温度对平流层飞艇囊体材料蠕变性能的影响
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第１９卷 第１７期 ２０１９年６月１６７１—１８１５(２０１９)０１７￣０３５２￣０５ 科 学 技 术 与 工 程ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ１９ Ｎｏ１７ Ｊｕｎ.２０１９ⓒ ２０１９ ＳｃｉＴｅｃｈＥｎｇｒｇ
引用格式:张远平ꎬ姜鲁华ꎬ宋 林ꎬ等.温度对平流层飞艇囊体材料蠕变性能的影响[Ｊ].科学技术与工程ꎬ２０１９ꎬ１９(１７):３５２￣３５６ＺｈａｎｇＹｕａｎｐｉｎｇꎬＪｉａｎｇＬｕｈｕａꎬＳｏｎｇＬｉｎꎬｅｔａｌ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｃｒｅｅｐｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｅｎｖｅｌｏｐｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｉｃａｉｒｓｈｉｐ[Ｊ].ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ１９(１７):３５２￣３５６
温度对平流层飞艇囊体材料蠕变性能的影响
张远平１ꎬ２ 姜鲁华３∗ 宋 林１ 刘 强１
(中国科学院光电研究院１ꎬ北京１０００９４ꎻ中国科学院大学２ꎬ中国科学院高能物理研究所３ꎬ北京１０００４９)
摘 要 蠕变是长航时平流层飞艇囊体材料的重要性能指标ꎬ对飞艇在长时间飞行中结构的稳定性具有重要意义ꎮ受限于蠕变试验设备及方法ꎬ飞艇囊体材料一般只进行常温的蠕变试验ꎮ为研究温度对平流层飞艇囊体材料的蠕变性能的影响ꎬ利用可控温的持久蠕变性能测试仪ꎬ将蠕变试验温度分别设置为－５０、２３、６０℃ꎬ通过持久蠕变试验方法测试不同温度状态下平流层飞艇囊体材料的蠕变性能ꎬ计算了囊体材料的蠕变应变并给出了相应的蠕变曲线ꎬ分析了温度对平流层囊体材料蠕变性能的影响ꎮ结果表明:承力层为Ｖｅｃｔｒａｎ纤维的平流层飞艇囊体材料具有较低的蠕变率ꎻ相同应力状态下ꎬ蠕变的性能随温度而变化ꎬ温度越高ꎬ蠕变量越大ꎬ蠕变速度越快ꎮ可见温度对囊体材料的蠕变量和蠕变速度有明显的影响ꎬ在平流层飞艇的设计和分析中需将其作为参考指标ꎮ试验方法为平流层飞艇囊体材料的蠕变性能测试提供了新的试验途径ꎬ试验分析结果可应用于平流层飞艇的设计和囊体材料的研究ꎬ具有一定的工程应用价值ꎮ关键词 蠕变 平流层飞艇 囊体材料 纤维 温度中图法分类号 Ｖ２７４ꎻ 文献标志码 Ａ
２０１９年１月２日收到国家自然科学基金(５１６０６１９７)资助
第一作者简介:张远平(１９８８—)ꎬ男ꎬ汉族ꎬ浙江嵊州人ꎬ博士研究生ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｙｐ＠ａｏｅ.ａｃ.ｃｎꎮ∗通信作者简介:姜鲁华(１９５６—)ꎬ男ꎬ汉族ꎬ山东人ꎬ博士ꎬ研究员ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｊｉａｎｇｌｈ＠ｉｈｅｐ.ａｃ.ｃｎꎮ 平流层飞艇作为一种临近空间飞行器ꎬ由于具
有高空侦察、通信中继和空间探索等诸多领域的应
用优势ꎬ近年得到了更进一步的研究和发展[１ꎬ２]ꎮ
