聚酰亞胺纖維與碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶性能對(duì)比研究

林 松, 牛鴻慶，李文斌

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.北京化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029；3.航天材料及工藝研究所，北京 100076)

聚酰亞胺(Polyimide，PI)纖維是一種高性能芳雜環(huán)有機(jī)纖維，具有良好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異高強(qiáng)高模特性、耐絕熱性能、耐紫外、低吸水率及絕緣性能[1-2].與芳綸、超高分子量聚乙烯、石英、聚苯硫醚等纖維相比具有突出的綜合應(yīng)用性，已成為當(dāng)前高技術(shù)纖維的重要品種之一，對(duì)實(shí)現(xiàn)航空航天飛行器輕質(zhì)高強(qiáng)具有重大意義.

復(fù)合材料氣瓶采用纖維纏繞成型，具有較高的結(jié)構(gòu)效率，可以應(yīng)用于運(yùn)載火箭的增壓輸送系統(tǒng)以及燃料電池的儲(chǔ)氫裝置，一般采用高性能的碳纖維以及芳綸纖維作為增強(qiáng)材料[3-4].PI纖維由于其密度和吸水率較低、強(qiáng)度較高，可以應(yīng)用于復(fù)合材料氣瓶的纏繞成型.目前，國(guó)外還沒有商品化的高強(qiáng)型PI纖維產(chǎn)品[5-6]，其在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，特別是纏繞成型上的應(yīng)用也未見報(bào)道.我國(guó)則在高強(qiáng)型PI纖維的研制方面則取了的顯著進(jìn)展[7-8]，推出了系列化產(chǎn)品，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白，也為其在復(fù)合氣瓶上的應(yīng)用提供了可能.

本文采用國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)型PI纖維，進(jìn)行纏繞成型工藝及強(qiáng)度設(shè)計(jì)的研究，采用濕法工藝?yán)p繞成型復(fù)合材料氣瓶，并分別采用日本東麗T300、T700、T800碳纖維纏繞成型的復(fù)合材料氣瓶與其進(jìn)行爆破性能的對(duì)比試驗(yàn)，探索高強(qiáng)型PI纖維在纏繞成型航天壓力容器上的應(yīng)用.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

材料：纏繞樹脂體系，自制；進(jìn)口東麗T300、T700、T800碳纖維，日本東麗；聚酰亞胺纖維，江蘇先諾新材料科技有限公司，纖維基本力學(xué)性能對(duì)比如表1所示.9L鋁合金金屬內(nèi)襯，北京科泰克科技有限責(zé)任公司.

表1 纖維力學(xué)性能

設(shè)備：四軸聯(lián)動(dòng)纏繞機(jī)，哈工大；萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī) Instron 6025；水壓爆破工裝，自制；NOL環(huán)成型模具，自制.

1.2 試樣制備

按照GB/T2578-1989的方法，分別制備PI纖維、進(jìn)口T300、T700、T800碳纖維的NOL環(huán)試樣，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，纖維斷裂強(qiáng)力的5%～10%可為選取纏繞張力，PI纖維與T300碳纖維纏繞張力選取20 N，T700和T800碳纖維維纏繞張力選取40 N.分別將纖維浸漬樹脂后在纏繞張力的作用下纏繞成型于9L金屬內(nèi)襯的表面，經(jīng)過固化后，制得4個(gè)復(fù)合材料氣瓶.纏繞過程采用逐層遞減的張力制度，PI纖維與T300碳纖維起始張力為20 N，每?jī)蓪舆f減2 N，T700與T800碳纖維起始張力為40 N，每?jī)蓪舆f減2 N.纏繞過程為螺旋向和環(huán)向交替進(jìn)行.

分別選取PI纖維、進(jìn)口T300、T700、T800碳纖維以及制備的NOL環(huán)拉伸斷裂的試樣進(jìn)行噴金處理后進(jìn)行表面形貌的觀察.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照GB/T1458-2005的方法測(cè)試NOL環(huán)的拉伸強(qiáng)度.按照GB/T 3366-1996的方法采用金相顯微鏡法對(duì)NOL環(huán)的纖維體積含量進(jìn)行測(cè)試.按照GB/T 6058-2005《纖維纏繞壓力容器制備和內(nèi)壓試驗(yàn)方法》進(jìn)行9L復(fù)合材料氣瓶的爆破試驗(yàn)，記錄爆破壓強(qiáng)及失效模式.

氣瓶在水壓爆破前，先進(jìn)行水壓驗(yàn)證及聲發(fā)射檢測(cè)，PI纖維與進(jìn)口T300碳纖維復(fù)合材料氣瓶升壓至30 MPa，T700碳纖維與T800碳纖維氣瓶升壓至40 MPa，保壓4 min.在此過程中，如圖1所示在氣瓶的外表面設(shè)置4個(gè)聲發(fā)射探頭，采集聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)的最低采集門檻為60 dB.

