立體編織石英纖維熱密封環(huán)的氣密性能

焦亞男， 景媛媛， 方 鵬， 趙玉芬

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387；2. 航天材料及工藝研究所， 北京 100076)

立體編織石英纖維熱密封環(huán)的氣密性能

焦亞男1， 景媛媛1， 方 鵬2， 趙玉芬1

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387；2. 航天材料及工藝研究所， 北京 100076)

為研究立體編織物直接應(yīng)用作為熱密封材料的氣密性能。結(jié)合實際使用工況，選用石英纖維制作了纖維體積含量為50%的三維四向、三維五向及二維包芯3種編織結(jié)構(gòu)的環(huán)狀熱密封制件。采用泄露實驗分別對其進行了氣密性能測試，得到了3種編織物在不同壓差和不同壓縮率下的氣體容積流量，并計算出3種編織物在各個階段的氣體滲透率。研究結(jié)果表明：3種密封環(huán)的氣密性能均達到密封要求。其氣體滲透率隨壓差的增加而逐漸增加，但隨壓縮率的增大而逐漸減小。在相同條件下，三維整體結(jié)構(gòu)織物氣密性能優(yōu)于二維包芯織物，其平均氣體滲透率是二維織物的35.5%，且三維四向編織結(jié)構(gòu)熱密封環(huán)在各個階段的氣體滲透率均為最小，氣密性能最好。

熱密封環(huán)； 三維編織結(jié)構(gòu)； 氣體滲透； 氣密性

熱密封材料是指安裝在航天器的接縫部位，用于降低高溫密封時氣流的流動性，避免大量的熱氣流傳到內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，以達到氣密目的而嵌入部件中的材料[1]。熱密封技術(shù)是高超音速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。X-51飛行器在首次的飛行試驗中并沒有按照最初設(shè)想的那樣順利進行，其中原因之一是發(fā)動機與尾噴管之間的密封泄漏[2]。熱密封材料氣密性問題是在航天飛行器應(yīng)用中所面臨的重要課題，許多學(xué)者對此開展了實驗研究。

20世紀80年代末到90年代初，NASA(美國國家航空航天局)最早開始了關(guān)于高溫密封的研究[3]。Dunlap等[4]設(shè)計了一種Si3N4陶瓷片密封，雖滿足密封要求，但是陶瓷片密封件本身彈性性能較差，且在高的載荷之下，難以保證本身的完整性，甚至碎裂，因此，在陶瓷片密封之后，設(shè)計了編織繩密封結(jié)構(gòu)。Steinetz等[5-6]對這種密封結(jié)構(gòu)進行了壓縮回彈、摩擦性能和氣密性能等測試，結(jié)果表明這種編織繩密封結(jié)構(gòu)能夠滿足密封件需求。Cai等[7-9]提出了預(yù)測這種二維編織密封結(jié)構(gòu)氣流率模型，通過建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了不同壓差之下二維基線密封的氣體滲透率。但是，這種繩狀編織物中的纖維傾斜方向與織物成型方向垂直，單層厚度較薄，若想獲得一定厚度的織物，則需采用較粗的紗線進行編織，從而又造成了織物的壓縮回彈性甚微，只能應(yīng)用在間隙微小改變的部位。Demange等[10]對基線密封性能的研究表明，當(dāng)密封件被壓縮并加熱到1 037.7 ℃ 時，密封件的彈性明顯喪失，并顯示出較大的、永久性的變形，因此，有必要尋求新的結(jié)構(gòu)來改善織物的氣密性。然而，目前國內(nèi)對熱密封技術(shù)的研究才剛起步，對于新型結(jié)構(gòu)的熱密封件的研究還極其少見。