囊体材料作为平流层飞艇的主体结构材料ꎬ其性能
将直接影响飞艇的主要应用效能ꎬ如飞行高度、飞行
时间、服役寿命等[３ꎬ４]ꎮ美国兰德公司对飞艇囊体
材料现状的调查报告中分析指出ꎬ飞艇进一步的研
究发展相当程度上受囊体材料性能的制约[５]ꎮ飞
艇囊体材料是由多层功能材料复合而成的高分子材
料ꎬ在长时间工作状态下会持续承受一定的荷载ꎬ不
可避免地会发生蠕变行为ꎮ
蠕变指的是材料在一定应力的长时间作用下ꎬ
应变随时间的累积而不断增加的现象ꎮ飞艇囊体材
料的蠕变行为主要由其承力层纤维决定ꎬ其承力层
一般由高分子合成纤维材料编织而成ꎮ目前飞艇囊
体材料使用的承力层纤维材料主要有聚酯、热致液
晶聚芳酯、超高分子量聚乙烯、芳纶等[６ꎬ７]ꎮ虽然这
些纤维具有高强、高模等优点ꎬ但是作为典型的高分
子黏弹性材料ꎬ在长时间受力状态下仍然会产生蠕
变现象[８]ꎬ因而会造成飞艇囊体内部压力、尺寸、形态等方面的不稳定ꎬ对飞艇整体结构的可靠性产生
不利影响ꎮ因此ꎬ在飞艇的结构设计中ꎬ分析飞艇囊
体材料的蠕变行为以及蠕变规律是非常重要的ꎮ现
结合平流层飞艇实际飞行的温度环境ꎬ用持久蠕变
试验测得不同温度下飞艇囊体复合材料的蠕变特
性ꎬ对不同温度下的平流层飞艇囊体材料蠕变曲线
进行比较ꎬ并分析温度对囊体材料蠕变性能的影响ꎮ
１ 蠕变试验
１１ 试件材料
针对某型号平流层飞艇囊体材料ＦＨＶ￣１８０进
行试验研究ꎬ该材料为多层复合的薄膜材料ꎬ其中内
部承力层采用的纤维是Ｖｅｃｔｒａｎꎬ承力层的纤维是影
响囊体材料力学性能的主要因素ꎮ其内部复合层的
结构如图１所示ꎬ最外层是耐候层ꎬ最内层是胶
黏层[９]ꎮ
图１ ＦＨＶ￣１８０囊体材料复合结构Ｆｉｇ.１ Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｅｎｖｅｌｏｐｅｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒ
ＦＨＶ￣１８０做蠕变试验之前ꎬ先通过拉伸试验测得材料的
基本强度参数ꎮＦＨＶ￣１８０囊体材料的基本参数和拉
伸强度参数见表１ꎮ
将ＦＨＶ￣１８０囊体材料的薄膜蠕变试件制作为
哑铃型ꎬ初始长度ｌ０＝１８０ｍｍꎬ宽度Ｗ＝２０ｍｍꎬ如
图２所示ꎮ
表１ ＦＨＶ￣１８０的基本参数和拉伸强度参数Ｔａｂｌｅ１ ＴｈｅｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒＦＨＶ￣１８０
厚度/ｍｍ面密度/(ｇｍ－２)纤维编织规格拉伸强度/(Ｎｃｍ－１)断裂伸长率/％０２１７２２００Ｄ１０５０３６
图２ ＦＨＶ￣１８０囊体材料蠕变试验试件Ｆｉｇ.２ ＣｒｅｅｐｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆｅｎｖｅｌｏｐｅｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＦＨＶ￣１８０
１２ 试验方法
受限于蠕变试验设备及方法ꎬ飞艇囊体材料一
般只进行常温的蠕变试验ꎬ或者用拉伸试验机进行
拉伸测试作为近似的蠕变测试ꎬ缺少低温和高温的
蠕变性能测试ꎮ为研究温度对平流层飞艇囊体材料
蠕变性能的影响ꎬ利用可控温的持久蠕变性能测试
仪ꎬ根据平流层飞艇的实际飞行环境设定蠕变温度ꎬ
精确测试出在不同温度下的平流层飞艇囊体材料蠕