圖1 復(fù)合材料氣瓶聲發(fā)射檢測(cè)測(cè)點(diǎn)位置圖

Fig.1 Location diagram of acoustic emission detection points for composite cylinders

纖維強(qiáng)度發(fā)揮率的計(jì)算公式如下所示：

(1)

式中：δ為纖維強(qiáng)度發(fā)揮率，%；FNOL為NOL環(huán)拉伸強(qiáng)度，MPa；Vf為纖維體積含量，%；Ffiber為纖維復(fù)絲強(qiáng)度，MPa.

復(fù)合材料氣瓶容器特征系數(shù)公式為

K=P*V/W.

(2)

式中：K為容器特征系數(shù)，km；P為爆破壓強(qiáng)，MPa；V為氣瓶容積，L；W為復(fù)合材料層的重量，kg.

2 結(jié)果與討論

2.1 纏繞樹脂體系及其力學(xué)性能

本文采用的纏繞樹脂體系性能如表2所示，具有較高的力學(xué)性能，斷裂延伸率高達(dá)5%，有利于充分發(fā)揮纖維的拉伸強(qiáng)度.如圖2所示樹脂斷面形貌為清晰的魚鱗狀，可以認(rèn)為此配方樹脂固化后受力破壞形式為韌性破壞.此樹脂配方可滿足PI纖維高韌性的匹配性要求，并且有利于延緩氣瓶受內(nèi)壓時(shí)基體樹脂開裂的趨勢(shì)，充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度.

表2纏繞樹脂力學(xué)性能

Table 2 Mechanical properties of filament winding resin

拉伸強(qiáng)度/ MPa拉伸模量/ GPa斷裂延伸率/ %90±6.03±0.55±0.5

圖2 樹脂澆注體拉伸斷面微觀照片

2.2 纏繞成型工藝及NOL環(huán)力學(xué)性能

對(duì)PI纖維進(jìn)行NOL環(huán)的纏繞成型試驗(yàn)，如圖3所示，PI纖維與T800纖維在纏繞機(jī)導(dǎo)紗輥上展紗較為均勻，無出現(xiàn)明顯纖維磨損，纖維紗在退繞過程中平穩(wěn)，無出現(xiàn)纖維糾結(jié)與干涉情況.以上工藝試驗(yàn)可以看出，PI纖維可以滿足纏繞成型工藝要求.

從微觀結(jié)構(gòu)上分析，如圖4所示PI纖維直徑較碳纖維粗，表面形貌與T700纖維相似，較為光滑平整，與T300與T800碳纖維相比，表面溝槽數(shù)量較少.在纖維纏繞過程中，為增加復(fù)合材料的密實(shí)度對(duì)纖維施加了一定的張力，表面光滑的纖維在張力作用下經(jīng)過纏繞機(jī)的各種導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)，不易磨損起毛[9]，可適用于纏繞成型.

采用以上高韌性纏繞樹脂體系制備了PI纖維復(fù)合材料NOL環(huán)，進(jìn)行拉伸性能的評(píng)價(jià).如表3所示，PI纖維的平均拉伸強(qiáng)度達(dá)到1 708 MPa，纖維的強(qiáng)度發(fā)揮率為80%，達(dá)到日本東麗T300纖維復(fù)合材料的水平，但是PI纖維密度僅為1.44 g/cm3，與T300纖維1.76 g/cm3相比，其在結(jié)構(gòu)減重上具有一定優(yōu)勢(shì).但是與高強(qiáng)度碳纖維T700及T800相比，由于其纖維本身拉伸強(qiáng)度的限制，導(dǎo)致制備的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度較高強(qiáng)型纖維具有一定差距.

圖3 復(fù)合材料NOL環(huán)纏繞成型工藝試驗(yàn)

Fig.3 Winding process test of composite NOL rings

圖4 纖維形貌照片

類型FNOL/MPaVf/%Ffiber/MPaδ/%PI1 708±10261±13 500±20380±2T3001 800±11060±23 530±21085±2T7002 400±20561±24 900±19580±1T8002 500±21561±25 490±23075±2

本文采用的PI纖維表面經(jīng)過活化處理，如圖5所示PI纖維、東麗T300、T700與T800纖維外層在破壞后均緊密包裹一層樹脂，說明其與樹脂基體的結(jié)合緊密.良好的界面結(jié)合狀態(tài)有利于充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)[10]，提高復(fù)合材料氣瓶的爆破壓強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)效率.