三維立體編織物具有結(jié)構(gòu)整體性和復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)件一次編織成型的特點，由于預(yù)制件中纖維束貫穿材料的長、寬、高3個方向形成整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此織物的強度高，柔韌性和可壓縮性好。同時三維編織結(jié)構(gòu)可利用高性能纖維進行多樣化的設(shè)計，用在飛行器的其他接縫部位。因此，結(jié)合三維編織的優(yōu)點，針對熱密封件的使用特性，引入了新型三維編織結(jié)構(gòu)熱密封件[11]，研究表明三維編織熱密封件不僅符合熱密封件的使用要求，而且具有更好的回彈性。本文在此基礎(chǔ)上針對熱密封件在拐角處等的應(yīng)用，設(shè)計了三維編織結(jié)構(gòu)的環(huán)形熱密封件，并分別對纖維體積含量均為50%的三維四向、三維五向及二維二向編織結(jié)構(gòu)的熱密封環(huán)進行了氣密性能實驗，通過計算分析了3種結(jié)構(gòu)件在不同壓縮率以及不同壓差下的氣體滲透率，為熱密封件織物結(jié)構(gòu)的選擇、設(shè)計和制備提供了參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

根據(jù)熱密封件需要具有良好的隔熱性、柔韌性、彈性和耐磨性等使用特性[12]，采用的原材料為湖北菲利華石英玻璃纖維有限公司190 tex空心石英玻璃纖維紗，具備導(dǎo)熱系數(shù)低、質(zhì)量輕、強度及剛度高等優(yōu)點，具體參數(shù)如表1所示。

表1 石英纖維的主要性能

1.2 試樣制備

實驗所用的三維四向、三維五向編織結(jié)構(gòu)的熱密封環(huán)由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所自行研制的三維織機，采用1×1四步法編織而成。密封環(huán)試樣編織尺寸的內(nèi)徑為80 mm，外徑為100 mm，截面厚度與寬度均為10 mm。二維二向[13]立體編織熱密封環(huán)為包芯結(jié)構(gòu)，由二維編織表皮層和芯紗組成，表層由徐州恒輝KBL-90二維編織機織造，內(nèi)部填充的芯紗為190 tex單向空心石英纖維束，不參與編織；外層編織套共2層，層與層之間無連接?？椢锞唧w參數(shù)如表2所示，其中Vf為纖維體積含量。具體實物圖及其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 測試與表征

目前尚無適用于三維立體編織物氣密性能的測試標準，因此研究中測量氣體穿過織物的質(zhì)量流率及滲透率參照GB/T 25077—2010/ISO9053:1991《聲學(xué) 多孔吸聲材料流阻測試》及ASTMC522—03(Reapproved2009)《聲學(xué)材料的氣流阻力的標準測試方法》。氣密性實驗在航天材料及工藝研究所完成，實驗儀器采用環(huán)型氣密性測試裝置，該儀器主要是測量室溫下穿透熱密封環(huán)試樣的容積流量。

表2 立體編織密封環(huán)參數(shù)

圖1 3種不同結(jié)構(gòu)立體編織密封環(huán)及其細觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Braided sealing ring of three different structures and microstructure

熱密封環(huán)試樣氣密性能測試裝置剖面示意圖，如圖2(a)所示。密封件被安裝在固定密封槽內(nèi)，試樣的壓縮率是由間隙的高度控制的，通過外面的螺栓調(diào)整高低。上下壓板合并之后，試樣處于一個密封空間，在一定壓差下，氣體只有穿過試樣才能向外擴散(如圖2(b)所示，P表示兩邊的壓強，單位為kPa)。

圖2 熱密封環(huán)試樣氣密性能測試裝置圖以及示意圖Fig.2 Gas permeation testing device and gas flow through seal. (a) Diagram of gas permeation testing device; (b) Gas flow through seal

流量裝置可測量穿透密封件的容積流量，其量程為0～100 L/m(標準狀況下每分鐘每升的流量)，精度為1%。當(dāng)氣流經(jīng)節(jié)流口時，其前后會產(chǎn)生壓差，本實驗分別測量了壓差為10、30、50、70、100、120、150、180、200 kPa，壓縮率為10%、20%和30%時3種結(jié)構(gòu)密封環(huán)的氣體容積流量，每個試樣測試3次，取其平均值。

