短期老化與折皺損傷對(duì)飛艇囊體材料空氣泄漏性能的影響

張?jiān)坪疲?阿力木·安外爾， 米 翔， 張大旭 陳務(wù)軍， 魯國(guó)富， 張金奎

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240; 2.上海交通大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，上海 200240; 3.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448000)

飛艇是一種輕于空氣的浮空器，具有駐空和定點(diǎn)能力、服務(wù)范圍廣、機(jī)動(dòng)靈活、運(yùn)行成本低、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，具備極大的軍事和商業(yè)價(jià)值[1].飛艇按照結(jié)構(gòu)類(lèi)型可分為柔性飛艇、剛性飛艇以及半剛性飛艇.半剛性飛艇[2]主要由主氣囊、副氣囊、氣囊隔層和龍骨組成.氣囊隔層將主氣囊分割成若干封閉氣室，一般通過(guò)對(duì)其充放空氣來(lái)控制飛艇重量、飛行姿態(tài)及高度.副氣囊位于主氣囊內(nèi)部，充以密度小于空氣的氣體(如氦氣)為整個(gè)飛艇提供升力.飛艇囊體材料是一種新型層壓高性能織物復(fù)合材料，具有低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于浮空器領(lǐng)域[3].目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)囊體材料的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、彈性模量、剪切模量)[4-16]及織物結(jié)構(gòu)透氣性能[17-20]進(jìn)行了較為廣泛和深入的研究.此外，也有一些關(guān)于囊體材料氣密性能的研究，主要包括完好無(wú)損傷囊體材料的氦氣滲透性能[21-22]、損傷囊體材料的氦氣泄漏性能[23]以及泄漏檢測(cè)技術(shù)與仿真模擬[24-28].Disdier等[29]將囊體材料損傷分為3種類(lèi)型：由于磨損和劃傷形成的表面型損傷、因拉伸循環(huán)荷載產(chǎn)生的位于材料斷面內(nèi)部的封閉型損傷及由于刺穿或揉搓形成的貫穿型損傷.滲透是指氣體分子通過(guò)無(wú)損傷囊體材料從高濃度區(qū)擴(kuò)散到低濃度區(qū)的過(guò)程，速率較??；泄漏是指氣體通過(guò)損傷囊體材料的裂紋、孔眼等局部位置快速排出的過(guò)程，速率較大[30].馬寅佶等[21-22]利用氦氣擴(kuò)散模型和多層復(fù)合結(jié)構(gòu)滲透模型預(yù)測(cè)了材料各層的氦氣滲透率.Yao[23]等研究了柔性復(fù)合材料不同損傷模式引起的氦泄漏并確定了氦泄漏的主要損傷模式.Noll[24]采用一種新的氣體泄漏檢測(cè)分析技術(shù)，利用積分法計(jì)算泄漏面積并利用溫度傳感器技術(shù)計(jì)算飛艇的泄漏量.邢建國(guó)[25]針對(duì)大體積低內(nèi)壓密閉結(jié)構(gòu)，利用表面應(yīng)變法預(yù)測(cè)其泄漏量.曾凡陽(yáng)等[26]利用等效壓差法，結(jié)合有限元軟件Fluent分析了浮空氣囊泄漏問(wèn)題.朱仁勝等[27-28]提出定量泄漏檢測(cè)方法并利用自主研發(fā)的浮空氣囊檢漏試驗(yàn)臺(tái)研究浮空氣囊泄漏量并通過(guò)仿真模擬驗(yàn)證了其正確性.

自然老化和折皺易使半剛性飛艇主氣囊形成損傷、產(chǎn)生空氣泄漏，但目前尚缺少此方面的研究.囊體材料在生產(chǎn)制造、運(yùn)輸搬運(yùn)及主氣囊制作過(guò)程會(huì)產(chǎn)生折皺損傷，服役期間會(huì)受到溫差、濕度、紫外線等因素的影響而產(chǎn)生自然老化損傷，使囊體材料產(chǎn)生折痕和貫穿型損傷(針孔)，進(jìn)而發(fā)生空氣泄漏，對(duì)飛艇主-副氣囊之間壓差穩(wěn)定性，飛艇飛行姿態(tài)、高度、單次飛行時(shí)長(zhǎng)和安全性具有顯著影響.因此，有必要展開(kāi)老化及折皺損傷對(duì)囊體材料空氣泄漏率影響規(guī)律的研究.