圖6所示的為NOL環(huán)試樣在拉伸過程中的載荷/變形曲線，可以明顯看出，國(guó)產(chǎn)PI纖維由于其模量較碳纖維低，斷裂延伸率高，NOL環(huán)在拉伸過程中呈現(xiàn)出較高的斷裂韌性，這有利于吸收復(fù)合材料在破壞過程中的能量，減少應(yīng)力集中，從而有利于充分發(fā)揮纖維的拉伸強(qiáng)度，提高復(fù)合材料的疲勞性能[11].

圖5 復(fù)合材料SEM照片

圖6 NOL環(huán)在拉伸過程中的載荷/變形曲線

2.3 復(fù)合材料氣瓶的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

采用網(wǎng)格理論對(duì)復(fù)合材料氣瓶筒身段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，纖維發(fā)揮強(qiáng)度是影響復(fù)合材料氣瓶強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)的纖維發(fā)揮強(qiáng)度采用表3所示的實(shí)測(cè)值，其他參數(shù)見表4.

根據(jù)網(wǎng)格理論進(jìn)行筒身段的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算[12-13]：

(3)

(4)

式中：hf1、hf2為分別為縱向、環(huán)向復(fù)合材料層厚度，mm；ks為應(yīng)力平衡系數(shù)，取0.80；α為纏繞角；P為設(shè)計(jì)爆破壓強(qiáng)，MPa；R為筒體半徑，mm；σ為纖維發(fā)揮強(qiáng)度，MPa.纖維纏繞角根據(jù)式(5)計(jì)算.

α=arcsin(r/R).

(5)

式中：α為纖維纏繞角；r為極孔半徑，mm；R為筒身段直徑，mm.

纏繞采用螺旋向纏繞加環(huán)向纏繞的方式，螺旋向纏繞采用逐漸擴(kuò)孔纏繞方式，避免纖維在封頭位置的堆積，并保證封頭位置的強(qiáng)度.纏繞極孔半徑在17、30、80、100 mm時(shí)，纏繞角分別為12°、21°、25°、32°.環(huán)向纏繞角為89.8°.

表4 復(fù)合材料氣瓶的計(jì)算參數(shù)

筒身段強(qiáng)度復(fù)算如下.

筒身段縱向爆破壓強(qiáng)：

(6)

筒身段環(huán)向爆破壓強(qiáng)：

(7)

復(fù)合材料氣瓶筒身段強(qiáng)度復(fù)算見表5.

表5復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計(jì)鋪層及爆破壓強(qiáng)

Table 5 Design, ply and burst pressure of composite cylinder

纏繞角度及層數(shù)設(shè)計(jì)爆破壓強(qiáng)/MPa12°21°25°32°90°PIT300T700T80044441852567377

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的纏繞角，采用CADWIND纏繞軟件進(jìn)行纏繞線型的設(shè)計(jì)，在纏繞過程中保證PI纖維與樹脂充分浸漬，纏繞張力波動(dòng)不宜超過±10%，并且必須盡量避免纖維在纏繞過程中的磨損.

2.4 復(fù)合材料氣瓶的水壓實(shí)驗(yàn)

本文采用聲發(fā)射的研究方法對(duì)復(fù)合材料氣瓶在水壓試驗(yàn)過程中的損傷信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè).對(duì)于纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，一般認(rèn)為聲發(fā)射采集到的80dB 以上的信號(hào)與纖維斷裂相關(guān)，其余的信號(hào)主要為樹脂基體開裂以及復(fù)合材料層間裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致[14-15].

如圖7所示， PI纖維纏繞成型的復(fù)合材料氣瓶聲發(fā)射的信號(hào)數(shù)量明顯少于T300、T700以及T800纖維纏繞成型的氣瓶，這主要是由于PI纖維的斷裂延伸率較高，纏繞成型復(fù)合材料的韌性較好，在受力過程中更能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，減少復(fù)合材料層的裂紋擴(kuò)展以及高幅度值信號(hào)的產(chǎn)生.為了進(jìn)一步表征復(fù)合材料氣瓶的性能，進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示，4種不同纖維纏繞成型的復(fù)合材料實(shí)測(cè)爆破壓強(qiáng)與設(shè)計(jì)爆破壓強(qiáng)較為接近，并且稍低于設(shè)計(jì)值.這主要是由于實(shí)際成型過程中可能存在一些設(shè)計(jì)無法考慮到的因素，導(dǎo)致最終復(fù)合材料氣瓶爆破壓強(qiáng)較設(shè)計(jì)值有所下降.

