiáng)度的降低，宏觀表征為材料拉伸強(qiáng)度退化；對(duì)于功能涂層，交聯(lián)將提高功能涂層的剛度，表征為材料彈性模量的增大。

4.2 折皺損傷影響

囊體材料在完好以及4類揉搓條件下的電子掃描顯微鏡圖如圖10所示。由圖10可以看出：完好材料的各功能涂層完好無(wú)損，基層織物致密緊湊；全揉搓20次后，功能涂層開(kāi)始出現(xiàn)破裂，基層織物出現(xiàn)分離；全揉搓270次后，功能涂層局部脫離，基層織物出現(xiàn)更大程度的松散分離；全揉搓900次后，功能涂層嚴(yán)重脫離，基層織物出現(xiàn)扭曲變形，呈松散狀態(tài)；全揉搓2 700次后，功能涂層完全脫離，基層織物呈嚴(yán)重松散狀態(tài)，對(duì)其單根纖維進(jìn)行局部放大，可以看出纖維發(fā)生嚴(yán)重松散和扭曲。這是因?yàn)椋汗δ芡繉訉儆诒Ｗo(hù)層，為囊體材料提供耐候性、阻氦氣及密封功能；基層織物屬于承力層，承受飛艇內(nèi)壓并確保氣囊材料的強(qiáng)度。當(dāng)揉搓次數(shù)較小時(shí)，功能涂層和基層織布損傷較輕，二者仍然共同工作，因此適用于疊加原理，即老化時(shí)間和揉搓次數(shù)對(duì)材料拉伸性能共同產(chǎn)生影響；隨著揉搓次數(shù)的增加，功能涂層逐漸發(fā)生脫離，當(dāng)揉搓次數(shù)較大時(shí)，材料的力學(xué)性能主要由基層織物承擔(dān)，因此疊加原理不再適用，以揉搓次數(shù)對(duì)囊體材料拉伸性能的影響為主。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文首先通過(guò)對(duì)飛艇囊體材料Uretek3216-LV開(kāi)展戶外暴露老化與折皺損傷耐揉搓性試驗(yàn)，然后進(jìn)行經(jīng)、緯向單軸拉伸強(qiáng)度與拉伸循環(huán)試驗(yàn)，得到了短期老化、折皺損傷以及二者共同作用下囊體材料單軸拉伸力學(xué)性能的變化規(guī)律，得到結(jié)論如下：

(1) 短期老化使材料的單軸拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生較嚴(yán)重退化，退化程度與老化時(shí)間基本呈線性關(guān)系。當(dāng)老化12個(gè)月時(shí)，經(jīng)、緯向拉伸強(qiáng)度分別下降約11.50%和27.18%。

(2) 短期老化使材料的單軸拉伸彈性模量有所增加，增加幅度與老化時(shí)間基本呈線性關(guān)系。當(dāng)老化12個(gè)月時(shí)，經(jīng)、緯向彈性模量分別增加約9.89%和10.61%。

(3) 折皺損傷可顯著降低材料的單軸拉伸強(qiáng)度和彈性模量，且對(duì)強(qiáng)度的退化影響程度大。當(dāng)揉搓次數(shù)達(dá)到2 700次時(shí)，材料單軸拉伸強(qiáng)度退化約40%，彈性模量退化約13%。

(4) 當(dāng)折皺損傷程度較輕微時(shí)，老化和折皺損傷共同作用對(duì)材料拉伸性能的退化影響為二者單獨(dú)作用時(shí)的疊加；當(dāng)折皺損傷程度較嚴(yán)重時(shí)，折皺損傷對(duì)拉伸性能影響起控制作用，老化影響可忽略不計(jì)。