短期老化与折皱损伤对飞艇囊体材料空气泄漏性能的影响

张云浩， 阿力木·安外尔， 米 翔， 张大旭 陈务军， 鲁国富， 张金奎

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240; 2.上海交通大学 空间结构研究中心，上海 200240; 3.中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448000)

飞艇是一种轻于空气的浮空器，具有驻空和定点能力、服务范围广、机动灵活、运行成本低、绿色环保等特点，具备极大的军事和商业价值[1].飞艇按照结构类型可分为柔性飞艇、刚性飞艇以及半刚性飞艇.半刚性飞艇[2]主要由主气囊、副气囊、气囊隔层和龙骨组成.气囊隔层将主气囊分割成若干封闭气室，一般通过对其充放空气来控制飞艇重量、飞行姿态及高度.副气囊位于主气囊内部，充以密度小于空气的气体(如氦气)为整个飞艇提供升力.飞艇囊体材料是一种新型层压高性能织物复合材料，具有低密度、高强度、高弹性模量等特点，被广泛应用于浮空器领域[3].目前，国内外对囊体材料的力学性能(如强度、弹性模量、剪切模量)[4-16]及织物结构透气性能[17-20]进行了较为广泛和深入的研究.此外，也有一些关于囊体材料气密性能的研究，主要包括完好无损伤囊体材料的氦气渗透性能[21-22]、损伤囊体材料的氦气泄漏性能[23]以及泄漏检测技术与仿真模拟[24-28].Disdier等[29]将囊体材料损伤分为3种类型：由于磨损和划伤形成的表面型损伤、因拉伸循环荷载产生的位于材料断面内部的封闭型损伤及由于刺穿或揉搓形成的贯穿型损伤.渗透是指气体分子通过无损伤囊体材料从高浓度区扩散到低浓度区的过程，速率较小；泄漏是指气体通过损伤囊体材料的裂纹、孔眼等局部位置快速排出的过程，速率较大[30].马寅佶等[21-22]利用氦气扩散模型和多层复合结构渗透模型预测了材料各层的氦气渗透率.Yao[23]等研究了柔性复合材料不同损伤模式引起的氦泄漏并确定了氦泄漏的主要损伤模式.Noll[24]采用一种新的气体泄漏检测分析技术，利用积分法计算泄漏面积并利用温度传感器技术计算飞艇的泄漏量.邢建国[25]针对大体积低内压密闭结构，利用表面应变法预测其泄漏量.曾凡阳等[26]利用等效压差法，结合有限元软件Fluent分析了浮空气囊泄漏问题.朱仁胜等[27-28]提出定量泄漏检测方法并利用自主研发的浮空气囊检漏试验台研究浮空气囊泄漏量并通过仿真模拟验证了其正确性.

自然老化和折皱易使半刚性飞艇主气囊形成损伤、产生空气泄漏，但目前尚缺少此方面的研究.囊体材料在生产制造、运输搬运及主气囊制作过程会产生折皱损伤，服役期间会受到温差、湿度、紫外线等因素的影响而产生自然老化损伤，使囊体材料产生折痕和贯穿型损伤(针孔)，进而发生空气泄漏，对飞艇主-副气囊之间压差稳定性，飞艇飞行姿态、高度、单次飞行时长和安全性具有显著影响.因此，有必要展开老化及折皱损伤对囊体材料空气泄漏率影响规律的研究.

本文针对飞艇囊体材料Uretek3216-LV进行5种老化时长(0、1月、3月、8月、12月)条件下4种贯穿型折皱损伤程度(20次、270次、900次、2 700 次全揉搓)的泄漏率试验，揭示老化时间及揉搓次数对泄漏率的影响规律，分析折皱损伤特征衍变过程和损伤机理.

