原子氧、紫外輻照對錦綸材料力學(xué)性能影響試驗研究

隋 蓉，張文博，蔣 偉

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，越來越多的柔性非金屬材料應(yīng)用于航天器。柔性結(jié)構(gòu)具有可折疊、質(zhì)量小、展開面積和體積大等特點，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)無法企及的功能。織物材料作為典型的柔性材料，在空間柔性可展開結(jié)構(gòu)中有著廣泛應(yīng)用[1-2]。柔性織物材料在空間環(huán)境應(yīng)用中將承受多因素的協(xié)同作用，其環(huán)境適應(yīng)性是必須要考慮的因素[3]。在低地球軌道，對于暴露在空間環(huán)境中的飛行器外表材料，原子氧和紫外輻照是對材料性能，尤其是力學(xué)性能，影響顯著的2 個因素[4]。研究人員發(fā)現(xiàn)，原子氧與紫外輻照之間存在協(xié)同效用，且在不同材料中具有不同的表現(xiàn)[5]。在對帶涂層聚酰亞胺[6]、含氟聚酰亞胺[7]、Teflon[8]、聚氯乙烯[8]、聚四氟乙烯[9]的原子氧、紫外輻照協(xié)同試驗研究中發(fā)現(xiàn)，原子氧、紫外輻照的協(xié)同作用效果大于單因素作用效果。而在對聚酰亞胺[10-12]的原子氧、紫外輻照協(xié)同試驗研究中發(fā)現(xiàn)，原子氧、紫外輻照的協(xié)同作用效果弱于單因素作用效果。

錦綸材料作為一種常用的合成纖維材料，其應(yīng)用已拓展至空間環(huán)境領(lǐng)域[2]，但目前尚未見對錦綸材料耐原子氧、紫外輻照特性開展研究的相關(guān)報道。本文以錦綸材料為研究對象，對不同縫制結(jié)構(gòu)錦綸材料在原子氧與紫外輻照協(xié)同作用下的力學(xué)性能變化進行試驗研究。

1 錦綸材料的原子氧、紫外輻照協(xié)同試驗設(shè)計

1.1 試驗件

試驗材料選取K59321 錦絲綢（原材料為錦綸66）。由于柔性織物材料在使用時經(jīng)常采用縫制工藝，而織物縫合部作為材料強力的薄弱環(huán)節(jié)是產(chǎn)品設(shè)計中需重點考慮的結(jié)構(gòu)。本文將試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計分為經(jīng)向結(jié)構(gòu)縫制（經(jīng)向試驗件）與緯向結(jié)構(gòu)縫制（緯向試驗件），探討不同結(jié)構(gòu)形式在綜合原子氧、紫外輻照空間環(huán)境下的力學(xué)特性變化。試驗所用試驗件為經(jīng)向試驗件和緯向試驗件各28 件，為了保證試驗件材料的一致性，縫制試驗件所用線材料均選擇3#錦絲線（原材料同樣為錦綸66）。經(jīng)向試驗件與緯向試驗件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖 1 經(jīng)向、緯向結(jié)構(gòu)縫制試驗件Fig. 1 Longitudinal and latitudinal stitched test pieces for structural components

1.2 試驗工況

原子氧、紫外輻照試驗實施中，分別設(shè)計不同試驗指標(biāo)進行對比試驗。試驗指標(biāo)以低地球軌道空間站在軌運行為背景，空間站在軌飛行15 d 的原子氧注量約2.06×1024/m2，在軌飛行24 d 的原子氧注量約3.29×1024/m2，紫外輻照度約81.3 W/m2。

本次試驗將按上述試驗指標(biāo)分別進行單一原子氧、單一紫外輻照、原子氧與紫外輻照協(xié)同試驗。試驗全程將環(huán)境溫度控制在50 ℃以下，以消除熱效應(yīng)的附加影響。試驗共分為7 組，其中包括為便于試驗后進行協(xié)同試驗與單一試驗的對比分析及試驗對材料斷裂強力的影響趨勢分析而設(shè)置的空白對照組（不進行原子氧和紫外輻照），具體試驗工況見表1。每組試驗設(shè)置4 個子樣。

表 1 試驗組工況Table 1 The test group working conditions

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 外觀

不同工況下試驗后的產(chǎn)品外觀如圖2 所示，可以看到：單一原子氧試驗后，試驗件幾乎無褪色，與空白對照組試驗件的顏色較為接近；而單一紫外輻照及協(xié)同試驗后，試驗件顏色變化較大；同樣的環(huán)境條件下，經(jīng)向試驗件與緯向試驗件外觀變化無區(qū)別。

圖 2 試驗后試驗件外觀Fig. 2 Appearance of test pieces after environmental tests

計算7 種試驗工況后試驗件的平均色值（RGB模式），如表2 所示?？梢钥吹剑航?jīng)過紫外輻照及協(xié)同試驗后，試驗件的色值發(fā)生明顯變化，B 值減小，R 值、G 值增大，這是由于紫外線與織物染料產(chǎn)生了光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致織物材料褪色泛黃[13]。

表 2 試驗后試驗件平均色值Table 2 Average color value of test pieces in RGB mode after environmental tests

2.2 力學(xué)性能測試與分析

試驗件的力學(xué)性能測試通過特紡材料拉力試驗機進行，試驗件的受力方向為試驗件長邊方向。力學(xué)測試后試驗件狀態(tài)如圖3 所示。由于織物材料在實際工程應(yīng)用中通常會采用縫制結(jié)構(gòu)，縫制行為會對錦綸材料產(chǎn)生損傷，在空白對照組和試驗組的材料力學(xué)拉斷試驗中，斷裂處均為錦綸材料的縫線損傷處。