圖7不同纖維纏繞成型復(fù)合材料氣瓶聲發(fā)射信號(hào)圖：(a)PI；(b)T300；(c)T700；(d)T800

Fig.7 Acoustic emission signals of different filament winding composite cylinders: (a) PI; (b) T300; (c) T700; (d) T800

圖8 復(fù)合材料氣瓶爆破壓強(qiáng)

纖維發(fā)揮強(qiáng)度是影響復(fù)合材料氣瓶爆破壓強(qiáng)的關(guān)鍵因素，根據(jù)式(6)及式(7)以及復(fù)合材料氣瓶的爆破壓強(qiáng)反推纖維的發(fā)揮強(qiáng)度，如式(8)與(9)所示.

(8)

(9)

通過爆破壓強(qiáng)反推纖維的發(fā)揮強(qiáng)度，如表6所示，PI纖維為2 770 MPa，低于設(shè)計(jì)值2 800 MPa，這是造成設(shè)計(jì)爆破壓強(qiáng)與實(shí)際爆破壓強(qiáng)差異的主要原因， PI纖維強(qiáng)度發(fā)揮率高達(dá)82%，但與進(jìn)口碳纖維相比PI纖維的發(fā)揮強(qiáng)度具有一定的差距.

表6復(fù)合材料氣瓶的性能參數(shù)

Table 6 Performance parameters of composite cylinders

纖維種類纖維發(fā)揮強(qiáng)度/MPa纖維強(qiáng)度/MPa纖維強(qiáng)度發(fā)揮率/%容器特征系數(shù)/kmPI27703500±20382%32.2T30029123530±21082.5%29.2T70042004900±19585.7%38.7T80042825490±23078%39.2

容器特征系數(shù)(PV/W)是衡量復(fù)合材料氣瓶性能優(yōu)越的參數(shù)之一，也是航天器復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)的主要特性[16].容器特征系數(shù)的高低可決定復(fù)合材料氣瓶質(zhì)量的好壞，具有較高性能因子的復(fù)合材料氣瓶通過薄壁內(nèi)襯與高強(qiáng)度碳纖維/環(huán)氧樹脂的結(jié)合既大大減輕了整體重量，同時(shí)又提升了產(chǎn)品性能[17].如表6所示，PI纖維復(fù)合材料氣瓶的容器性能因子達(dá)到32.2 km，超過進(jìn)口T300水平.這主要是由于PI纖維強(qiáng)度與進(jìn)口T300纖維相當(dāng)，但是其密度較低，本文通過工藝、纖維與樹脂的匹配，使得PI纖維的強(qiáng)度發(fā)揮率達(dá)到進(jìn)口纖維的水平，從而使得容器特征系數(shù)超過T300水平.但是由于本身PI纖維的強(qiáng)度與東麗進(jìn)口T700與T800碳纖維具有一定的差距，其值低于T700與T800纏繞成型的復(fù)合材料氣瓶.通過PI纖維拉伸強(qiáng)度繼續(xù)提升，可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料氣瓶的容器特征系數(shù).

復(fù)合材料氣瓶的爆破模式如圖9，均為筒身段沿著環(huán)向及縱向同時(shí)破壞，氣瓶破壞的較為徹底，從破壞模式上看，內(nèi)壓過程中沖擊能量較大.表明PI纖維纏繞成型的復(fù)合材料氣瓶與碳纖維復(fù)合材料氣瓶相似，可以達(dá)到較好的爆破失效模式.

3 結(jié) 論

采用國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)型PI纖維進(jìn)行纏繞成型工藝驗(yàn)證，針對(duì)其進(jìn)行了復(fù)合材料氣瓶的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，最后分別采用PI纖維、進(jìn)口T300、T700以及T800碳纖維纏繞成型復(fù)合材料氣瓶，進(jìn)行水壓爆破性能的對(duì)比研究，主要結(jié)論如下：

1)PI纖維適用于纏繞成型工藝，NOL環(huán)的測(cè)試結(jié)果表明，PI纖維與樹脂結(jié)合緊密，并且與進(jìn)口T300、T700與T800復(fù)合材料相比，在拉伸過程中呈現(xiàn)較好的斷裂韌性，其強(qiáng)度發(fā)揮率可達(dá)80%，可用于復(fù)合材料氣瓶的纏繞成型.

2)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明，PI纖維增強(qiáng)復(fù)合材料氣瓶在承受內(nèi)壓過程中，聲發(fā)射的信號(hào)數(shù)量明顯少于T300、T700以及T800纖維纏繞成型的氣瓶，表明其在受力過程中能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度，減少復(fù)合材料層的裂紋擴(kuò)展，提高復(fù)合材料氣瓶的性能.

3)采用PI纖維纏繞成型的復(fù)合材料氣瓶容器特征系數(shù)可達(dá)到32.2 km，優(yōu)于T300碳纖維氣瓶，與T700和T800碳纖維氣瓶相比具有一定差距.