1 老化及折皱损伤试验件制备

1.1 试验材料

本文试验在“布料”结构下进行，均未以飞艇囊腔结构形状开展试验.试验采用美国URETEK公司研发的囊体材料Uretek 3216-LV.该材料由Vectran持力层、聚氟乙烯(PVF)面层和各功能层(耐候层、阻隔层及粘结层)等材料层压复合而成.持力层是经纬向纱线通过平织法编织而成，材料密度为205 g/m2，厚度0.26 mm.图1为试验采用的全新囊体材料，其内表面、外表面宏观形貌分别为图1(a)、1(b)，断面微观形貌为图1(c).

图1 全新囊体材料

1.2 老化试验方法

以某飞艇服役环境(湖北荆门)为依据，参考规范GB/T 17603-1998 标准[31]，自制试验暴露架，完成自然老化试验，暴露架朝南，与水平面呈5°角，如图2所示.试件经向长550 mm、纬向长 1 420 mm.试验开始于2016年10月25日，待新材料老化至1月、3月、8月及12月时分别取样，并于2017年10月25日共完成4个批次老化试验.试验点荆门位于东经111°51′～113°29′，北纬30°28′～31°26′，属于北亚热带湿润季风型气候，年平均气温为 15.6～16.3 ℃，年日照时间为1997～2100 h.

图2 户外暴露老化试验

1.3 耐揉搓试验方法

耐揉搓试验参考 ASTM∶F392/F392M-11 标准[32]，采用FDT-02型揉搓试验机，揉搓频率为45次/min，完成4种损伤程度揉搓试验各2件，即全揉搓20、270、900及 2 700 次.不同揉搓损伤程度对应的揉搓条件如表1所示,其中，Z01～Z04代表不同的揉搓损伤程度.试件长280 mm、宽200 mm，分别沿长度方向固定于上下揉搓圆台，试验圆台面积为50 cm2，圆台相距180 mm.揉搓试验分两步完成：① 上揉搓圆台向下平移90 mm的同时旋转440°±4°；② 上揉搓圆台向下平移65 mm，再恢复至原位.整个过程下揉搓圆台固定不动，如图3所示.

图3 揉搓试验

表1 不同损伤程度的揉搓试验条件

2 空气泄漏率试验

2.1 空气泄漏率试验过程

泄漏率可以表征透气性[33]，即在规定试验面积、压降和时间条件下，气流垂直通过试样的流速.利用改装后的泄漏与密封强度测试仪和自制试验圆台对老化揉搓后的试验件进行泄漏率试验.为保证试样边缘不漏气，使用夹具和橡胶垫圈平整的固定试样，试验原理如图4(a)所示.利用风机向试验圆台充入900 Pa空气，待压差降为45 Pa时结束试验，记录压强-时间曲线.每1个试验件采样5次(采样位置的选取应尽量不包含重复区域，且避开边缘区域)，依次编号为a、b、c、d、e，如图4(b)所示.

图4 泄漏率试验原理图

2.2 空气泄漏率计算

参照GB/T 5453-1997规范[33]计算压差为50、100、200、300、400及500 Pa处的空气泄漏率.根据理想气体状态方程可以得到各压差状态下试验圆台内气体质量：

(1)

式中：M为气体的摩尔质量；p为试验圆台内气体压强差；patm为标准大气压；V为试验圆台体积；R为空气气体常数；Tgas为气体绝对温度.利用微分法将特定压差对应时刻t的空气质量表示为线性函数形式：

(2)

(3)

式中：ρatm为标准大气压ISA海平面大气密度.利用气体流量可得到空气泄漏率：

K=Q/A

(4)

式中：A为试验截面面积.

3 试验结果

3.1 短期老化对材料空气泄漏率的影响

为了揭示老化对材料空气泄漏率的影响，对各老化月份不同揉搓次数的试件进行泄漏率试验.每个老化月份下，每种揉搓条件的试验件各2件，每个试件在不同位置(图4(b))共取样5次，即每个月份下每种揉搓条件下空气泄漏率试验数据均为10组，为消除试验和人为误差将10组数据取均值，得到各老化月份下，不同揉搓条件及不同压强差条件下的空气泄漏率，如图5所示, 图中n为揉搓次数.可以看出，各月份的数据分布规律一致，即空气泄漏率随着揉搓次数和压差的增大而逐渐增大.另外，在相同条件下的空气泄漏率分布集中，并无明显差别，即短期老化对材料的空气泄漏率几乎没有影响.