本文針對(duì)飛艇囊體材料Uretek3216-LV進(jìn)行5種老化時(shí)長(zhǎng)(0、1月、3月、8月、12月)條件下4種貫穿型折皺損傷程度(20次、270次、900次、2 700 次全揉搓)的泄漏率試驗(yàn)，揭示老化時(shí)間及揉搓次數(shù)對(duì)泄漏率的影響規(guī)律，分析折皺損傷特征衍變過(guò)程和損傷機(jī)理.

1 老化及折皺損傷試驗(yàn)件制備

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)在“布料”結(jié)構(gòu)下進(jìn)行，均未以飛艇囊腔結(jié)構(gòu)形狀開(kāi)展試驗(yàn).試驗(yàn)采用美國(guó)URETEK公司研發(fā)的囊體材料Uretek 3216-LV.該材料由Vectran持力層、聚氟乙烯(PVF)面層和各功能層(耐候?qū)?、阻隔層及粘結(jié)層)等材料層壓復(fù)合而成.持力層是經(jīng)緯向紗線通過(guò)平織法編織而成，材料密度為205 g/m2，厚度0.26 mm.圖1為試驗(yàn)采用的全新囊體材料，其內(nèi)表面、外表面宏觀形貌分別為圖1(a)、1(b)，斷面微觀形貌為圖1(c).

圖1 全新囊體材料

1.2 老化試驗(yàn)方法

以某飛艇服役環(huán)境(湖北荊門(mén))為依據(jù)，參考規(guī)范GB/T 17603-1998 標(biāo)準(zhǔn)[31]，自制試驗(yàn)暴露架，完成自然老化試驗(yàn)，暴露架朝南，與水平面呈5°角，如圖2所示.試件經(jīng)向長(zhǎng)550 mm、緯向長(zhǎng) 1 420 mm.試驗(yàn)開(kāi)始于2016年10月25日，待新材料老化至1月、3月、8月及12月時(shí)分別取樣，并于2017年10月25日共完成4個(gè)批次老化試驗(yàn).試驗(yàn)點(diǎn)荊門(mén)位于東經(jīng)111°51′～113°29′，北緯30°28′～31°26′，屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)型氣候，年平均氣溫為 15.6～16.3 ℃，年日照時(shí)間為1997～2100 h.

圖2 戶(hù)外暴露老化試驗(yàn)

1.3 耐揉搓試驗(yàn)方法

耐揉搓試驗(yàn)參考 ASTM∶F392/F392M-11 標(biāo)準(zhǔn)[32]，采用FDT-02型揉搓試驗(yàn)機(jī)，揉搓頻率為45次/min，完成4種損傷程度揉搓試驗(yàn)各2件，即全揉搓20、270、900及 2 700 次.不同揉搓損傷程度對(duì)應(yīng)的揉搓條件如表1所示,其中，Z01～Z04代表不同的揉搓損傷程度.試件長(zhǎng)280 mm、寬200 mm，分別沿長(zhǎng)度方向固定于上下揉搓圓臺(tái)，試驗(yàn)圓臺(tái)面積為50 cm2，圓臺(tái)相距180 mm.揉搓試驗(yàn)分兩步完成：① 上揉搓圓臺(tái)向下平移90 mm的同時(shí)旋轉(zhuǎn)440°±4°；② 上揉搓圓臺(tái)向下平移65 mm，再恢復(fù)至原位.整個(gè)過(guò)程下揉搓圓臺(tái)固定不動(dòng)，如圖3所示.

圖3 揉搓試驗(yàn)

表1 不同損傷程度的揉搓試驗(yàn)條件

2 空氣泄漏率試驗(yàn)

2.1 空氣泄漏率試驗(yàn)過(guò)程

泄漏率可以表征透氣性[33]，即在規(guī)定試驗(yàn)面積、壓降和時(shí)間條件下，氣流垂直通過(guò)試樣的流速.利用改裝后的泄漏與密封強(qiáng)度測(cè)試儀和自制試驗(yàn)圓臺(tái)對(duì)老化揉搓后的試驗(yàn)件進(jìn)行泄漏率試驗(yàn).為保證試樣邊緣不漏氣，使用夾具和橡膠墊圈平整的固定試樣，試驗(yàn)原理如圖4(a)所示.利用風(fēng)機(jī)向試驗(yàn)圓臺(tái)充入900 Pa空氣，待壓差降為45 Pa時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，記錄壓強(qiáng)-時(shí)間曲線.每1個(gè)試驗(yàn)件采樣5次(采樣位置的選取應(yīng)盡量不包含重復(fù)區(qū)域，且避開(kāi)邊緣區(qū)域)，依次編號(hào)為a、b、c、d、e，如圖4(b)所示.

