縫合結(jié)構(gòu)對氧化鋁涂層織物接縫性能的影響

黃叢 趙興祖 張賀 官思佳 劉可帥 劉洋

摘 要：為了探究氧化鋁涂層織物的縫合性能和接縫效率，采用氧化鋁縫紉線對氧化鋁涂層織物進(jìn)行縫合，通過調(diào)控縫紉線的股數(shù)、條數(shù)、間距和針距探究縫合結(jié)構(gòu)對接縫力學(xué)性能的影響，同時測試氧化鋁織物涂層前后的力學(xué)性能，分析接縫效率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：氧化鋁織物涂層前與涂層后的拉伸斷裂強(qiáng)度分別為586.5、638.7 N/cm。縫紉線股數(shù)為單股和雙股時，氧化鋁涂層織物的接縫強(qiáng)度為37.1、47.0 N/cm，采用雙股縫合的接縫強(qiáng)度比單股高出27%?？p線間距分別為5、10、20 mm時，織物的接縫強(qiáng)度分別為49.1、47.0、59.1 N/cm。縫紉線條數(shù)分別為1、2、3條時，織物的接縫強(qiáng)度分別為35.0、47.0、99.5 N/cm?？p紉線針距分別為3、5、10 mm時，織物的接縫強(qiáng)度為73.3、47.0、26.6 N/cm。氧化鋁涂層織物接縫效率在4.2%～15.6%?？傊?，為使氧化鋁涂層織物接縫強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，應(yīng)選雙股線、多條數(shù)、大間距，在工況條件和生產(chǎn)效率允許的范圍內(nèi)，盡可能減小針距但不宜小于3 mm。

關(guān)鍵詞：氧化鋁涂層織物；氧化鋁縫紉線；縫合結(jié)構(gòu)；接縫強(qiáng)度；接縫效率

中圖分類號：TS102.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）04-0148-07

收稿日期：2023－01－10

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期：2023－03－23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52203373）

作者簡介：黃叢（1985—），男，黑龍江齊齊哈爾人，高級工程師，碩士，主要從事航天先進(jìn)材料及產(chǎn)業(yè)推廣方面的研究。

通信作者：劉洋，E-mail： liuyang2014_cool@163.com

氧化鋁纖維主要成分為三氧化二鋁（Al2O3），具有耐高溫、高溫抗氧化、高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕和電絕緣等優(yōu)異性能［1］。經(jīng)過甩絲法制備的氧化鋁纖維短纖可以加工成纖維氈，廣泛應(yīng)用于汽車尾氣管［2］、高溫爐、航天航空隔熱器件等耐高溫隔熱領(lǐng)域。通過溶膠-凝膠法制備的連續(xù)氧化鋁纖維長絲，可以加工成紗線、織物，作為柔性熱力防護(hù)外表面材料［3-4］。用于加工纖維氈和織物的氧化鋁纖維主要成份通常為70% Al2O3和28% SiO2，氧化鋁晶型為γ型。而應(yīng)用于航天航空剛性熱力結(jié)構(gòu)件的氧化鋁陶瓷復(fù)合材料領(lǐng)域，氧化鋁纖維中Al2O3含量在85%以上，晶型為α型氧化鋁［5-6］。