图5 新材料及各老化月份泄漏率试验数据

3.2 压强差对空气泄漏率的影响

为了揭示压强差对材料空气泄漏率的影响，采用最小二乘法对相同揉搓条件、不同压差下材料的空气泄漏率试验数据点进行拟合，如图6所示，得到材料空气泄漏率与压强差的关系曲线，拟合曲线表达式为

图6 空气泄漏率与压强差关系曲线

KZi=aZip

(5)

式中：KZi(i=01、02、03、04)为在不同揉搓条件下材料的泄漏率；aZ01、aZ02、aZ03及aZ04为系数，分别取值2.59×10-4、9.40×10-5、3.22×10-5及5.57×10-6.由图6可知，材料空气泄漏率与压强差为线性关系.压差越大，材料空气泄漏率越大.材料两侧无压差时，空气泄漏率0.揉搓次数越多，拟合曲线的斜率越大.

3.3 揉搓次数对空气泄漏率的影响

为了揭示揉搓次数对材料空气泄漏率的影响，将相同压强差下不同揉搓次数的空气泄漏率数据进行拟合.囊体材料是多层复压结构，不同结构层对泄漏率的阻隔能力差异较大，其中功能层的阻隔能力占绝大部分[22].n<270时，材料损伤特征由纱线松散向各功能层破坏发展，此阶段损伤部位为各功能层，损伤状态变化剧烈，空气泄漏率呈现明显的非线性.n>270时，损伤特征由功能层破坏向纱线纤维断裂，产生针孔等状态衍变，此阶段损伤部位为纱线层，其几乎无阻隔能力，空气泄漏率呈现线性变化规律，故采用最小二乘法对空气泄漏率试验数据点进行非线性和线性分段拟合，如图7所示，拟合方程为

(6)

式中：Kpj(j=50、100、200、300、400、500)为在j压差下材料的空气泄漏率；apj、bpj、cpj、dpj(j=50、100、200、300、400、500)为在j压差下的参数值，如表2所示.

表2 参数值

由图7可知，在无揉搓条件下，材料空气泄漏率为0；当n<270时，揉搓次数与空气泄漏率为非线性关系，曲线斜率随揉搓次数的增大逐渐减小，但随着n的增加，材料的空气泄漏率亦逐渐增大，说明揉搓次数越多对材料的损伤越严重.当n>210时，n与空气泄漏率为线性关系，说明n达到一定数量材料的损伤状态逐渐稳定.随着p的增大，曲线逐渐上移，即p越大，空气泄漏率越大.当p较小时，如图7(a)中p=50、100 Pa对应曲线，其非线性特征不明显.当p>200 Pa时，其非线性特征很明显.说明当n较小时，p会增加曲线的非线性特征.

图7 空气泄漏率与揉搓次数的关系曲线

3.4 空气泄漏率响应曲面

Kpn=4.39×10-6p+7.51×10-7n+

1.01×10-7pn

(7)

式中：Kpn为在不同揉搓次数n及压差p下材料的空气泄漏率.由图8可见，随着压差和揉搓次数的增大，材料的空气泄漏率呈上升趋势.这是由于随着揉搓次数的增加，材料的损伤变得严重.此外，压差的增大也会加大材料的空气泄漏率.

4 试验结果分析

4.1 宏观机理分析

试验件在揉搓后会产生大量折痕，这些折痕是折皱损伤的宏观表现.材料损伤的衍变过程在宏观上表现为折痕深度、宽度及数量的变化.当揉搓达到一定次数后，在折皱损伤严重区域会产生针孔，随着揉搓次数的继续增大，针孔总面积会逐渐扩大，图9(a)、9(b)分别为Z02(揉搓900次)条件下损伤折痕图、针孔图.

