特紡材料高溫環(huán)境拉伸試驗方法研究

張榮

（航宇救生裝備有限公司湖北襄陽441003）

0 引言

特紡材料是一種技術(shù)性能要求高，使用環(huán)境比較復(fù)雜，具有特殊用途的紡織品。由于航空救生領(lǐng)域裝備產(chǎn)品的主體是柔性紡織材料，復(fù)雜的工作條件和特定環(huán)境對其制成的紡織材料性能和品質(zhì)有著特殊的要求。對材料的強烈依賴性使得高性能救生裝備對特種紡織材料提出了更高的要求。因此，任何一次航空救生裝備技術(shù)的重大突破都離不開新材料的應(yīng)用。

耐高溫性能是航空救生領(lǐng)域裝備產(chǎn)品戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標中必不可少的一項內(nèi)容。個體防護救生裝備、軍用傘及空投空降裝備產(chǎn)品使用的特紡材料品種和類別較多，大部分材料對高溫條件非常敏感，主要是因為外界工作環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致特紡材料的分子活化能增加，材料老化加劇。由于我國幅員遼闊、海岸線長，自然條件較為復(fù)雜，部分軍用傘及空投空降裝備產(chǎn)品在這種復(fù)雜的條件下長期在高溫條件下使用和存放，必定使得其主體特紡材料的特性發(fā)生變化，直接影響產(chǎn)品的技術(shù)性能和使用壽命，因而有必要對高溫環(huán)境下特紡材料的特性變化進行研究，便于后期相應(yīng)產(chǎn)品的研制和使用。

本文在綜合考慮航空救生裝備在高溫環(huán)境下貯存和工作條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)具體要求條款，以飛行員個體防護救生裝備、軍用空降空投降落傘和海上救生船等裝備對于主體特紡材料的可靠性設(shè)計準則為研究方向，對主體特紡材料在高溫環(huán)境下拉伸性能的試驗進行研究。本次研究的內(nèi)容主要包括試驗原理設(shè)計、試驗設(shè)備的設(shè)計制造、試驗步驟的設(shè)計、試驗驗證和標準化的研究，目的是為產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品試驗和產(chǎn)品故障分析提供技術(shù)支撐。

1 試驗

1.1 研究背景

1.1.1 產(chǎn)品考核的標準

GJB 150.3A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第3部分高溫試驗》是所有軍用裝備產(chǎn)品高溫環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)指標制定和鑒定試驗的依據(jù)，對裝備產(chǎn)品的高溫試驗要求作出了詳細的規(guī)定。

1.1.1.1 高溫貯存

先將試驗所用試件按規(guī)定要求暴露于裝備貯存狀態(tài)可能遇到的高溫條件下，然后在標準大氣條件下測試其相關(guān)性能。

1.1.1.2 高溫工作

為了考察裝備工作時高溫環(huán)境對其性能的影響，可通過以下兩種途徑實施：①將試件暴露于試驗箱溫度循環(huán)的條件下，使試件連續(xù)工作，或者在溫度最高（試件達到最高溫度）期間工作；②將試件暴露于恒定高溫條件下，當(dāng)試件溫度穩(wěn)定時進行工作。

1.1.2 高溫對材料產(chǎn)生的影響

特紡材料對于高溫環(huán)境非常敏感，而裝備產(chǎn)品使用環(huán)境也很復(fù)雜，一旦在高溫下貯存或工作，主體特紡材料受環(huán)境的影響會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)激變化。鑒于熱量是導(dǎo)致特種紡織材料老化的主要因素，且隨著溫度的上升，老化程度加劇，這可能是因為：溫度上升后，分子的活化能增加，氧化速度加快；纖維受高溫環(huán)境的影響，外觀表面容易發(fā)生變色；高溫容易導(dǎo)致涂層織物的涂覆層表面出現(xiàn)發(fā)黏、裂解現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生龜裂紋。

1.2 高溫環(huán)境拉伸性能試驗方案設(shè)計

1.2.1 試驗原理

將高溫環(huán)境試驗箱設(shè)置在拉力試驗機的工作區(qū)域，在高溫環(huán)境下進行以下3種情況的試樣拉伸試驗：①即時拉伸至材料斷裂；②施加規(guī)定載荷后持續(xù)拉伸至材料斷裂；③施加規(guī)定載荷，經(jīng)規(guī)定的試驗時間后測得材料的應(yīng)力—應(yīng)變情況。