氧化鋁纖維織物作為柔性熱承力耐高溫材料，是新型柔性熱防護(hù)系統(tǒng)研發(fā)的最有潛力材料之一。柔性熱防護(hù)系統(tǒng)通常由大尺寸的多層多種材料組成，同種材料之間、異種材料之間需要依靠縫合連接成型［7］。張麗娟等［8］研究了縫紉線種類、針距、縫合方式對芳綸織物接縫性能的影響。蔣培清等［9］研究了不同縫合類型對亞麻織物撕裂破壞影響。傅海洪等［10］研究了接縫角度和針距對滌棉面料接縫性能的影響。李猛等［11］通過改變縫合方式與結(jié)構(gòu)來對比分析航天服層織物的縫合性能與接縫效率。孫現(xiàn)凱等［12］將氧化鋁纖維紙、氧化硅氣凝膠和石墨紙進(jìn)行縫合制備出柔性隔熱材料。楊霞等［13］采用Vectran囊體材料，通過縫合、熱合等制作工藝分別設(shè)計(jì)出不同的搭接面結(jié)構(gòu)，通過控制縫合和熱合工藝來對9種結(jié)構(gòu)搭接面進(jìn)行力學(xué)性能測試。相對于普通織物，涂層織物既保留了柔韌性，又具有較好的阻氣熱防護(hù)性能。目前研究工作主要聚焦于有機(jī)纖維織物的縫合性能研究，針對耐高溫?zé)o機(jī)纖維的氧化鋁織物涂層縫合性能的探究較少。此外氧化鋁纖維模量高、脆性大，經(jīng)過縫合后氧化鋁涂層織物的力學(xué)性能與破壞模式急需了解。為此，本文通過對比氧化鋁織物涂層前后力學(xué)性能，設(shè)計(jì)多種縫合結(jié)構(gòu)方案對涂層織物進(jìn)行縫合，進(jìn)行接縫力學(xué)性能探究，希望為氧化鋁織物基航天航空柔性熱防護(hù)材料的研發(fā)提供新的技術(shù)途徑。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

國產(chǎn)氧化鋁纖維（198 tex）、氧化鋁縫紉線由航天科工空間工程發(fā)展有限公司提供，涂料SF46-1（A）、SF46-2（B）由航天科工集團(tuán)第六研究院四十六所提供，石油醚（分析純、國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。氧化鋁織物采用半自動小樣織機(jī)織造、經(jīng)密/（80根·（10 cm）-1）、緯密/（75根·（10 cm）-1），織物組織均為1上/3下破斜紋。

1.2 織物涂層整理

1.2.1 涂層劑的制備

將涂料SF46-1（A）、SF46-2（B）與石油醚按質(zhì)量比為110∶1∶222依次加入燒杯中，使用玻璃棒攪拌30 min，使得SF46-1（A）與SF46-2（B）完全溶解在石油醚中。

1.2.2 涂層工藝

將所配制的涂層劑采用毛刷均勻涂覆到氧化鋁織物表面，織物涂層后放入烘箱中，40 ℃烘干2 h、70 ℃烘干4 h、120 ℃烘干4 h。

1.3 織物縫合方案

縫紉線縫合是織物材料的主要連接方式之一，通過縫紉線縫合為織物組織結(jié)構(gòu)提供從一片織物到另一片織物的應(yīng)力傳遞，且保持了織物的完整性。因氧化鋁涂層織物主要應(yīng)用于航空航天極端高溫環(huán)境，氧化鋁涂層織物的縫合需要采用與之材質(zhì)和耐高溫性能匹配的縫紉線，因此本文采用氧化鋁縫紉線進(jìn)行縫合。氧化鋁涂層織物縫合結(jié)構(gòu)方案如表1所示，織物縫合試樣如圖1所示。通過改變縫線股線（單、雙股）、縫線間距（5、10、20 mm）、縫線條數(shù)（1、2、3條）和縫線針距（3、5、10 mm）來進(jìn)行接縫強(qiáng)度的研究?？p線間距為相鄰兩條縫合跡線之間的距離?？p線針距為縫合時兩個針眼之間的長度。

1.4 測試與表征

1.4.1 織物與縫合試樣拉伸性能試驗(yàn)方法

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13773.1—2008《紡織品 織物及其制品的接縫拉伸性能 第1部分：條樣法接縫強(qiáng)力的測定》，采用英斯特朗電子萬能試驗(yàn)機(jī)（INSTRON 5967）進(jìn)行拉伸測試，氧化鋁織物與縫合試樣均采用30 kN載荷傳感器，有效測試長度為100 mm、寬度為50 mm，加載速率為20 mm/min。試樣兩端粘貼硬紙片作為加強(qiáng)片來防止打滑。為進(jìn)一步分析試樣接縫牢固程度，采用式（1）計(jì)算接縫效率：