试验结果表明，揉搓产生的折皱损伤会严重影响材料的空气泄漏率.图10为不同揉搓条件下材料折皱损伤外观图，图中可见许多长短不一的折痕.将沿试件短边约75° 方向由上及下连续的折痕称为长折痕，如图中实线所示.除长折痕外，其他类型的折痕全部称为短折痕，如图中虚线所示.随着揉搓次数的增加，材料开始产生折皱损伤.折痕形成过程是“揉搓-恢复-揉搓”的动态过程，是多种作用力累计做功的表现.图10(a)为全揉搓20次试验结果，图中可见数条一定深度和宽度的长折痕及一些不很明显的短折痕，这些折痕是揉搓试验机以一定角度和行程对囊体材料造成的损伤，在长折痕以及折痕交叉处为材料损伤最严重的区域.图10(b)为全揉搓270次试验结果，图中长折痕数量与图10(a)中长折痕数量相同，但长折痕宽度和深度更大，且短折痕的数量及其深度和宽度增加最为明显，折痕交叉点的数量也在增加.图10(c)为全揉搓900次试验结果，较图10(a)、10(b)，此图折痕交叉点数量继续增加，短折痕的深度和宽度仍在增大.图10(d)为全揉搓 2 700 次试验结果，图中长折痕数量仍未改变，短折痕深度和宽度继续增大并与长折痕纵横交错使材料交叉点显著增加.

图10 不同揉搓条件下折痕特征衍变图

图10所示为材料在揉搓过程中折痕特征的演化规律.当n<20时，长折痕已产生，但针孔还未出现.n达到270～900时，长折痕数量虽不会变化，但深度和宽度会增加，折痕交叉点也会增多，针孔开始出现.随着n的继续增加，针孔边缘因受到应力集中效应，相邻针孔被撕裂扩展为1个大针孔，因而针孔总面积会逐渐增加.正如图7所示，随着揉搓次数的增加，图中曲线逐渐上升，即揉搓次数越大，材料损伤越严重，空气泄漏率越大.压差越大，曲线的非线性特征越明显.n>270时，材料折皱损伤严重区域会产生针孔，这些区域的功能层大部分都已破坏，承力层纤维束开始断裂破坏，另外耐候层和阻隔层等功能层的阻隔能力占比达99.8%以上，承力层几乎没有任何阻隔能力[22].因此当n<270时，由于损伤区域功能层已破坏，空气泄漏率增加幅度较大，曲线的非线性特征特别明显.当n>270时损伤特征为纤维丝的断裂，针孔总面积缓慢增加，曲线呈现线性特征.

4.2 微观机理分析

4.2.1老化损伤 日照对囊体材料的老化损伤作用主要是波长290～400 nm的紫外线破坏了高分子聚合物中的C—C、C—H化学键造成的.飞艇服役环境高温状态会影响高分子聚合物分子链构造，使气体分子更容易透过囊体材料.本试验采用的Uretek3216-LV材料的耐候层和阻隔层具有超强的抗紫外线照射能力及耐高温能力，因此老化作用对本试验材料影响不大.利用扫描电镜观察新材料及老化12月材料防护层表面形貌，结果如图11所示.

图11 新材料与老化损伤材料的微观结构

由图5可知，在相同揉搓次数及压差下，老化月份对材料空气泄漏率差别不大，说明老化对材料损伤影响很小，几乎可忽略不计.但较大的揉搓和压强差会增大材料空气泄漏率的离散性，因为各月份老化试件损伤衍变过程虽一致，但每个试件功能层损伤区域的位置具有随机性，针孔面积的大小具有一定的离散性，并且揉搓次数越多，压差越大，这种现象越明显.由图11也可看出老化12月后，囊体材料防护层的微观结构基本没有发生变化，亦可以证明老化作用对材料的空气泄漏率没有影响.

