連續(xù)氧化鋁紗線及其織物力學(xué)性能

謝治云，李文斌，張 賀，黃 叢，官思佳，劉 洋

(1.武漢紡織大學(xué)省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430200; 2.航天科工空間工程發(fā)展有限公司，北京 100854； 3.中國航天科工集團(tuán)空間工程總體部，北京 100854)

氧化鋁纖維及其織物作為剛性或柔性高溫?zé)岱雷o(hù)材料，受到了國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。Jiang等[9]制備了氧化鋁纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料，研究了其在高溫下的力學(xué)性能與破壞機(jī)理。孫現(xiàn)凱等[10]采用氧化鋁纖維紙、氧化硅氣凝膠和石墨紙進(jìn)行縫合，并對表面進(jìn)行抗氧化處理，制備出柔性隔熱材料。曹旭等[11]采用美國3M氧化鋁織物作為熱防護(hù)系統(tǒng)的防熱層，進(jìn)行高焓風(fēng)洞研究。國內(nèi)一些學(xué)者已開始研究國產(chǎn)連續(xù)氧化鋁纖維的基本紡織性能與可織造性。例如，丁一等[12]對連續(xù)氧化鋁纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、物理性能和耐化學(xué)腐蝕性等方面進(jìn)行表征，并分析了氧化鋁纖維的可紡紗性。解錫明等[13]運(yùn)用往復(fù)式線性摩擦測試方法，模擬織造過程中氧化鋁紗線與筘齒之間的摩擦行為，研究加載力、預(yù)加張力、摩擦頻率對氧化鋁紗線摩擦性能的影響規(guī)律。目前，針對連續(xù)氧化鋁紗線及其織物的力學(xué)性能、高溫處理后力學(xué)性能保留率方面的研究較少，缺乏對國內(nèi)外生產(chǎn)的氧化鋁纖維及其織物性能差異的認(rèn)知，這對深入了解國產(chǎn)氧化鋁纖維性能及研發(fā)柔性耐高溫織物至關(guān)重要。為此，本文對具有國際領(lǐng)先水平代表性的美國、日本、國產(chǎn)3種氧化鋁紗線與織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)、室溫力學(xué)性能進(jìn)行分析對比，進(jìn)而對氧化鋁紗線與織物進(jìn)行高溫處理，測試其力學(xué)性能保留率，從而增加對國內(nèi)外氧化鋁紗線與織物力學(xué)性能的認(rèn)知。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

美國氧化鋁織物(美國明尼蘇達(dá)礦務(wù)及制造業(yè)公司)、簡稱為MG，日本氧化鋁織物(日本Nitivy公司)、簡稱為RB，由于僅能獲得織物，因此所測MG、RB紗線由織物拆解所得。國產(chǎn)氧化鋁纖維(由航天科工空間工程發(fā)展有限公司提供)、簡稱為GC。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1.2.1 氧化鋁纖維形貌SEM表征

采用Sigma500掃描電子顯微鏡(德國蔡司公司)觀察氧化鋁纖維的表面形貌。

1.2.2 紗線細(xì)度測試

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7690.1—2001《增強(qiáng)材料紗線試驗(yàn)方法第1部分：線密度的測定》，取一定長度的紗線，采用精密天平(精度0.000 1 g)進(jìn)行稱重，計(jì)算紗線線密度。

1.2.3 紗線捻度與合股數(shù)測試

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7690.2—2001《增強(qiáng)材料紗線試驗(yàn)方法第2部分：捻度的測定》，將一定長度的紗線夾持在紗線捻度測試儀(型號(hào)：Y331C，溫州方圓儀器公司)上，進(jìn)行捻度測量。合股數(shù)通過紗線解捻后計(jì)數(shù)獲得。

1.2.4 紗線與織物拉伸性能試驗(yàn)方法

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7690.3—2001《增強(qiáng)材料紗線試驗(yàn)方法第3部分：玻璃纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測定》，采用英斯特朗電子萬能試驗(yàn)機(jī)(INSTRON 5967)進(jìn)行拉伸測試，氧化鋁紗線采用 1 kN 載荷傳感器，測試間距為50 mm，加載速率為20 mm/min；氧化鋁織物采用30 kN載荷傳感器，有效測試長度為50 mm、寬度為25 mm，加載速率為 20 mm/min。氧化鋁紗線或織物兩端粘貼硬紙片作為加強(qiáng)片以防止打滑。為了進(jìn)一步分析紗線與織物強(qiáng)力之間的關(guān)系，用式(1)計(jì)算織物的紗線強(qiáng)力利用率W。

(1)