圖4 泄漏率試驗(yàn)原理圖

2.2 空氣泄漏率計(jì)算

參照GB/T 5453-1997規(guī)范[33]計(jì)算壓差為50、100、200、300、400及500 Pa處的空氣泄漏率.根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可以得到各壓差狀態(tài)下試驗(yàn)圓臺(tái)內(nèi)氣體質(zhì)量：

(1)

式中：M為氣體的摩爾質(zhì)量；p為試驗(yàn)圓臺(tái)內(nèi)氣體壓強(qiáng)差；patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；V為試驗(yàn)圓臺(tái)體積；R為空氣氣體常數(shù)；Tgas為氣體絕對(duì)溫度.利用微分法將特定壓差對(duì)應(yīng)時(shí)刻t的空氣質(zhì)量表示為線性函數(shù)形式：

(2)

(3)

式中：ρa(bǔ)tm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓ISA海平面大氣密度.利用氣體流量可得到空氣泄漏率：

K=Q/A

(4)

式中：A為試驗(yàn)截面面積.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 短期老化對(duì)材料空氣泄漏率的影響

為了揭示老化對(duì)材料空氣泄漏率的影響，對(duì)各老化月份不同揉搓次數(shù)的試件進(jìn)行泄漏率試驗(yàn).每個(gè)老化月份下，每種揉搓條件的試驗(yàn)件各2件，每個(gè)試件在不同位置(圖4(b))共取樣5次，即每個(gè)月份下每種揉搓條件下空氣泄漏率試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為10組，為消除試驗(yàn)和人為誤差將10組數(shù)據(jù)取均值，得到各老化月份下，不同揉搓條件及不同壓強(qiáng)差條件下的空氣泄漏率，如圖5所示, 圖中n為揉搓次數(shù).可以看出，各月份的數(shù)據(jù)分布規(guī)律一致，即空氣泄漏率隨著揉搓次數(shù)和壓差的增大而逐漸增大.另外，在相同條件下的空氣泄漏率分布集中，并無(wú)明顯差別，即短期老化對(duì)材料的空氣泄漏率幾乎沒(méi)有影響.

圖5 新材料及各老化月份泄漏率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 壓強(qiáng)差對(duì)空氣泄漏率的影響

為了揭示壓強(qiáng)差對(duì)材料空氣泄漏率的影響，采用最小二乘法對(duì)相同揉搓條件、不同壓差下材料的空氣泄漏率試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，如圖6所示，得到材料空氣泄漏率與壓強(qiáng)差的關(guān)系曲線，擬合曲線表達(dá)式為

圖6 空氣泄漏率與壓強(qiáng)差關(guān)系曲線

KZi=aZip

(5)

式中：KZi(i=01、02、03、04)為在不同揉搓條件下材料的泄漏率；aZ01、aZ02、aZ03及aZ04為系數(shù)，分別取值2.59×10-4、9.40×10-5、3.22×10-5及5.57×10-6.由圖6可知，材料空氣泄漏率與壓強(qiáng)差為線性關(guān)系.壓差越大，材料空氣泄漏率越大.材料兩側(cè)無(wú)壓差時(shí)，空氣泄漏率0.揉搓次數(shù)越多，擬合曲線的斜率越大.

3.3 揉搓次數(shù)對(duì)空氣泄漏率的影響

為了揭示揉搓次數(shù)對(duì)材料空氣泄漏率的影響，將相同壓強(qiáng)差下不同揉搓次數(shù)的空氣泄漏率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.囊體材料是多層復(fù)壓結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)層對(duì)泄漏率的阻隔能力差異較大，其中功能層的阻隔能力占絕大部分[22].n<270時(shí)，材料損傷特征由紗線松散向各功能層破壞發(fā)展，此階段損傷部位為各功能層，損傷狀態(tài)變化劇烈，空氣泄漏率呈現(xiàn)明顯的非線性.n>270時(shí)，損傷特征由功能層破壞向紗線纖維斷裂，產(chǎn)生針孔等狀態(tài)衍變，此階段損傷部位為紗線層，其幾乎無(wú)阻隔能力，空氣泄漏率呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，故采用最小二乘法對(duì)空氣泄漏率試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行非線性和線性分段擬合，如圖7所示，擬合方程為

(6)

式中：Kpj(j=50、100、200、300、400、500)為在j壓差下材料的空氣泄漏率；apj、bpj、cpj、dpj(j=50、100、200、300、400、500)為在j壓差下的參數(shù)值，如表2所示.