圖 3 力學(xué)測試后試驗件狀態(tài)Fig. 3 State of test pieces after mechanical test

每組工況4 個子樣的斷裂強力計算均值及總體標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖4 所示，可以看到：K59321 錦絲綢原材料斷裂強力為2900 N/50 mm，空白對照組中，經(jīng)向試驗件斷裂強力增大（均值為6100 N/50 mm），緯向試驗件斷裂強力減?。ň禐?845 N/50 mm），這是由于經(jīng)向試驗件拉斷處有4 層織物，而緯向試驗件拉斷處只有1 層，且縫紉使得單層織物受損。試驗件經(jīng)過原子氧和紫外輻照后，力學(xué)性能均有所下降。

圖 4 環(huán)境試驗后力學(xué)測試結(jié)果Fig. 4 Mechanical properties after environmental tests

按均值結(jié)果進行分析，以空白對照組作為參考，計算試驗件在環(huán)境試驗后斷裂強力的下降比例，結(jié)果如表3 所示。可以看到，經(jīng)向試驗件的下降比例比緯向試驗件的小，這是由于多層材料可在一定程度上阻擋原子氧與紫外輻照。

表 3 環(huán)境試驗后試驗件斷裂強力下降比例Table 3 Reduction ratios of breaking strength of test pieces after environmental tests單位：%

K59321 錦絲綢所用原材料為錦綸66，其結(jié)構(gòu)式如圖5 所示，化學(xué)鍵鍵能如表4 所示。低地球軌道空間環(huán)境中，紫外輻照的能量可以使得錦綸66中的大部分化學(xué)鍵斷裂[6,14]；原子氧使得錦綸66 中的碳鏈骨架易發(fā)生氧化反應(yīng)[15-16]，均將導(dǎo)致材料的力學(xué)性能退化。錦綸織物材料是由錦綸66 微米纖維經(jīng)過紡絲、編織制成，纖維之間存在孔隙，使錦綸織物在微觀上為多孔材料，易受原子氧、紫外輻照侵蝕。試驗結(jié)果也表明，在經(jīng)歷單一紫外輻照與單一原子氧環(huán)境后，錦綸材料的斷裂強力均有明顯的下降。而原子氧與紫外輻照的協(xié)同作用對錦綸材料力學(xué)性能的破壞效果大于單因素作用的效果，其原因是紫外輻照破壞材料化學(xué)鍵，而化學(xué)鍵的斷裂為原子氧的侵蝕提供了通道，又加速了原子氧與錦綸材料的氧化反應(yīng)[4,15]。

圖 5 錦綸66 結(jié)構(gòu)式Fig. 5 Chemical structural formula of Nylon 66

表 4 錦綸66 化學(xué)鍵及鍵能Table 4 Chemical bond and bond energy of Nylon 66

在單一原子氧試驗中，隨著原子氧注量的增大，經(jīng)向試驗件與緯向試驗件斷裂強力下降比例的變化趨勢一致；而在單一紫外輻照試驗中，當(dāng)紫外輻照量增大后，緯向試驗件斷裂強力下降比例由23.41%提高至27.05%，經(jīng)向試驗件斷裂強力幾乎不下降。這是由于緯向試驗件為僅單層材料受力，而經(jīng)向試驗件為4 層材料共同受力，只要有1 層材料的斷裂強力大，試驗件整體的斷裂強力就大。這亦可說明經(jīng)向試驗件的下層材料被頂層材料遮擋保護，紫外輻照對多層織物材料的穿透性不強。對于緯向試驗件來說，協(xié)同試驗導(dǎo)致的斷裂強力下降比例均明顯大于對應(yīng)工況的單一原子氧與紫外輻照試驗導(dǎo)致的斷裂強力下降比例之和，說明對單層材料來說，原子氧與紫外輻照協(xié)同作用會加劇錦綸材料的破壞。

3 結(jié)論與展望

通過從宏觀力學(xué)角度分析經(jīng)受原子氧、紫外輻照作用后不同縫制結(jié)構(gòu)錦綸材料的力學(xué)性能變化，可以得到以下結(jié)論：

1）單一原子氧試驗對K59321 錦絲綢的外觀影響較小，材料幾乎無褪色；經(jīng)過單一紫外輻照試驗及原子氧與紫外輻照協(xié)同試驗后，材料褪色明顯。

2）紫外輻照對多層錦綸材料的穿透性弱，應(yīng)用錦綸織物材料時可以考慮通過多層設(shè)計來提高材料的整體抗紫外輻照損傷性能。

3）在經(jīng)歷原子氧與紫外輻照環(huán)境后，錦綸材料的力學(xué)性能均有明顯下降。對于單層K59321 錦綸材料，原子氧與紫外輻照協(xié)同作用對其力學(xué)性能破壞具有加強效果。

4）對一定尺寸的錦綸材料而言，經(jīng)向結(jié)構(gòu)縫制件的承力能力優(yōu)于緯向結(jié)構(gòu)縫制件。

本文對錦綸材料力學(xué)性能的研究只考慮了斷裂強力，后續(xù)可從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析原子氧、紫外輻照環(huán)境作用下錦綸材料性能與其結(jié)構(gòu)間的關(guān)系；并針對多層錦綸材料對空間環(huán)境紫外輻照具有阻擋效果，開展定量研究。