U/%=FF0×100（1）

式中：U為接縫效率；F為縫合試樣拉伸斷裂強(qiáng)度，N/cm；F0為涂層織物斷裂強(qiáng)度，N/cm。

1.4.2 織物涂層比例測定

采用電子天平稱重氧化織物的重量與涂層烘干后的重量。采用式（2）計(jì)算織物涂層比例：

P/%=W1－W2W1×100（2）

式中：P為織物涂層比例；W1為織物涂層烘干后的重量，g；W2為織物涂層前的重量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁織物涂層前后力學(xué)性能

氧化鋁織物經(jīng)過涂料涂層后，由式（2）計(jì)算可知織物涂層比例為織物總質(zhì)量的33%。圖2為氧化鋁織物涂層前后拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線。氧化鋁織物的拉伸斷裂強(qiáng)度為（586.5±39.2） N/cm，經(jīng)過涂層后，氧化鋁涂層織物拉伸斷裂強(qiáng)度提升至（638.7±81.3） N/cm，涂層使得織物力學(xué)性能提高8.9%。在拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線起始階段，涂層前氧化鋁織物拉伸強(qiáng)度隨著應(yīng)變的增加而緩慢增加，此時為屈曲紗線伸直過程；涂層后氧化鋁織物拉伸斷裂強(qiáng)度隨著應(yīng)變的增加而快速增加，主要是涂層黏結(jié)了氧化鋁纖維，限制了氧化鋁紗線之間的滑移，氧化鋁織物變得較為硬挺。隨著應(yīng)變繼續(xù)增加，兩種織物拉伸強(qiáng)度均呈直線迅速增加，直至強(qiáng)度達(dá)到最大值，紗線發(fā)生斷裂，拉伸強(qiáng)度開始明顯下降，表現(xiàn)為脆性斷裂破壞特征，涂層后氧化鋁織物拉伸強(qiáng)度下降更快速，表明涂層后織物的脆性斷裂特征比涂層前更明顯一些。

2.2 氧化鋁涂層織物縫合力學(xué)性能

采用表1中的縫合結(jié)構(gòu)方案對氧化鋁涂層織物進(jìn)行縫合，測試氧化鋁涂層織物的接縫拉伸性能，其縫合性能結(jié)果總結(jié)如表2所示。

2.2.1 縫線股數(shù)對接縫性能的影響

由表2可知，當(dāng)縫線條數(shù)為2條、縫線間距為5 mm、縫線針距為5 mm時，縫線股數(shù)采用單股縫紉線、雙股縫紉線縫合時氧化鋁涂層織物的斷裂強(qiáng)度分別為37.1、47.0 N/cm，接縫效率分別為5.8%和7.4%。采用雙股縫紉線要比單股縫紉線斷裂強(qiáng)度高27%。圖3為氧化鋁涂層織物縫合縫紉線為單、雙股時接縫拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線。由圖3可看出，接縫拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線整體變化趨勢為先直線上升，后產(chǎn)生一定的震蕩幅度緩慢上升，當(dāng)上升至最大值后，單股縫線曲線開始直線下降，雙股縫線曲線由震蕩上升轉(zhuǎn)變?yōu)檎鹗幭陆?。起始階段，拉伸應(yīng)變相同時，雙股縫紉線的接縫強(qiáng)度大于單股縫紉線，表明單股縫紉線接縫拉伸模量低于雙股縫紉線接縫拉伸模量。直線上升階段，兩條曲線均保持直線上升，直至斷裂拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。在曲線后半段，兩條曲線都發(fā)生震蕩，雙股震蕩頻率比單股大，此階段織物的破壞模式為氧化鋁縫紉線的斷裂、由縫紉線剪切織物中紗線造成的斷裂，總體表現(xiàn)為紗線不同時斷裂。但單股縫線震蕩過后發(fā)生直線下降，表明單股縫合的接縫抵抗外力損傷能力不如雙股線縫合的接縫。因?yàn)閱喂煽p紉線的細(xì)度為雙股的一半，隨著拉伸應(yīng)變逐步變大，縫紉線越細(xì)，對織物的剪切作用越明顯，導(dǎo)致織物中紗線斷裂越嚴(yán)重。這也是斷裂強(qiáng)度都達(dá)到最大值時，單股縫線的斷裂應(yīng)變比雙股縫線低的主要原因。

