空間環(huán)境對聚氨酯涂覆織物力學(xué)性能影響試驗研究

陸 平，高 鴻，李 巖，于翔天，張靜靜

（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

0 引言

聚氨酯涂覆纖維織物表面覆有均勻的聚氨酯涂層，綜合了纖維織物的強度高、模量高、密度小、耐高溫以及聚氨酯的彈力大、抗沖擊、耐老化特點，具有強度高、柔軟、氣密和耐磨的特性，主要作為囊體材料用于飛行氣艇、移動氣球和充氣護舷等，現(xiàn)已廣泛用于航空航天著陸設(shè)備的氣囊結(jié)構(gòu)，以承受著陸緩沖過程作用力，其力學(xué)性能對氣囊性能起重要作用[1-11]。

緩沖氣囊應(yīng)用于航天領(lǐng)域時，在發(fā)射場要經(jīng)歷高溫高濕環(huán)境，在軌服役期間要經(jīng)受高低溫交變、帶電粒子輻射等空間環(huán)境的作用，均會影響材料的力學(xué)性能，繼而影響氣囊的可靠性，因此需要通過模擬試驗對聚氨酯涂覆纖維織物力學(xué)性能在空間環(huán)境中的穩(wěn)定性進行研究。

本文以單面涂覆聚氨酯芳綸纖維復(fù)合材料、雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維復(fù)合材料和聚氨酯薄膜為研究對象，通過地面模擬試驗研究了空間高/低溫、濕熱和輻射環(huán)境對聚氨酯涂覆纖維織物力學(xué)性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本文的試驗研究對象為單面涂覆聚氨酯芳綸纖維復(fù)合材料、雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維復(fù)合材料和聚氨酯薄膜，它們的基本物性見表1。

表 1 試驗材料基本物性Table 1 Basic properties of test composites

單面涂覆聚氨酯芳綸纖維復(fù)合材料和雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)分別如圖1 和圖2 所示。

圖 1 單面涂覆聚氨酯芳綸纖維復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)Fig. 1 Microscopy pictures of mono-surflace polyurethane coated aramid fabric

圖 2 雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)Fig. 2 Microscopy pictures of bi-surface polyurethane coated nylon fabric

1.2 試驗方法和設(shè)備

1.2.1 模擬環(huán)境試驗條件

本研究分別在高、低溫下進行材料的拉伸性能、撕裂性能原位測試，在濕熱、高低溫交變及復(fù)合環(huán)境試驗后進行材料的拉伸性能測試。

高溫試驗條件為65 ℃，低溫試驗條件為-30 ℃。

濕熱試驗條件：相對濕度(85±5)%，溫度(40±2) ℃，連續(xù)放置1080 h。

高低溫交變試驗條件：溫度-30～65 ℃，溫度變化速率5 ℃/min，分別在-30 ℃和65 ℃時保溫15 min；試驗前試驗箱內(nèi)除濕至4.2%RH，試驗過程中箱內(nèi)通氮氣；高低溫交變循環(huán)總次數(shù)為300 次。

復(fù)合環(huán)境試驗條件：依次單獨進行濕熱、高低溫交變及粒子輻照試驗。其中，濕熱試驗條件為溫度(30±2) ℃、相對濕度(95±5)%、連續(xù)放置48 h；高低溫交變試驗條件為溫度-30～65 ℃、交變循環(huán)300 次、分別在-30 ℃和65 ℃時保溫15 min；粒子輻照試驗條件為劑量率20 rad(Si)/s、總劑量10 000 rad(Si)，此條件的設(shè)置依據(jù)為材料在航天器非密封艙內(nèi)服役時可能接受到的電離輻射劑量。

1.2.2 試驗方法

拉伸性能測試參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》[12]執(zhí)行，拉伸速率100 mm/min，標距100 mm，每組測試5 件經(jīng)向試樣，然后計算斷裂強力、斷裂伸長率的平均值。

撕裂性能測試參照GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3 部分：梯形試樣撕裂強力的測定》[13]執(zhí)行，拉伸速率100 mm/min，隔距25 mm，每組測試5 件經(jīng)向試樣，然后計算撕裂強力的平均值。

1.2.3 試驗設(shè)備

1）常溫下的拉伸性能、撕裂性能測試采用微機控制電子萬能試驗機（型號：CMT 6104）。

2）高溫65 ℃、低溫-30 ℃下的拉伸性能、撕裂性能測試采用裝配有高低溫試驗箱的微機控制電子萬能試驗機（型號：CMT 5105）。

3）濕熱試驗在高低溫濕熱交變試驗箱（型號：JY-GB-200）中進行。

4）高低溫交變試驗在SE1000-5 溫濕箱中進行，箱內(nèi)溫度的控制偏差為±2 ℃。

5）復(fù)合環(huán)境試驗中濕熱試驗、高低溫交變試驗設(shè)備同上，粒子輻照試驗在德國PTW-UNIDOS 劑量儀中進行，輻射源為60Co γ 射線源。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫、低溫下力學(xué)性能測試