表2 參數(shù)值

由圖7可知，在無(wú)揉搓條件下，材料空氣泄漏率為0；當(dāng)n<270時(shí)，揉搓次數(shù)與空氣泄漏率為非線性關(guān)系，曲線斜率隨揉搓次數(shù)的增大逐漸減小，但隨著n的增加，材料的空氣泄漏率亦逐漸增大，說(shuō)明揉搓次數(shù)越多對(duì)材料的損傷越嚴(yán)重.當(dāng)n>210時(shí)，n與空氣泄漏率為線性關(guān)系，說(shuō)明n達(dá)到一定數(shù)量材料的損傷狀態(tài)逐漸穩(wěn)定.隨著p的增大，曲線逐漸上移，即p越大，空氣泄漏率越大.當(dāng)p較小時(shí)，如圖7(a)中p=50、100 Pa對(duì)應(yīng)曲線，其非線性特征不明顯.當(dāng)p>200 Pa時(shí)，其非線性特征很明顯.說(shuō)明當(dāng)n較小時(shí)，p會(huì)增加曲線的非線性特征.

圖7 空氣泄漏率與揉搓次數(shù)的關(guān)系曲線

3.4 空氣泄漏率響應(yīng)曲面

Kpn=4.39×10-6p+7.51×10-7n+

1.01×10-7pn

(7)

式中：Kpn為在不同揉搓次數(shù)n及壓差p下材料的空氣泄漏率.由圖8可見(jiàn)，隨著壓差和揉搓次數(shù)的增大，材料的空氣泄漏率呈上升趨勢(shì).這是由于隨著揉搓次數(shù)的增加，材料的損傷變得嚴(yán)重.此外，壓差的增大也會(huì)加大材料的空氣泄漏率.

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 宏觀機(jī)理分析

試驗(yàn)件在揉搓后會(huì)產(chǎn)生大量折痕，這些折痕是折皺損傷的宏觀表現(xiàn).材料損傷的衍變過(guò)程在宏觀上表現(xiàn)為折痕深度、寬度及數(shù)量的變化.當(dāng)揉搓達(dá)到一定次數(shù)后，在折皺損傷嚴(yán)重區(qū)域會(huì)產(chǎn)生針孔，隨著揉搓次數(shù)的繼續(xù)增大，針孔總面積會(huì)逐漸擴(kuò)大，圖9(a)、9(b)分別為Z02(揉搓900次)條件下?lián)p傷折痕圖、針孔圖.

試驗(yàn)結(jié)果表明，揉搓產(chǎn)生的折皺損傷會(huì)嚴(yán)重影響材料的空氣泄漏率.圖10為不同揉搓條件下材料折皺損傷外觀圖，圖中可見(jiàn)許多長(zhǎng)短不一的折痕.將沿試件短邊約75° 方向由上及下連續(xù)的折痕稱(chēng)為長(zhǎng)折痕，如圖中實(shí)線所示.除長(zhǎng)折痕外，其他類(lèi)型的折痕全部稱(chēng)為短折痕，如圖中虛線所示.隨著揉搓次數(shù)的增加，材料開(kāi)始產(chǎn)生折皺損傷.折痕形成過(guò)程是“揉搓-恢復(fù)-揉搓”的動(dòng)態(tài)過(guò)程，是多種作用力累計(jì)做功的表現(xiàn).圖10(a)為全揉搓20次試驗(yàn)結(jié)果，圖中可見(jiàn)數(shù)條一定深度和寬度的長(zhǎng)折痕及一些不很明顯的短折痕，這些折痕是揉搓試驗(yàn)機(jī)以一定角度和行程對(duì)囊體材料造成的損傷，在長(zhǎng)折痕以及折痕交叉處為材料損傷最嚴(yán)重的區(qū)域.圖10(b)為全揉搓270次試驗(yàn)結(jié)果，圖中長(zhǎng)折痕數(shù)量與圖10(a)中長(zhǎng)折痕數(shù)量相同，但長(zhǎng)折痕寬度和深度更大，且短折痕的數(shù)量及其深度和寬度增加最為明顯，折痕交叉點(diǎn)的數(shù)量也在增加.圖10(c)為全揉搓900次試驗(yàn)結(jié)果，較圖10(a)、10(b)，此圖折痕交叉點(diǎn)數(shù)量繼續(xù)增加，短折痕的深度和寬度仍在增大.圖10(d)為全揉搓 2 700 次試驗(yàn)結(jié)果，圖中長(zhǎng)折痕數(shù)量仍未改變，短折痕深度和寬度繼續(xù)增大并與長(zhǎng)折痕縱橫交錯(cuò)使材料交叉點(diǎn)顯著增加.