1.4 氣體滲透率的計算

滲透率是多孔介質(zhì)的一個重要的特征參數(shù)，表述了在一定流動驅(qū)動力推動下，流體通過多孔材料的難易程度。對于熱密封件，氣體滲透率可用穿過織物的質(zhì)量流率與氣體通過密封通道的長度的比值計算，如下式[14]：

式中：K為滲透率，kg/(s·mm)；M為穿過織物的質(zhì)量流率，kg/s；l為氣體通過密封通道的長度，mm。在標準狀況下容積流量與質(zhì)量流率的換算關(guān)系為1 L/m=2.143×10-5kg/s。

2 結(jié)果與討論

飛行器在飛行過程中，由于飛行狀況的不同，熱密封部位的間隙尺寸會發(fā)生變化，因此，為維持與密封面的緊密接觸，熱密封件會受到不同程度的壓縮，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)縫隙的變化。由于飛行高度的差異和周圍的空氣狀況，密封件在不同的飛行情況下所承受的空氣壓差也不同，針對以上情況，本文主要討論分析不同壓縮率以及壓差下，3種編織織物的氣密性能。

2.1 壓縮率對氣密性的影響

由于每個壓差都做了不同壓縮率的測試，故而試驗得到織物在不同壓縮率下的氣體滲透率，可用同一壓差下數(shù)據(jù)討論。又因為它們的趨勢相同，所以取平均值更有代表性。圖3示出3種結(jié)構(gòu)的立體編織密封件不同壓差之下氣體滲透率平均值。

圖3 壓縮率對立體編織密封環(huán)氣體平均滲透率的影響Fig.3 Influence of compression ratio on average gas permeability

由圖3可知：3類試樣氣體平均滲透率在壓縮率為10%時最高；當(dāng)壓縮率增加到20%時，三維四向與三維五向氣體滲透率基本趨于一致，這說明隨著壓縮率的增大，三維四向結(jié)構(gòu)的內(nèi)部紗線與三維五向結(jié)構(gòu)的內(nèi)部紗線均由于受到擠壓增加，內(nèi)部纖維含量逐漸趨于飽和，結(jié)構(gòu)對氣密性的影響作用基本持平；試樣壓縮率為30%時最低；但當(dāng)試樣壓縮率增大到30%時，三維編織試樣(圖4(a)所示)與二維二向編織試樣(圖4 (b) 所示)由于在壓縮的過程中總體積減小，纖維體積含量均超過極限值，尤其是三維編織試樣在壓縮率為30%時，纖維體積含量已超出一般設(shè)計時最大值，在高壓縮率下不能承受住這樣的壓縮載荷，試樣在實驗過程中表面纖維出現(xiàn)斷裂、起毛甚至散落，并發(fā)生永久變形，導(dǎo)致試樣失效。

圖4 立體編織密封環(huán)壓縮率30%失效后實物圖Fig.4 Failure modes for different structure of compression ratio 30%. (a) 3-D braided annular thermal seals; (b) Surface of 3-D braided annular thermal seals; (c) 2-D braided annular thermal seals; (d) Surface of 2-D braided annular thermal seals

但仍然可看出此時試樣在壓縮率為30%時的氣體平均滲透率仍比壓縮量為20%時的低，說明在該實驗條件下，試樣雖然損傷失效，但仍能在短時間內(nèi)保持一定的使用價值，但若應(yīng)用于機翼處動密封時則無法對高速飛行器再入過程進行有效密封。

通過比較3種織物在不同壓縮率下的氣體滲透率可看出，三維編織熱密封件的氣密封均優(yōu)于二維編織，特別是在壓縮率為10%時，三維四向熱密封件的滲透率僅為二維編織熱密封件為38%。分析原因是因為在纖維體積含量相同的情況下，三維編織由于其層與層之間的聯(lián)系更加緊密，內(nèi)部紗線相互纏繞使其成為一個不分層的整體，內(nèi)部的紗線結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，而二維編織僅僅是表面的紗線相互交織，并且內(nèi)部芯紗均為伸直狀態(tài)，對氣體的阻礙相對較小。