4.2.2折皱损伤 折皱损伤对材料空气泄漏率有很大影响，利用扫描电子显微镜可观察到不同揉搓条件下材料损伤的微观形貌，可将揉搓过程对材料损伤程度的强弱概括为3个阶段.

第1阶段：纱线扭曲、松散变形.当揉搓次数达到一定数值后，应力松弛和蠕变使材料疲劳发生塑性变形而产生折痕，纱线发生扭曲变形，损伤后纱线间由于黏结力不足以承受外力作用而松散.图12(a)为材料全揉搓20次微观形貌，囊体材料采用平织法编织而成，经过揉搓等外力作用后，经纬向开始扭曲变形，部分纱线束开始松散分离.

图12 老化一月材料不同揉搓条件下的微观形貌

第2阶段：功能层破坏.Uretek3216-LV囊体材料功能层厚度较薄，主要起黏结、抗紫外线及阻隔等作用.随着揉搓次数的增加，各种作用力累计做功达到一定程度后将破坏功能层材料的化学键而使其破损.图12(b)为材料全揉搓270次微观形貌，可观察到材料折皱损伤区域功能层基本全部破损，纱线束开始松散并有极少量纤维丝断裂现象.

第3阶段：经纬向纤维丝大量断裂，针孔开始产生.经纬纱线的功能主要是承受外部荷载，但当揉搓达到一定次数后，纱线由于长时间受到拉力、弯矩、扭转、摩擦力等各种作用力而产生疲劳断裂破坏.图12(c)为材料全揉搓900次微观形貌，图中损伤区域功能层已完全破坏，经纬向纤维束完全松散，纤维丝断裂数量明显增多，在强光条件下凭肉眼可观察到针孔出现.图12(d)为材料全揉搓 2 700 次微观形貌，图中纤维丝大量断裂，针孔面积进一步增加.

n<270时，损伤区域纱线束松散，功能层基本全部破坏，此阶段损伤特征变化明显，且损伤位于阻隔性能最好的阻隔层和耐候层，因此空气泄漏率变化大，曲线的非线性特征明显.当n>270时，承力层纤维丝开始出现断裂现象，进而在该区域形成针孔，随着揉搓次数的继续增加，由于应力集中效应，针孔会逐渐扩大，此阶段损伤特征单一，主要为针孔面积的逐渐扩大.研究表明[36]，复合材料的孔隙率与透气率呈线性关系，因此此阶段空气泄漏率与揉搓次数呈线性关系.

飞艇囊体材料的折皱损伤除了对其气体泄漏性能有影响，还对其力学行为如拉伸强度和弹性模量也有较大影响，并且存在明确的微观纤维损伤作用机制，详见文献[4].

5 结论

本文利用试验方法揭示了短期老化与折皱损伤对飞艇囊体材料空气泄漏率的影响规律.通过宏观和微观损伤机理解释了该试验规律.主要结论如下：

(1)短期老化对飞艇囊体材料空气泄漏率几乎无影响.各老化月份试验数据分布规律相同，并且在相同条件下无明显差别.老化后材料的微观形貌没有发生明显变化，表明老化对材料空气泄漏率影响很小.

(2)空气泄漏率与压强差呈正比例关系.揉搓次数小于270，空气泄漏率与揉搓次数为非线性正相关关系，揉搓次数大于270，空气泄漏率与揉搓次数为线性关系.揉搓次数小于270时，材料损伤特征变化剧烈，空气泄漏率增加程度较大，曲线非线性关系明显.揉搓次数大于270时，损伤特征为针孔面积逐步增大，空气泄漏率为线性关系.

(3)揉搓会破坏材料功能层及经纬向纱线，损伤微观特征基本可划分为3阶段：纱线松散扭曲变形阶段、功能层破坏阶段及纱线纤维束断裂针孔产生阶段.揉搓损伤在宏观表现为折痕特征的衍变过程为长折痕形成、折痕交叉点增多及折痕宽度深度加大.