圖10 不同揉搓條件下折痕特征衍變圖

圖10所示為材料在揉搓過(guò)程中折痕特征的演化規(guī)律.當(dāng)n<20時(shí)，長(zhǎng)折痕已產(chǎn)生，但針孔還未出現(xiàn).n達(dá)到270～900時(shí)，長(zhǎng)折痕數(shù)量雖不會(huì)變化，但深度和寬度會(huì)增加，折痕交叉點(diǎn)也會(huì)增多，針孔開(kāi)始出現(xiàn).隨著n的繼續(xù)增加，針孔邊緣因受到應(yīng)力集中效應(yīng)，相鄰針孔被撕裂擴(kuò)展為1個(gè)大針孔，因而針孔總面積會(huì)逐漸增加.正如圖7所示，隨著揉搓次數(shù)的增加，圖中曲線逐漸上升，即揉搓次數(shù)越大，材料損傷越嚴(yán)重，空氣泄漏率越大.壓差越大，曲線的非線性特征越明顯.n>270時(shí)，材料折皺損傷嚴(yán)重區(qū)域會(huì)產(chǎn)生針孔，這些區(qū)域的功能層大部分都已破壞，承力層纖維束開(kāi)始斷裂破壞，另外耐候?qū)雍妥韪魧拥裙δ軐拥淖韪裟芰φ急冗_(dá)99.8%以上，承力層幾乎沒(méi)有任何阻隔能力[22].因此當(dāng)n<270時(shí)，由于損傷區(qū)域功能層已破壞，空氣泄漏率增加幅度較大，曲線的非線性特征特別明顯.當(dāng)n>270時(shí)損傷特征為纖維絲的斷裂，針孔總面積緩慢增加，曲線呈現(xiàn)線性特征.

4.2 微觀機(jī)理分析

4.2.1老化損傷 日照對(duì)囊體材料的老化損傷作用主要是波長(zhǎng)290～400 nm的紫外線破壞了高分子聚合物中的C—C、C—H化學(xué)鍵造成的.飛艇服役環(huán)境高溫狀態(tài)會(huì)影響高分子聚合物分子鏈構(gòu)造，使氣體分子更容易透過(guò)囊體材料.本試驗(yàn)采用的Uretek3216-LV材料的耐候?qū)雍妥韪魧泳哂谐瑥?qiáng)的抗紫外線照射能力及耐高溫能力，因此老化作用對(duì)本試驗(yàn)材料影響不大.利用掃描電鏡觀察新材料及老化12月材料防護(hù)層表面形貌，結(jié)果如圖11所示.

圖11 新材料與老化損傷材料的微觀結(jié)構(gòu)

由圖5可知，在相同揉搓次數(shù)及壓差下，老化月份對(duì)材料空氣泄漏率差別不大，說(shuō)明老化對(duì)材料損傷影響很小，幾乎可忽略不計(jì).但較大的揉搓和壓強(qiáng)差會(huì)增大材料空氣泄漏率的離散性，因?yàn)楦髟路堇匣嚰p傷衍變過(guò)程雖一致，但每個(gè)試件功能層損傷區(qū)域的位置具有隨機(jī)性，針孔面積的大小具有一定的離散性，并且揉搓次數(shù)越多，壓差越大，這種現(xiàn)象越明顯.由圖11也可看出老化12月后，囊體材料防護(hù)層的微觀結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有發(fā)生變化，亦可以證明老化作用對(duì)材料的空氣泄漏率沒(méi)有影響.

4.2.2折皺損傷 折皺損傷對(duì)材料空氣泄漏率有很大影響，利用掃描電子顯微鏡可觀察到不同揉搓條件下材料損傷的微觀形貌，可將揉搓過(guò)程對(duì)材料損傷程度的強(qiáng)弱概括為3個(gè)階段.

第1階段：紗線扭曲、松散變形.當(dāng)揉搓次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后，應(yīng)力松弛和蠕變使材料疲勞發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生折痕，紗線發(fā)生扭曲變形，損傷后紗線間由于黏結(jié)力不足以承受外力作用而松散.圖12(a)為材料全揉搓20次微觀形貌，囊體材料采用平織法編織而成，經(jīng)過(guò)揉搓等外力作用后，經(jīng)緯向開(kāi)始扭曲變形，部分紗線束開(kāi)始松散分離.