1.2.2 試驗設(shè)備設(shè)計和制造

隨著我國航空技術(shù)飛躍的發(fā)展及航空領(lǐng)域裝備使用環(huán)境的特殊性，對航空救生裝備使用性能和可靠性能的要求也越來越高。因此，在設(shè)計和生產(chǎn)中需要試驗和檢測儀器設(shè)備能模擬真實的使用環(huán)境。由于高溫環(huán)境是導(dǎo)致特紡材料物理特性變化的主要因素，因此，研究和檢測高溫環(huán)境下特紡材料物理特性的變化，是保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性不可缺少的環(huán)節(jié)。根據(jù)航空救生裝備產(chǎn)品在高溫環(huán)境下持續(xù)工作的實際狀況，需要對材料進行長時間連續(xù)測試，而目前尚無用于特定環(huán)境下持續(xù)拉伸的試驗儀器，因而需要針對上述要求專門設(shè)計。

1.2.2.1 單元組成

高溫拉力試驗機功能組成主要包括溫度控制單元、負荷加載單元和軟件分析單元。

1.2.2.2 特點

根據(jù)使用需求，整合材料試驗機和高低溫濕熱試驗箱功能，設(shè)計出高溫環(huán)境下特紡材料應(yīng)力—應(yīng)變特性試驗系統(tǒng)。該儀器可以模擬特紡材料在高溫環(huán)境下檢測試樣的物理特性及變化的過程，也可獨立運行。因此，既可以單獨用于特紡材料進行高溫貯存試驗，材料試驗機用于特紡材料的斷裂、拉伸、壓縮、定伸長、定負荷、蠕變等項目的測試，也可以組合運行，即在高溫環(huán)境下進行拉伸性能的測試。

1.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

1.2.3.1 溫度控制系統(tǒng)

溫度可控制在室溫至150℃,溫度均勻度為±2.0℃，連續(xù)工作時間在48～1 200 h。

1.2.3.2 負荷加載系統(tǒng)

可進行斷裂點、斷脫點、屈服點、初始模量、彈性塑性變形等數(shù)據(jù)的分析；交流伺服驅(qū)動，速度可控制在0.000 1～1 000 mm/min，數(shù)字設(shè)定，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無速度過沖、不勻的現(xiàn)象；進口傳感器，測力精度高于0.02%（F·S）（F·S是指力×?xí)r間）；采樣頻率高達1 500次/s；連續(xù)工作時間≥200 h。

1.2.3.3 軟件分析系統(tǒng)

將溫濕度控制系統(tǒng)及材料試驗機系統(tǒng)操作合二為一；測試界面顯示兩大系統(tǒng)的常用數(shù)據(jù)及曲線，方便進行試驗結(jié)果分析，自動顯示材料所需的屈服點、塑性形變、初始模量等研究所需的數(shù)據(jù)；軟件分析系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出不同格式文檔，方便數(shù)據(jù)傳輸以進行對比試驗。

1.3 實施方案

1.3.1 確定試驗溫度條件

按照試樣原材料耐溫性能的不同和具體使用環(huán)境，推薦采用以下高溫試驗條件：①錦綸6類材料的即時拉伸試驗溫度70℃，持續(xù)拉伸試驗溫度≤50℃；錦綸66類材料的即時拉伸試驗溫度≤90℃，持續(xù)拉伸試驗溫度≤70℃；滌綸類材料的即時拉伸試驗溫度≤110℃，持續(xù)拉伸試驗溫度≤90℃；芳綸類（包括芳綸1313、芳綸1414、雜環(huán)芳綸等）材料的即時拉伸試驗溫度≤130℃，持續(xù)拉伸試驗溫度≤100℃；超高分子質(zhì)量聚乙烯材料即時拉伸試驗溫度≤60℃，持續(xù)拉伸試驗溫度≤40℃；芳族聚酯類材料的即時拉伸試驗溫度≤140℃，持續(xù)拉伸試驗溫度≤110℃；接縫剪切強度的拉伸試驗溫度≤70℃；剪切強度、剝離強度的拉伸試驗溫度≤80℃。

需要注意，對于溫度敏感的纖維，長期暴露在干熱空氣環(huán)境中（如持續(xù)拉伸試驗中）會引起材料的熱收縮，在試驗過程中應(yīng)注意觀察其特征變化情況，并予以記錄。

1.3.2 試驗方式選擇

根據(jù)技術(shù)標準、設(shè)計文件及客戶需求，主要選擇即時拉伸至斷裂、施加規(guī)定載荷后持續(xù)拉伸至斷裂以及施加規(guī)定載荷和試驗時間的應(yīng)力—應(yīng)變等3種高溫拉伸方式。

1.3.3 試驗前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

鑒于特種紡織材料在高溫環(huán)境條件下的拉伸與標準大氣條件下的拉伸試驗結(jié)果的不同，建議在高溫拉伸試驗前，對原樣在標準大氣條件下進行拉伸試驗，測得原樣的斷裂強力和斷裂伸長率。