2.2.2 縫線間距對接縫性能的影響

由表2可知：當(dāng)雙股縫線、縫線條數(shù)為2條、縫線針距為5 mm時，縫線間距為5 、10 mm和20 mm時的斷裂強(qiáng)度分別為49.1、47.0 N/cm和59.1 N/cm，接縫效率分別為7.7%、7.4%和9.3%。當(dāng)縫紉線間距為5 mm和10 mm，織物接縫強(qiáng)度差距較小。在間距增大為20 mm后，接縫強(qiáng)度有明顯提高，達(dá)到59.1 N/cm，相對前兩種縫合結(jié)構(gòu)提高20%左右。

圖4為氧化鋁涂層織物縫線間距為5、10 mm和20 mm的拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線。由圖4可看出，3條拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線整體變化趨勢和圖3一致，先直線上升、震蕩緩慢上升、后震蕩下降。間距20 mm的試樣模量最大、斷裂應(yīng)變?yōu)?%左右，間距5 mm和間距10 mm斷裂應(yīng)變都在10%。間距越大，縫線中間部分緯紗越多，縫線帶動緯紗滑移越困難，拉伸強(qiáng)度就越高，斷裂應(yīng)變越小。

2.2.3 縫線條數(shù)對接縫性能的影響

由表2可知：當(dāng)雙股縫線、縫線間距為10 mm、縫線針距為5 mm時，縫線條數(shù)為1條時接縫強(qiáng)度為35.0 N/cm；縫合條數(shù)為2條時接縫強(qiáng)度達(dá)到47.0 N/cm，相對于一條縫線的接縫強(qiáng)度提升34%；當(dāng)縫合條數(shù)為3條時，接縫強(qiáng)度達(dá)到99.5 N/cm，相對兩條縫線的接縫強(qiáng)度再次提高112%。當(dāng)縫線條數(shù)增加后，接縫強(qiáng)度明顯提高，表明縫合條數(shù)對接縫強(qiáng)度的影響較大。但接縫效率最高僅為15.6%，明顯低于滌綸織物74%的接縫效率［11］。接縫受到拉伸加載時，縫紉線與織物中紗線發(fā)生相互剪切作用，氧化鋁耐剪切性能差，導(dǎo)致接縫效率明顯低于滌綸一類的有機(jī)纖維織物。

圖5為氧化鋁涂層織物不同縫線條數(shù)時接縫拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線。由圖5可看出，3條曲線整體變化趨勢為先直線上升，當(dāng)上升至最大值后，1條縫線曲線開始直線下降，縫線切割織物發(fā)生破壞、斷裂，此時沒有剩余縫線繼續(xù)承載力的傳遞，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，氧化鋁涂層織物接縫表現(xiàn)為崩潰式破壞。2條縫線曲線發(fā)生震蕩下降，同樣發(fā)生織物中紗線被切割斷裂，但并不是同時發(fā)生，所以曲線呈現(xiàn)震蕩下降現(xiàn)象，接縫處紗線的斷裂不同時性比1條縫線縫合時增加。3條縫線曲線由小幅度震蕩上升轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠓日鹗幧仙?、最后下降，接縫處紗線先少量斷裂，織物中緯紗在縫線的作用下滑移、聚集，緯紗聚集到一定程度導(dǎo)致接縫強(qiáng)度輕微上升，最后縫紉線和織物中紗線發(fā)生大量斷裂。接縫處破壞模式由1條縫線時的崩潰式破壞轉(zhuǎn)變?yōu)?條縫線的震蕩式緩慢破壞，這種破壞模式的轉(zhuǎn)變與其他影響因素也相關(guān)，但是縫線條數(shù)對破壞模式的轉(zhuǎn)變最為明顯。