比較三維四向與三維五向試樣，在纖維體積含量相同的情況下，三維四向結(jié)構(gòu)的氣密性能在當(dāng)前實驗的壓縮率下均優(yōu)于三維五向結(jié)構(gòu)。特別是在壓差為180 kPa，壓縮率為10%時，三維四向試樣較三維五向試樣氣體滲透率降低了37.6%。分析原因是三維四向試樣均是由于編織紗組成，內(nèi)部紗線均是縱橫交錯，基本沒有垂直的紗線，受到橫向擠壓時，內(nèi)部紗線相互交織更為緊密來滿足壓縮變形，導(dǎo)致試樣內(nèi)紗線排列更為緊密，對滲透率的影響更為明顯?？梢娫趬嚎s率為10%作用下，三維四向試樣較三維五向試樣更易壓縮，因此三維四向氣密性最好。

2.2 不同壓差對氣密性的影響

圖5示出典型的三維編織熱密封件在壓縮率為10%下氣體滲透率與壓差曲線，由于在壓縮率為30%時試樣會受損失效，故不予以討論。

圖5 試樣在10%壓縮率下氣體滲透率-壓差曲線Fig.5 10% compression gas permeability-pressure curve

從圖5中可看出，隨壓差的逐漸增大，3種結(jié)構(gòu)的編織密封件的氣體滲透率變化趨勢大體一致，但二維編織密封件氣體滲透率更高且數(shù)值波動更加明顯；三維四向編織密封件比二維編織密封件氣體滲透率在壓差為200 kPa時最大降低了62.2%，三維五向編織試樣較二維編織試樣氣體滲透率在壓差為200 kPa時最大降低了40.5%；在壓差大于180 kPa時，三維編織試樣的滲透率逐漸趨于平穩(wěn)，而二維編織的滲透率仍有逐漸增加的趨勢；分析原因是因為二維編織試樣是表面二維編織套管與芯紗彼此分離的嵌套結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在明顯差異，在對其施加橫向壓力時，內(nèi)外結(jié)構(gòu)變化不一致，導(dǎo)致紗線間孔隙大且不均勻。相比之下，三維編織物作為一個整體交織點較多，紗線間的滑移比較復(fù)雜，且受到外力作用時紗線間相互擠壓，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生橫向伸長，但此時編織紗與編織紗，以及編織紗與軸紗之間存在著相互約束作用阻礙了壓縮時紗線壓縮載荷的傳遞，增加了相互擠壓移動時的摩擦，使得壓縮性能比二維編織物是有提高，從而試樣孔隙小且均勻，結(jié)構(gòu)更為緊密。因此在10%的壓縮率下氣體穿過試樣時，二維編織試樣的氣體滲透率明顯高于三維編織試樣的氣體滲透率。

圖6示出試樣在20%壓縮率下氣體滲透率與壓差曲線。從圖中可看出：由于受到更大的壓縮，3種結(jié)構(gòu)的均達到了比較緊密的程度，試樣內(nèi)部空間基本閉合，氣密性能都比較優(yōu)異；隨著施加壓差的增大，三維四向密封件比二維二向編織密封件氣體滲透率平均下降了37.7%，三維五向密封件比二維二向編織密封件氣體滲透率整體均下降31.6%，說明三維編織密封件在同樣的壓差范圍內(nèi)氣體滲透率更低，其氣密性能更好；并且三維四向較三維五向試樣的氣密性能好。