2.1.1 拉伸性能測試

對試驗材料在室溫、高溫、低溫下原位進行拉伸性能測試，結(jié)果見表2。

表 2 不同溫度下的材料拉伸性能Table 2 Tensile properties of composites in different temperatures

分析表2 的試驗數(shù)據(jù)可以看到：

單面涂覆聚氨酯芳綸纖維在高溫及低溫下斷裂強力均降低；雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維和聚氨酯薄膜在低溫下的斷裂強力均高于室溫和高溫下的。

單面涂覆聚氨酯芳綸纖維的斷裂伸長率在低溫和高溫下均較在室溫下略有增加；雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維的斷裂伸長率隨溫度升高略有增加；聚氨酯薄膜的斷裂伸長率在高溫和低溫下均明顯增加。

對聚氨酯材料進行DSC（差式掃描量熱法）測試，數(shù)據(jù)見圖3，結(jié)果表明聚氨酯材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-30 ℃。聚氨酯材料拉伸性能隨溫度的變化應(yīng)該是因為，聚氨酯材料是彈性高分子材料，其分子運動受溫度影響，溫度升高能加速高分子的運動并且使分子間空間增大，使材料達到破壞形變所需的外力減??；而溫度降低則使材料達到破壞形變所需的外力增大[14]。對于單面涂覆聚氨酯芳綸纖維織物，由于其聚氨酯層與纖維的固結(jié)作用不夠充分，故芳綸織物的性能是影響復(fù)合材料在高、低溫下拉伸性能變化的主要因素。而對于雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維織物，由于其涂層與纖維的結(jié)合更為緊密，故聚氨酯涂層的性能是影響復(fù)合材料在高、低溫下拉伸性能變化的主要因素。

圖 3 聚氨酯材料的DSC 曲線Fig. 3 DSC curve of polyurethane

2.1.2 撕裂性能測試

對試驗材料在室溫、高溫、低溫下原位進行撕裂性能測試，結(jié)果見表3。

表 3 不同溫度下的的材料撕裂性能Table 3 Tearing properties of composites in different temperatures

分析表3 的試驗數(shù)據(jù)可以看到：

單面涂覆聚氨酯芳綸材料在低溫時經(jīng)向和緯向撕裂強力分別較室溫時降低40%和39%；在高溫時緯向撕裂強力較室溫時增加34%。雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維在低溫時經(jīng)向撕裂強力略有降低；在高溫時經(jīng)向和緯向撕裂強力增加。由此可知，單面涂覆聚氨酯芳綸復(fù)合材料、雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維的撕裂性能隨溫度升高而增加。

聚氨酯材料撕裂性能在高、低溫時均較室溫時明顯降低：低溫時，經(jīng)向和緯向撕裂強力分別為室溫時的37%和38%；高溫時，經(jīng)向和緯向撕裂強力分別為室溫時的56%和61%。

2.2 濕熱試驗、高低溫交變試驗和復(fù)合試驗

濕熱試驗、高低溫交變試驗及復(fù)合試驗后進行材料拉伸性能測試，結(jié)果分別見表4～表6。

表 4 濕熱試驗后的材料拉伸性能Table 4 Tensile properties of composites after damp heat test

表 5 高低溫交變試驗后的材料拉伸性能Table 5 Tensile properties of composites after high- and low temperature cycling test

表 6 復(fù)合試驗后的材料拉伸性能Table 6 Tensile properties of composites after combined environment test

分析表4～表6 的試驗數(shù)據(jù)可以看到：

濕熱試驗后，單面涂覆聚氨酯芳綸纖維的拉伸性能降低不明顯；雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維和聚氨酯薄膜的明顯降低。

高低溫度交變試驗后，單面涂覆聚氨酯芳綸纖維的拉伸性能變化不明顯；雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維的略有增加；聚氨酯薄膜的明顯降低。

復(fù)合試驗后，單面涂覆聚氨酯芳綸纖維的的拉伸性能略有降低；雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維的略有增加；聚氨酯薄膜的斷裂強力略有增加，斷裂伸長率顯著增加。

3 結(jié)論

通過對3 種材料進行高、低溫下的原位力學(xué)性能測試以及濕熱試驗、高低溫交變試驗、復(fù)合試驗后的力學(xué)性能測試，得到如下結(jié)論：

1）單面涂覆聚氨酯芳綸復(fù)合材料的斷裂強力在高溫、低溫下明顯降低；斷裂伸長率增大；復(fù)合材料的強度主要受織物性能影響。

2）雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維的斷裂強力低溫下明顯增大，高溫下明顯降低；斷裂伸長率低溫下明顯降低，高溫下增大；復(fù)合材料的強度主要受聚氨酯涂層性能影響。

3）單面涂覆聚氨酯芳綸復(fù)合材料、雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維的撕裂性能隨溫度升高而增加。

4）濕熱、高低溫交變以及濕熱、高低溫交變、粒子輻照順序作用的復(fù)合試驗后，單面涂覆聚氨酯芳綸復(fù)合材料和雙面涂覆聚氨酯尼龍纖維材料的力學(xué)性能變化不明顯，表明材料具有較好的空間環(huán)境穩(wěn)定性。