特纺材料高温环境拉伸试验方法研究

2019-12-30张荣

纺织检测与标准 2019年6期

张荣

（航宇救生装备有限公司湖北襄阳441003）

0 引言

特纺材料是一种技术性能要求高，使用环境比较复杂，具有特殊用途的纺织品。由于航空救生领域装备产品的主体是柔性纺织材料，复杂的工作条件和特定环境对其制成的纺织材料性能和品质有着特殊的要求。对材料的强烈依赖性使得高性能救生装备对特种纺织材料提出了更高的要求。因此，任何一次航空救生装备技术的重大突破都离不开新材料的应用。

耐高温性能是航空救生领域装备产品战术技术指标中必不可少的一项内容。个体防护救生装备、军用伞及空投空降装备产品使用的特纺材料品种和类别较多，大部分材料对高温条件非常敏感，主要是因为外界工作环境温度升高，导致特纺材料的分子活化能增加，材料老化加剧。由于我国幅员辽阔、海岸线长，自然条件较为复杂，部分军用伞及空投空降装备产品在这种复杂的条件下长期在高温条件下使用和存放，必定使得其主体特纺材料的特性发生变化，直接影响产品的技术性能和使用寿命，因而有必要对高温环境下特纺材料的特性变化进行研究，便于后期相应产品的研制和使用。

本文在综合考虑航空救生装备在高温环境下贮存和工作条件的基础上，结合相关具体要求条款，以飞行员个体防护救生装备、军用空降空投降落伞和海上救生船等装备对于主体特纺材料的可靠性设计准则为研究方向，对主体特纺材料在高温环境下拉伸性能的试验进行研究。本次研究的内容主要包括试验原理设计、试验设备的设计制造、试验步骤的设计、试验验证和标准化的研究，目的是为产品设计、产品试验和产品故障分析提供技术支撑。

1 试验

1.1 研究背景

1.1.1 产品考核的标准

GJB 150.3A—2009《军用装备实验室环境试验方法第3部分高温试验》是所有军用装备产品高温环境适应性技术指标制定和鉴定试验的依据，对装备产品的高温试验要求作出了详细的规定。

1.1.1.1 高温贮存

先将试验所用试件按规定要求暴露于装备贮存状态可能遇到的高温条件下，然后在标准大气条件下测试其相关性能。

1.1.1.2 高温工作

为了考察装备工作时高温环境对其性能的影响，可通过以下两种途径实施：①将试件暴露于试验箱温度循环的条件下，使试件连续工作，或者在温度最高（试件达到最高温度）期间工作；②将试件暴露于恒定高温条件下，当试件温度稳定时进行工作。

1.1.2 高温对材料产生的影响

特纺材料对于高温环境非常敏感，而装备产品使用环境也很复杂，一旦在高温下贮存或工作，主体特纺材料受环境的影响会产生相应的应激变化。鉴于热量是导致特种纺织材料老化的主要因素，且随着温度的上升，老化程度加剧，这可能是因为：温度上升后，分子的活化能增加，氧化速度加快；纤维受高温环境的影响，外观表面容易发生变色；高温容易导致涂层织物的涂覆层表面出现发黏、裂解现象，甚至产生龟裂纹。

1.2 高温环境拉伸性能试验方案设计

1.2.1 试验原理

将高温环境试验箱设置在拉力试验机的工作区域，在高温环境下进行以下3种情况的试样拉伸试验：①即时拉伸至材料断裂；②施加规定载荷后持续拉伸至材料断裂；③施加规定载荷，经规定的试验时间后测得材料的应力—应变情况。

1.2.2 试验设备设计和制造

随着我国航空技术飞跃的发展及航空领域装备使用环境的特殊性，对航空救生装备使用性能和可靠性能的要求也越来越高。因此，在设计和生产中需要试验和检测仪器设备能模拟真实的使用环境。由于高温环境是导致特纺材料物理特性变化的主要因素，因此，研究和检测高温环境下特纺材料物理特性的变化，是保证产品质量和可靠性不可缺少的环节。根据航空救生装备产品在高温环境下持续工作的实际状况，需要对材料进行长时间连续测试，而目前尚无用于特定环境下持续拉伸的试验仪器，因而需要针对上述要求专门设计。

1.2.2.1 单元组成

高温拉力试验机功能组成主要包括温度控制单元、负荷加载单元和软件分析单元。

1.2.2.2 特点

根据使用需求，整合材料试验机和高低温湿热试验箱功能，设计出高温环境下特纺材料应力—应变特性试验系统。该仪器可以模拟特纺材料在高温环境下检测试样的物理特性及变化的过程，也可独立运行。因此，既可以单独用于特纺材料进行高温贮存试验，材料试验机用于特纺材料的断裂、拉伸、压缩、定伸长、定负荷、蠕变等项目的测试，也可以组合运行，即在高温环境下进行拉伸性能的测试。

1.2.3 主要技术参数

1.2.3.1 温度控制系统

温度可控制在室温至150℃,温度均匀度为±2.0℃，连续工作时间在48～1 200 h。

1.2.3.2 负荷加载系统

可进行断裂点、断脱点、屈服点、初始模量、弹性塑性变形等数据的分析；交流伺服驱动，速度可控制在0.000 1～1 000 mm/min，数字设定，运转平稳，无速度过冲、不匀的现象；进口传感器，测力精度高于0.02%（F·S）（F·S是指力×时间）；采样频率高达1 500次/s；连续工作时间≥200 h。