式中：PF為織物拉伸強(qiáng)力，N；dj為織物經(jīng)密，根/cm；Py為紗線拉伸強(qiáng)力，N。

1.2.5 紗線與織物高溫處理力學(xué)性能保留率表征

將裁剪好的氧化鋁紗線或織物放入箱式電阻爐(浙江道墟科析儀器廠，型號(hào)SX2- 4-10A)，在950 ℃溫度下保溫處理4 h，隨爐冷卻至室溫后參照1.2.4表征方法進(jìn)行拉伸測試，用式(2)計(jì)算氧化鋁紗線或織物的高溫處理強(qiáng)力保留率RF。

(2)

式中：Fc為高溫處理后拉伸強(qiáng)力，N；Fo為高溫處理前拉伸強(qiáng)力，N。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁紗線力學(xué)性能

2.1.1 氧化鋁紗線室溫力學(xué)性能

3種氧化鋁紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸性能如表1所示。由表1可看出，MG氧化鋁紗線線密度最大，RB和GC氧化鋁紗線線密度幾乎相同，且只有MG氧化鋁紗線線密度的44%。捻度方面，RB與GC氧化鋁紗線捻度相近，而MG氧化鋁紗線捻度最小，約為其他兩種紗線捻度的一半。MG氧化鋁紗線為2根合股，RB和GC氧化鋁紗線的合股數(shù)均為3根合股。此外，MG氧化鋁紗線表面涂覆有粉紅色上漿劑，而其他兩種氧化鋁紗線為白色。氧化鋁紗線表面的上漿劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1%，微量存在，且呈離散分布，不會(huì)明顯影響紗線力學(xué)性能。表1中紗線拉伸性能測試結(jié)果可看出，MG氧化鋁紗線拉伸斷裂強(qiáng)力為154.8 N，為所有紗線中最大。然而3種紗線中，RB氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度最大，為 41.9 cN/tex。盡管美國紗線線密度為其他紗線的兩倍多，但MG氧化鋁紗線拉伸斷裂強(qiáng)度也高達(dá)33.4 cN/tex，僅次于GC氧化鋁紗線的拉伸強(qiáng)度。MG氧化鋁紗線拉伸斷裂應(yīng)變最大，而GC氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變最小，僅為2.4%。

表1 氧化鋁紗線規(guī)格參數(shù)與拉伸性能Tab.1 Specification parameters and tensile property of the Al2O3 yarns

氧化鋁紗線拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線如圖1所示。氧化鋁紗線的拉伸強(qiáng)度隨著應(yīng)變增加，呈近似直線增加，達(dá)到最大值后纖維斷裂，強(qiáng)力迅速下降，表現(xiàn)為脆性斷裂。依據(jù)曲線直線段部分的斜率可知，RB氧化鋁紗線拉伸模量與GC氧化鋁紗線模量相近，大于MG氧化鋁紗線拉伸模量。

圖1 氧化鋁紗線拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線Fig.1 Tensile strength vs. strain curves of the Al2O3 yarns

綜合紗線各方面指標(biāo)可知，GC氧化鋁紗線與RB氧化鋁紗線合股數(shù)一樣、細(xì)度和捻度相近，但GC氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度較低、斷裂應(yīng)變小，表明GC氧化鋁紗線力學(xué)性能與RB氧化鋁紗線相比還有一定差距。GC氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度略高于MG氧化鋁紗線，紗線線密度和斷裂強(qiáng)力為MG紗線的43.5%、47.4%，理論上講，可通過上漿、兩根GC氧化鋁紗線合股等工藝制備與MG力學(xué)性能相媲美的紗線。

2.1.2 氧化鋁紗線高溫處理后力學(xué)性能

高溫處理后力學(xué)性能保留率是評價(jià)氧化鋁纖維耐高溫性能的重要指標(biāo)之一。為考察氧化鋁纖維耐高溫性能，對氧化鋁紗線在950 ℃空氣氣氛中處理 4 h，測試其拉伸性能，并計(jì)算力學(xué)性能保留率。所有經(jīng)過高溫處理后的氧化鋁紗線均為白色，因?yàn)楸韺油扛驳臐{料均被燒掉，紗線變得更加蓬松、更加柔軟。

氧化鋁紗線高溫處理后拉伸性能如表2所示。由如表2可看出，高溫處理后，3種氧化鋁紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變均呈下降趨勢。4 h高溫處理后，MG、RB、GC氧化鋁紗線的斷裂強(qiáng)力保留率分別為64.2%、71.9%、76.0%，MG氧化鋁紗線性能下降最為明顯，而GC氧化鋁紗線強(qiáng)力保留率最高。3種紗線斷裂強(qiáng)度對比分析可知，仍然是RB氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度最高，MG氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度最低。高溫處理后，MG與GC氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變僅為0.8%，RB氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變僅為1.0%。3種氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變下降非常明顯，斷裂應(yīng)變保留率為25.6%、32.5%、32.7%，仍是MG氧化鋁紗線下降最明顯。高溫下氧化鋁纖維中晶粒膨脹，晶粒間缺陷增多，導(dǎo)致強(qiáng)力下降。氧化鋁纖維主要成分為氧化鋁、二氧化硅等氧化物，不會(huì)在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)。綜合分析，GC氧化鋁紗線的高溫力學(xué)性能保留率為三者最高，且與RB氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度的差距較小。