圖12 老化一月材料不同揉搓條件下的微觀形貌

第2階段：功能層破壞.Uretek3216-LV囊體材料功能層厚度較薄，主要起黏結(jié)、抗紫外線及阻隔等作用.隨著揉搓次數(shù)的增加，各種作用力累計(jì)做功達(dá)到一定程度后將破壞功能層材料的化學(xué)鍵而使其破損.圖12(b)為材料全揉搓270次微觀形貌，可觀察到材料折皺損傷區(qū)域功能層基本全部破損，紗線束開(kāi)始松散并有極少量纖維絲斷裂現(xiàn)象.

第3階段：經(jīng)緯向纖維絲大量斷裂，針孔開(kāi)始產(chǎn)生.經(jīng)緯紗線的功能主要是承受外部荷載，但當(dāng)揉搓達(dá)到一定次數(shù)后，紗線由于長(zhǎng)時(shí)間受到拉力、彎矩、扭轉(zhuǎn)、摩擦力等各種作用力而產(chǎn)生疲勞斷裂破壞.圖12(c)為材料全揉搓900次微觀形貌，圖中損傷區(qū)域功能層已完全破壞，經(jīng)緯向纖維束完全松散，纖維絲斷裂數(shù)量明顯增多，在強(qiáng)光條件下憑肉眼可觀察到針孔出現(xiàn).圖12(d)為材料全揉搓 2 700 次微觀形貌，圖中纖維絲大量斷裂，針孔面積進(jìn)一步增加.

n<270時(shí)，損傷區(qū)域紗線束松散，功能層基本全部破壞，此階段損傷特征變化明顯，且損傷位于阻隔性能最好的阻隔層和耐候?qū)樱虼丝諝庑孤┞首兓?，曲線的非線性特征明顯.當(dāng)n>270時(shí)，承力層纖維絲開(kāi)始出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，進(jìn)而在該區(qū)域形成針孔，隨著揉搓次數(shù)的繼續(xù)增加，由于應(yīng)力集中效應(yīng)，針孔會(huì)逐漸擴(kuò)大，此階段損傷特征單一，主要為針孔面積的逐漸擴(kuò)大.研究表明[36]，復(fù)合材料的孔隙率與透氣率呈線性關(guān)系，因此此階段空氣泄漏率與揉搓次數(shù)呈線性關(guān)系.

飛艇囊體材料的折皺損傷除了對(duì)其氣體泄漏性能有影響，還對(duì)其力學(xué)行為如拉伸強(qiáng)度和彈性模量也有較大影響，并且存在明確的微觀纖維損傷作用機(jī)制，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4].

5 結(jié)論

本文利用試驗(yàn)方法揭示了短期老化與折皺損傷對(duì)飛艇囊體材料空氣泄漏率的影響規(guī)律.通過(guò)宏觀和微觀損傷機(jī)理解釋了該試驗(yàn)規(guī)律.主要結(jié)論如下：

(1)短期老化對(duì)飛艇囊體材料空氣泄漏率幾乎無(wú)影響.各老化月份試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布規(guī)律相同，并且在相同條件下無(wú)明顯差別.老化后材料的微觀形貌沒(méi)有發(fā)生明顯變化，表明老化對(duì)材料空氣泄漏率影響很小.

(2)空氣泄漏率與壓強(qiáng)差呈正比例關(guān)系.揉搓次數(shù)小于270，空氣泄漏率與揉搓次數(shù)為非線性正相關(guān)關(guān)系，揉搓次數(shù)大于270，空氣泄漏率與揉搓次數(shù)為線性關(guān)系.揉搓次數(shù)小于270時(shí)，材料損傷特征變化劇烈，空氣泄漏率增加程度較大，曲線非線性關(guān)系明顯.揉搓次數(shù)大于270時(shí)，損傷特征為針孔面積逐步增大，空氣泄漏率為線性關(guān)系.

(3)揉搓會(huì)破壞材料功能層及經(jīng)緯向紗線，損傷微觀特征基本可劃分為3階段：紗線松散扭曲變形階段、功能層破壞階段及紗線纖維束斷裂針孔產(chǎn)生階段.揉搓損傷在宏觀表現(xiàn)為折痕特征的衍變過(guò)程為長(zhǎng)折痕形成、折痕交叉點(diǎn)增多及折痕寬度深度加大.