2.2.4 縫線針距對接縫性能的影響

由表2可知：當(dāng)雙股縫線、縫線間距為10 mm、縫線條數(shù)為2條，縫線針距為3 、5 mm和10 mm時接縫拉伸斷裂強(qiáng)度分別為73.3、47.0 N/cm和26.6 N/cm。隨著針距逐漸減小，縫合試樣的斷裂強(qiáng)度逐漸增大，3 mm針距時接縫拉伸斷裂強(qiáng)度是10 mm針距接縫的2.7倍。

圖6為氧化鋁涂層織物縫線針距為3 、5 mm和10 mm的拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線。由圖6可以看出，曲線整體變化趨勢為先直線上升、微小震蕩幅度上升、后振動下降。3 mm針距曲線在最上方，5mm針距曲線在中間，10 mm針距曲線在最下方，表明3 mm針距接縫拉伸模量、強(qiáng)度均大于5 mm和10 mm針距。主要原因縫線針距減小，單位長度上的縫合點(diǎn)越多，在拉伸過程中，紗線之間的承力越大、力傳遞作用越明顯，承力紗線越多，拉伸強(qiáng)力也越大。

2.2.5 縫合織物拉伸前后形貌

氧化鋁涂層織物接縫拉伸斷裂前后的形貌如圖7所示。由圖7可以看出，縫合織物拉伸前形貌較為平整，涂層均勻涂覆在織物表面，由于氧化鋁纖維脆性大、耐剪切性差，通過顯微鏡放大可看出織物中氧化鋁紗線因縫針的穿插而發(fā)生部分?jǐn)嗔?，通過掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)一步放大紗線表面可看出，纖維被涂層均勻覆蓋。拉伸受力前縫線位于織物表面，當(dāng)受力拉伸后，紗線受到縫線拉伸擠壓而產(chǎn)生嚴(yán)重變形，部分紗線因變形過大而使纖維與涂層均發(fā)生斷裂，導(dǎo)致織物接縫強(qiáng)度下降，并且紗線也由織物表面位移至織物內(nèi)部。由此可見，采用氧化鋁縫紉線對氧化鋁涂層織物縫合時，氧化鋁縫紉線與織物中氧化鋁紗線之間的擠壓、剪切破壞作用較為明顯，由于氧化鋁纖維耐剪切性差，導(dǎo)致縫合接縫效率較低（見表2）。

3 結(jié) 論

采用氧化鋁縫紉線對氧化鋁涂層織物進(jìn)行手工縫合，通過調(diào)控縫合結(jié)構(gòu)參數(shù)，探究縫合結(jié)構(gòu)對接縫力學(xué)性能和接縫效率的影響，分析接縫破壞模式，主要結(jié)論如下：

a） 氧化鋁織物在涂層整理后拉伸強(qiáng)度和模量均有所提高，且織物變得較為硬挺。

b） 采用雙股縫紉線縫合時，氧化鋁涂層織物接縫拉伸強(qiáng)度高于單股縫紉線縫合的接縫強(qiáng)度，且采用雙股縫紉線能夠增加接縫處紗線斷裂的不同時性。

c） 選用較大的縫線間距（20 mm）進(jìn)行縫合，可提高氧化鋁涂層織物的接縫強(qiáng)度。

d） 縫線條數(shù)越多，氧化鋁涂層織物接縫拉伸強(qiáng)度越大；隨著縫線條數(shù)的增加，接縫處破壞模式由崩潰式轉(zhuǎn)變?yōu)檎鹗幨骄徛茐?，承力紗線增多，紗線的斷裂不同時性明顯增加。

e） 縫線針距越?。ǖ灰诵∮? mm），縫合密度越大，在拉伸過程中，紗線之間滑移阻力大、力的傳遞就越明顯，抵抗外力的紗線越多，接縫拉伸強(qiáng)度越大。

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Effect of the stitching structure on seam performance of coated alumina fabrics