表2 高溫處理后氧化鋁紗線拉伸性能Tab.2 Tensile property of the Al2O3 yarns after high temperature treatment

3種氧化鋁紗線在950 ℃高溫處理4 h后拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可看出，高溫處理后，拉伸加載下3種氧化鋁紗線仍表現(xiàn)為脆性斷裂，且較小的斷裂應(yīng)變保留率使得脆性特征更為明顯。

圖2 高溫處理4 h后氧化鋁紗線拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile strength vs. strain curves of the Al2O3 yarns after 4 hours' high temperature treatment

2.2 氧化鋁織物力學(xué)性能

2.2.1 氧化鋁織物室溫力學(xué)性能

MG與RB氧化鋁織物如圖3(a)、圖3(b)所示，相應(yīng)的織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸性能如表3所示。MG氧化鋁織物組織結(jié)構(gòu)為1/3破斜紋，而RB氧化鋁織物為2/2↖斜紋結(jié)構(gòu)。MG氧化鋁織物的經(jīng)緯密度比RB氧化鋁織物小，但MG紗線比RB紗線線密度大，MG氧化鋁織物緊度(為57.7%)大于RB氧化鋁織物緊度(為52.9%)，織物較硬挺。雖然織物結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，但可通過每厘米強(qiáng)力來評價(jià)織物力學(xué)性能。得益于單紗強(qiáng)力較大，MG氧化鋁織物拉伸強(qiáng)度較大，高達(dá)1 060.9 N/cm，大于RB氧化鋁織物強(qiáng)度(864.0 N/cm)。MG與RB氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變較為接近。MG與RB氧化鋁織物的紗線強(qiáng)力利用率分別為85.7%、84.4%。因?yàn)镸G與RB紗線為織物拆解所得，而織造后的紗線強(qiáng)力會(huì)因磨損而降低，所以由此計(jì)算的MG與RB紗線強(qiáng)力利用率偏高。

為進(jìn)一步探究國內(nèi)外氧化鋁織物性能，在與原織物組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯密度相同的情況下，由GC氧化鋁紗線兩根并為一根織造仿織MG織物，由GC氧化鋁紗線織造仿織RB織物。仿織MG與仿織RB氧化鋁織物如圖3(c)、3(d)所示，相應(yīng)的織物規(guī)格參數(shù)與拉伸性能如表3所示。仿織MG氧化鋁織物與仿織RB氧化鋁織物的斷裂強(qiáng)度分別為875.3、653.3 N/cm，為仿織對象斷裂強(qiáng)度的82.5%、75.6%。由于GC氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變較低，因此仿織織物的斷裂應(yīng)變也低于仿織對象。由表3可知，仿織MG和仿織RB織物的紗線強(qiáng)力利用率分別為74.6%、74.2%，表明仿織過程中紗線強(qiáng)力利用率較為穩(wěn)定。

表3 氧化鋁織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸性能Tab.3 Structural parameters and tensile property of the Al2O3 fabrics

圖3 氧化鋁織物實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Images of the Al2O3 fabrics

4種氧化鋁織物拉伸強(qiáng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。起始階段，氧化鋁織物的拉伸強(qiáng)力隨著應(yīng)變增加而緩慢增加，此時(shí)為屈曲的紗線伸直過程。隨著應(yīng)變繼續(xù)增加，氧化鋁織物強(qiáng)力呈直線狀迅速增加，紗線斷裂后強(qiáng)力明顯下降，表現(xiàn)為脆性斷裂破壞特征。4種氧化鋁織物在拉伸加載下的斷裂形貌如 圖5 所示?？煽闯?，氧化鋁織物的斷裂特征為氧化鋁紗線斷裂、滑移、抽拔。

圖4 氧化鋁織物拉伸強(qiáng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Tensile force vs. strain curves of the Al2O3 fabrics

圖5 氧化鋁織物拉伸斷裂形貌Fig.5 Fracture images of the Al2O3 fabrics subjected to tensile loading