1.2.3.3 软件分析系统

将温湿度控制系统及材料试验机系统操作合二为一；测试界面显示两大系统的常用数据及曲线，方便进行试验结果分析，自动显示材料所需的屈服点、塑性形变、初始模量等研究所需的数据；软件分析系统可将数据导出不同格式文档，方便数据传输以进行对比试验。

1.3 实施方案

1.3.1 确定试验温度条件

按照试样原材料耐温性能的不同和具体使用环境，推荐采用以下高温试验条件：①锦纶6类材料的即时拉伸试验温度70℃，持续拉伸试验温度≤50℃；锦纶66类材料的即时拉伸试验温度≤90℃，持续拉伸试验温度≤70℃；涤纶类材料的即时拉伸试验温度≤110℃，持续拉伸试验温度≤90℃；芳纶类（包括芳纶1313、芳纶1414、杂环芳纶等）材料的即时拉伸试验温度≤130℃，持续拉伸试验温度≤100℃；超高分子质量聚乙烯材料即时拉伸试验温度≤60℃，持续拉伸试验温度≤40℃；芳族聚酯类材料的即时拉伸试验温度≤140℃，持续拉伸试验温度≤110℃；接缝剪切强度的拉伸试验温度≤70℃；剪切强度、剥离强度的拉伸试验温度≤80℃。

需要注意，对于温度敏感的纤维，长期暴露在干热空气环境中（如持续拉伸试验中）会引起材料的热收缩，在试验过程中应注意观察其特征变化情况，并予以记录。

1.3.2 试验方式选择

根据技术标准、设计文件及客户需求，主要选择即时拉伸至断裂、施加规定载荷后持续拉伸至断裂以及施加规定载荷和试验时间的应力—应变等3种高温拉伸方式。

1.3.3 试验前基础数据

鉴于特种纺织材料在高温环境条件下的拉伸与标准大气条件下的拉伸试验结果的不同，建议在高温拉伸试验前，对原样在标准大气条件下进行拉伸试验，测得原样的断裂强力和断裂伸长率。

1.4 试验步骤

1.4.1 即时拉伸试验

进行即时拉伸试验时，应先启动强力试验机开始拉伸试验，并在试验过程中注意观察试样的情况；试验结束后，记录试样的断裂强力值和断裂伸长率值。在测试标准伸长率（指达到标准或指标要求的断裂强力值对应的伸长率）时，需要记录达到试样标准强力值时的伸长量。

1.4.2 持续拉伸试验

进行持续拉伸试验时，先启动强力试验机开始拉伸试验，并在试验过程中注意观察试样的夹持情况，若出现试样打滑和其他异常情况时立即停止试验；试验结束后，记录试样的断裂（或拉伸）强力值、拉伸（包括断裂和未断裂）伸长率值和试样断裂时间。

1.5 参试材料

本试验以飞行员个体防护救生装备、降落伞产品以及其他领域产品使用为主，品种上兼顾原材料种类（如锦纶、涤纶、芳纶等）、结构（如功能整理、涂层等），尽量以点带面；试验条件的参数设置模拟装备产品的任务环境要求。在实施过程中可根据不同材料对于高温的反应程度及时调整材料品种。试验选择对芳纶涂覆织物和聚氨酯胶布高温环境即时拉伸及对涤纶丝套带高温定负荷拉伸所得数据进行研究。

2 结果及讨论

2.1 高温环境即时拉伸

针对不同材料对于温度的敏感性，结合产品使用的工况条件，对产品的主体材料进行高温环境下的拉伸试验，并与在温度为（20±3）℃、相对湿度为（65±5）%的标准条件下的试验结果进行对比。试验对芳纶涂覆织物和FL-131聚氨酯胶布两种涂覆织物在不同温度条件下的拉伸试验结果分别见表1和表2。其中，每种试样在不同的温度条件下测试3组平行数据，然后取平均值。

表1 不同温度下芳纶涂覆织物拉伸测试结果

表2 FL-131不同温度下聚氨酯胶布拉伸测试结果

由表1和表2可知：在低温（23℃）条件下，芳纶涂覆织物和聚氨酯胶布的接缝剪切强度分别为1 234和550 N，是高温（70℃）条件下所测芳纶涂覆织物和聚氨酯胶布的接缝剪切强度（分别为696和229 N）的2倍多，这说明温度对试样的性能影响较大，且温度越高，特纺材料老化越严重，材料强度越低。

2.2 高温定负荷持续拉伸

由于特纺材料在高温条件下其内部分子运动、结晶、熔融过程、热氧化过程、热降解过程等均会发生变化，因而可通过采用DSC（差示扫描量热分析仪）、DMA（动态热机械性能分析仪）、TG（热重分析仪）等手段进行分析研究。受限于已知试验条件，本试验主要针对特纺材料的力学性能对于温度的敏感性进行了测试。试验以20-900涤纶套带为例，设置试验拉伸参数为：温度90℃，加载负荷值6 615 N（900×9.8×0.75），持续加载时间2 min，在此条件下进行试验，并观察试样有无异常现象，试验结果见图1。