HUANG Cong1，2，3， ZHAO Xingzu2， ZHANG He1，3，4， GUAN Sijia1，3， LIU Keshuai2， LIU Yang2

（1.CASIC Space Engineer Development Co.， Ltd.， Beijing 100854， China; 2.State Key Laboratory of New Textile Materials

and Advanced Processing Technologies， Wuhan Textile University， Wuhan 430200， China; 3.General Space Engineering

Department of China Aerospace Science and Industry Corporation， Beijing 100854， China; 4.School of Materials Science

and Engineering，Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract：

Facing the needs of planetary exploration and landing， flexible inflatable vehicle technology has become one of the most potential key technologies. Flexible inflatable aircraft require high temperature resistance and large size， and it is usually stitched by high-performance and high-temperature resistant fiber fabrics to form complex curved surface structures. Alumina fibers， with the characteristics of high modulus and good high temperature resistance， have become one of the most potential materials for thermal protection materials of flexible inflatable aircraft. After the alumina fibers are made into a fabric， the bending resistance is poor， and the surface coating treatment makes the fabric have better flexibility， gas barrier and heat insulation properties and mechanical properties. However， there is a lack of knowledge about the seaming method， seam performance， and seam failure mechanism of alumina-coated fabrics.

In order to explore the seaming performance and seam efficiency of alumina-coated fabrics， alumina-coated fabrics were sewn with alumina sewing threads. The effects of the stitch structure on the mechanical properties of the seam were explored by adjusting the number of strands， stripes， spacing and needle spacing of the sewing threads， and the changing rule of the seam efficiency was analyzed. The results show that the tensile breaking strengths of the alumina fabric before and after coating finishing are 586.5 and 638.7 N/cm， respectively. The coating improves the mechanical properties of the alumina-coated fabric， and the mechanical failure of the alumina-coated fabric shows brittle fracture. When the number of stitching strands is one and two， the seam strength of coated alumina fabric is 37.1 and 47.0 N/cm， respectively， and the seam strength of double strand stitching is 27% higher than that of the single strand. Double strand sewing can increase non-simultaneity of yarn breakage at seams. When the sewing spacing is 5 and 10 mm， the difference in seam strength is small. As the sewing pitch gradually increases to 20 mm， the seam strength improves significantly and the breaking strain of the fabric gradually decreases. When the number of sewing lines is 1， 2 and 3， the seam strengths of the fabrics are 35.0， 47.0 and 99.5 N/cm， respectively. With the increase of the number of seams lines， the seam strength of the alumina-coated fabrics increases significantly， indicating that the number of seams has great influence on the seam strength. With the increase in the number of sewing lines， the failure mode of the seam changes from collapse failure to slow oscillation failure， the load-bearing yarns increase， and the non-simultaneity of yarn breakage increases significantly. The seam strengths of the fabrics are 73.3， 47.0 and 26.6 N/cm when the stitching lengths of the thread are 3， 5 and 10 mm， respectively. The smaller the stitching length， the greater the stitching density， and the greater the resistance to slipping is between yarns during stretching. The seam efficiency of coated alumina fabric ranges from 4.2% to 15.6%.

Based on the above results， it can be seen that in order to optimize the seam strength of coated alumina fabrics， double strands， multiple threads， and large spacing should be selected， and the stitching spacing should be reduced as much as possible within the allowable range of working conditions and production efficiency.

Keywords：

coated alumina fabrics; alumina stitching thread; stitching structure; seam strength; seam efficiency