2.2.2 氧化鋁織物高溫處理后力學(xué)性能

4種氧化鋁織物在950 ℃高溫處理4 h后拉伸性能如表4所示。可看出，高溫處理4 h后，4種織物斷裂強(qiáng)度與斷裂應(yīng)變均呈下降趨勢。其中，MG氧化鋁織物斷裂強(qiáng)度最高，達(dá)722.4 N/cm；RB氧化鋁織物斷裂應(yīng)變最大，為3.6%。與MG、RB氧化鋁織物相比，仿織織物的斷裂強(qiáng)度保留率較高，這與GC氧化鋁紗線高溫處理后強(qiáng)度保留率較高一致。MG氧化鋁織物斷裂應(yīng)變保留率最低、為67.5%，而高溫處理相同時(shí)間氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變保留率最高僅為32.7%(見表2)，由此可知，氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變保留率明顯高于氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變保留率。

表4 高溫處理后氧化鋁織物拉伸性能Tab.4 Tensile property of the Al2O3 yarns after high temperature treatment

950 ℃高溫處理4 h后4種氧化鋁織物拉伸強(qiáng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。與高溫處理前曲線(見 圖4)對比可看出，高溫處理后氧化鋁織物仍表現(xiàn)為脆性斷裂破壞特征，且斷裂應(yīng)變的差距縮小。圖7是高溫處理4h前后氧化鋁織物拆解紗線的形貌圖。可看出，高溫處理前織物中紗線僅有輕微屈曲，而高溫處理后，織物中紗線屈曲變得明顯，因?yàn)楦邷貢r(shí)氧化鋁紗線模量降低，在紗線交織內(nèi)應(yīng)力作用下，氧化鋁紗線發(fā)生蠕變，產(chǎn)生屈曲變形。這種屈曲變形提高了氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變，使得氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變高溫處理保留率高于氧化鋁紗線。

圖6 高溫處理4h后氧化鋁織物拉伸強(qiáng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Tensile force vs. strain curves of the Al2O3 fabrics after 4 hours' high temperature treatment

圖7 高溫處理前后氧化鋁織物中紗線形貌Fig.7 Images of the Al2O3 yarns from the fabrics before and after high temperature treatment

2.3 氧化鋁纖維高溫處理前后SEM形貌

氧化鋁纖維高溫處理前與950 ℃高溫處理 4 h 后的SEM形貌如圖8所示?？煽闯觯?種氧化鋁纖維表面均有細(xì)小顆粒感，MG與RB氧化鋁纖維表面顆粒感較為細(xì)膩，而GC氧化鋁纖維表面顆粒感更強(qiáng)。經(jīng)過950 ℃高溫處理4 h后，所有氧化鋁纖維表面的上漿劑均被燒掉，氧化鋁纖維表面形貌與高溫處理前基本一致，無龜裂或其他現(xiàn)象出現(xiàn)，氧化鋁纖維仍為圓柱形，表明氧化鋁纖維具有很好的耐高溫性。

圖8 高溫處理前后氧化鋁纖維SEM形貌圖Fig.8 SEM images of the Al2O3 fibers before and after high temperature treatment

3 結(jié) 論

對具有代表性的美國(MG)、日本(RB)和國產(chǎn)(GC)3種氧化鋁紗線及織物進(jìn)行室溫與高溫處理后拉伸性能表征，進(jìn)而采用相同結(jié)構(gòu)、利用GC氧化鋁紗線仿織與MG、RB同規(guī)格織物，通過相應(yīng)的拉伸性能測試、對比分析得出結(jié)論如下：

a)紗線室溫力學(xué)性能方面，RB氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度最高，MG氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度最低，GC氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度介于兩者之間。

b)紗線經(jīng)950 ℃高溫處理4 h后力學(xué)性能方面，MG氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)力保留率最低，而GC氧化鋁紗線強(qiáng)力保留率最高；3種氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變下降明顯，其中MG氧化鋁紗線斷裂應(yīng)變保留率僅為25.6%。

c)織物室溫力學(xué)性能方面，MG氧化鋁織物拉伸斷裂強(qiáng)度高于RB氧化鋁織物斷裂強(qiáng)度，同種結(jié)構(gòu)采用GC氧化鋁紗線仿織的MG氧化鋁織物與仿織RB氧化鋁織物的斷裂強(qiáng)度分別為仿織對象斷裂強(qiáng)度的82.5%、75.6%。

d)織物950 ℃高溫處理4 h后力學(xué)性能方面，仿織MG、RB織物的斷裂強(qiáng)度保留率高于仿織對象；氧化鋁織物的斷裂應(yīng)變保留率明顯高于氧化鋁紗線的斷裂應(yīng)變保留率，因?yàn)楦邷貢r(shí)氧化鋁織物中紗線發(fā)生蠕變，產(chǎn)生屈曲變形。