圖6 試樣在20%壓縮率下氣體滲透率-壓差曲線Fig.6 20% compression gas permeability-pressure curve

此外，在壓差小于120 kPa時，3種結(jié)構(gòu)密封件的氣體滲透率隨壓差的增加變化幅度較小。這是因為在壓縮率為20%時，二維與三維編織密封件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間孔隙差距不明顯，都能有效阻隔氣流穿過密封件；但隨著壓差的繼續(xù)增大即當(dāng)壓差大于120 kPa時，二維二向編織密封件與三維編織結(jié)構(gòu)密封件相比，由于表面織物與內(nèi)部芯紗之間是分層結(jié)構(gòu)，因此在氣體壓差較大的情況下，其試樣內(nèi)部孔隙更易被吹開，氣體滲透率呈逐漸提高趨勢。而三維編織試樣的氣體滲透率隨壓差的繼續(xù)增加呈現(xiàn)先緩慢增加后明顯提高的趨勢。這是因為三維編織織物中纖維束貫穿織物長寬高3個方向形成整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在較大壓差的氣流下更能有效阻止氣流的擴散，因此較二維二向編織織物相比，三維織物隨壓差的變化更小，織物性能相對穩(wěn)定。但當(dāng)壓差超過0.18 MPa時，較大的氣流同樣使得三維織物的滲透率明顯增加。

由以上討論可知，三維織物較二維二向織物相比，氣密性能更加優(yōu)異，且三維四向織物在不同壓縮率、不同壓差下呈現(xiàn)出最優(yōu)的氣密性能。

3 結(jié) 論

1)在密封形狀為環(huán)型的情況下，實驗所用的二維二向編織結(jié)構(gòu)與三維編織結(jié)構(gòu)立體編織熱密封環(huán)氣密性能均已達到密封要求，試樣的氣體滲透率均隨壓差以及壓縮率的升高而降低。

2)當(dāng)壓縮率增大到30%時，密封件損傷碎裂，但其氣體平均滲透率比壓縮率為20%時的低，這說明在環(huán)狀工況下，密封件雖然失效，但仍能在短時間內(nèi)保持一定的使用價值。

3)通過分析不同編織結(jié)構(gòu)密封件在壓縮率為10%、20%情況下的氣體滲透率可知，二維編織結(jié)構(gòu)密封件表面編織套管與內(nèi)部芯紗之間為分層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致紗線間孔隙大且不均勻，氣體滲透率較大。相比之下，三維編織結(jié)構(gòu)密封件整體不分層、可壓縮性好以及結(jié)構(gòu)均勻緊密等特點使其氣密性能更為優(yōu)異，其中三維四向結(jié)構(gòu)氣密性能最好，更適用于熱密封件結(jié)構(gòu)選擇要求。

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Gas tightness characteristics of 3-D braided sealing rings

JIAO Ya′nan1, JING Yuanyuan1, FANG Peng2, ZHAO Yufen1

(1.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.AerospaceResearchInstituteofMaterials&ProcessingTechnology,Beijing100076,China)

The gas tightness of the three-dimensional (3-D) braided preform as sealing material was studied. By combining actual situations, the braided sealing rings of three structures with fiber volume fraction of 50% were prepared from quartz fiber, which had 3-D 4-directional structure, 3-D 5-directional structure and 2-D core-spun structure. The gas leaking experiment was carried out to measure the gas tightness thereof to obtain the gas volume flows of the three kinds of braided fabrics on different pressure and at different compression ratio, and the gas permeability of the three kinds of braided fabrics at each stage was calculated . The Results show that all the three braided sealing rings reach the sealing requirements, and the gas permeability gradually increases with the increase of the pressure difference, but decreases with the increase of compression ratio. Moreover, the gas permeability of the 3-D braided sealing rings is much better than that of the 2-D core fabric, and the average gas permeability is 35.5% of the 2-D core-spun fabric. The 3-D 4-directional braided annular thermal seal ring shows the lowest gas permeability and exhibit the base gas tightness.

sealing ring; 3-D braided structure; gas permeability; gas tightness

10.13475/j.fzxb.20160607806

2016-06-30

2016-12-14

天津市科技支撐計劃重點項目(15ZCZDGX00340)

焦亞男(1971—)，女，研究員，博士。主要研究方向為三維立體編織增強復(fù)合材料。E-mail:Jiaoyn@tjpu.edu.cn。

TB 332

A