1.4 試驗步驟

1.4.1 即時拉伸試驗

進行即時拉伸試驗時，應(yīng)先啟動強力試驗機開始拉伸試驗，并在試驗過程中注意觀察試樣的情況；試驗結(jié)束后，記錄試樣的斷裂強力值和斷裂伸長率值。在測試標準伸長率（指達到標準或指標要求的斷裂強力值對應(yīng)的伸長率）時，需要記錄達到試樣標準強力值時的伸長量。

1.4.2 持續(xù)拉伸試驗

進行持續(xù)拉伸試驗時，先啟動強力試驗機開始拉伸試驗，并在試驗過程中注意觀察試樣的夾持情況，若出現(xiàn)試樣打滑和其他異常情況時立即停止試驗；試驗結(jié)束后，記錄試樣的斷裂（或拉伸）強力值、拉伸（包括斷裂和未斷裂）伸長率值和試樣斷裂時間。

1.5 參試材料

本試驗以飛行員個體防護救生裝備、降落傘產(chǎn)品以及其他領(lǐng)域產(chǎn)品使用為主，品種上兼顧原材料種類（如錦綸、滌綸、芳綸等）、結(jié)構(gòu)（如功能整理、涂層等），盡量以點帶面；試驗條件的參數(shù)設(shè)置模擬裝備產(chǎn)品的任務(wù)環(huán)境要求。在實施過程中可根據(jù)不同材料對于高溫的反應(yīng)程度及時調(diào)整材料品種。試驗選擇對芳綸涂覆織物和聚氨酯膠布高溫環(huán)境即時拉伸及對滌綸絲套帶高溫定負荷拉伸所得數(shù)據(jù)進行研究。

2 結(jié)果及討論

2.1 高溫環(huán)境即時拉伸

針對不同材料對于溫度的敏感性，結(jié)合產(chǎn)品使用的工況條件，對產(chǎn)品的主體材料進行高溫環(huán)境下的拉伸試驗，并與在溫度為（20±3）℃、相對濕度為（65±5）%的標準條件下的試驗結(jié)果進行對比。試驗對芳綸涂覆織物和FL-131聚氨酯膠布兩種涂覆織物在不同溫度條件下的拉伸試驗結(jié)果分別見表1和表2。其中，每種試樣在不同的溫度條件下測試3組平行數(shù)據(jù)，然后取平均值。

表1 不同溫度下芳綸涂覆織物拉伸測試結(jié)果

表2 FL-131不同溫度下聚氨酯膠布拉伸測試結(jié)果

由表1和表2可知：在低溫（23℃）條件下，芳綸涂覆織物和聚氨酯膠布的接縫剪切強度分別為1 234和550 N，是高溫（70℃）條件下所測芳綸涂覆織物和聚氨酯膠布的接縫剪切強度（分別為696和229 N）的2倍多，這說明溫度對試樣的性能影響較大，且溫度越高，特紡材料老化越嚴重，材料強度越低。

2.2 高溫定負荷持續(xù)拉伸

由于特紡材料在高溫條件下其內(nèi)部分子運動、結(jié)晶、熔融過程、熱氧化過程、熱降解過程等均會發(fā)生變化，因而可通過采用DSC（差示掃描量熱分析儀）、DMA（動態(tài)熱機械性能分析儀）、TG（熱重分析儀）等手段進行分析研究。受限于已知試驗條件，本試驗主要針對特紡材料的力學(xué)性能對于溫度的敏感性進行了測試。試驗以20-900滌綸套帶為例，設(shè)置試驗拉伸參數(shù)為：溫度90℃，加載負荷值6 615 N（900×9.8×0.75），持續(xù)加載時間2 min，在此條件下進行試驗，并觀察試樣有無異?，F(xiàn)象，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 20-900滌綸套帶高溫持續(xù)拉伸的載荷—伸長曲線圖

由圖1可以看出規(guī)定負荷持續(xù)加載對于材料應(yīng)力—應(yīng)變的影響程度：特紡材料對于高溫環(huán)境具有一定的敏感性，且隨著溫度的升高，分子的活化能增加，氧化速度加快，材料老化加劇，因此熱是導(dǎo)致特紡材料老化的主要因素之一。

3 結(jié)論

（1）高溫環(huán)境下的拉伸試驗是一種新型的力學(xué)性能試驗方法，它與產(chǎn)品的耐環(huán)境性和使用壽命息息相關(guān)。

（2）本課題通過對高溫環(huán)境即時拉伸、持續(xù)加載和蠕變疲勞等多種高溫試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計和應(yīng)用，選取具有代表性產(chǎn)品的主體材料進行對比試驗，獲得的有效數(shù)據(jù)可為產(chǎn)品設(shè)計和故障分析提供數(shù)據(jù)參考。