变量ꎮ
试验采用中国科学院长春应化所的持久蠕变性
能测试仪ꎬ如图３所示ꎮ该测试仪上半部分为试件
夹持区域ꎬ可以设置不同温度ꎻ下方为载荷加载区
域ꎮ将试件两端利用蠕变性能测试仪中的特制夹具
夹紧ꎬ夹具距离固定为１８０ｍｍꎮ初始施加５０Ｎ的
预张力确保样条处于垂直状态ꎬ将蠕变性能测试仪
设置为测试温度并恒温保持１ｈ以上ꎬ并将拉伸位
移清零ꎬ然后将时间清零ꎬ逐步加载至预定的拉力ꎬ
开始进行蠕变性能测试ꎮ
根据平流层飞艇的实际飞行环境ꎬ
囊体表面温图３ 持久蠕变性能测试仪Ｆｉｇ.３ Ｔｅｓｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒｄｕｒａｂｌｅｃｒｅｅｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
度最高一般不超过６０℃ꎬ最低一般不低于－５０℃ꎮ
因此ꎬ测试温度最高设为６０℃ꎬ最低设为－５０℃ꎮ
为便于比较ꎬ中间增设２３℃的常温ꎮ通过蠕变试验
结果的对比ꎬ研究温度对于囊体材料蠕变性能的影
响ꎮ测试中ꎬ对试件加载的拉伸力为３５０Ｎ/ｃｍꎬ是
飞艇囊体材料强度的１/３ꎮ
通过持续记录试件在载荷作用下的伸长率ꎬ得
到该试件的蠕变量ꎬ当伸长率几乎不再变化或者变
化极小时ꎬ结束蠕变测试ꎮ
２ 结果与讨论
２１ 试验结果
由于蠕变是指材料在一定的温度和应力状态
下ꎬ材料的形变量随着时间而变化的过程ꎬ因此蠕变
试验结果一般是指材料的拉伸伸长和时间之间的对
应关系ꎮ
图４给出了温度为－５０、２３、６０℃时ꎬＦＨＶ￣１８０
囊体材料的蠕变拉伸曲线ꎮ－５０℃时的蠕变量较
小ꎬ且蠕变过程很快就到了蠕变稳态ꎮ随着试验温
度的升高ꎬ蠕变量增大ꎬ蠕变过程更长ꎮ在温度升高
的情况下ꎬ其材料内部的高分子之间更容易被拉开ꎮ
蠕变试验的温度越高ꎬＦＨＶ￣１８０囊体材料的蠕
变速率及蠕变应变都越大ꎮ比较不同温度状态下的
蠕变曲线可以看出ꎬ当温度为－５０℃时ꎬ蠕变速率
比较慢ꎬ并且蠕变应变比较小ꎬ当温度为６０℃时ꎬ蠕
变速率较快ꎬ蠕变应变增大ꎮ在相同应力和时间的
蠕变试验中ꎬ温度较高状态下的蠕变应变一般大于
温度较低状态的蠕变应变ꎮ２２ 蠕变应变计算
根据试验数据可以画出以纵坐标为蠕变应变、
横坐标为时间的蠕变曲线ꎮ
蠕变应变εｅ可表示为[１０]３５３１７期张远平ꎬ等:温度对平流层飞艇囊体材料蠕变性能的影响
图４ 不同温度下ＦＨＶ￣１８０薄膜的拉伸曲线Ｆｉｇ.４ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ￣ｔｉｍｅｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｆｏｒＦＨＶ￣１８０
εｅ＝Ｌ－Ｌ０Ｌ０(１)
式(１)中:εｅ为蠕变应变ꎬ即蠕变率ꎬ％ꎻＬ为试验过
程中某一时刻试件长度ꎬｍｍꎻＬ０为试件的初始长
度ꎬｍｍꎮ
根据式(１)和蠕变试验结果ꎬ可以得到温度为－５０、２３、６０℃时ꎬＦＨＶ￣１８０囊体材料的蠕变曲线ꎬ
如图５所示ꎮ２３ 温度对蠕变性能的影响
从图５中的蠕变曲线可以看出ꎬ在蠕变试验的
过程中ꎬ三种温度状态下的蠕变曲线都出现了减速
和稳态这两个典型的蠕变阶段ꎮ
分析温度在－５０℃时的蠕变数据和曲线ꎬ蠕变
应变从开始试验的１２％ꎬ到蠕变时间为１ｈ时ꎬＦＨＶ￣１８０囊体材料蠕变应变为１２５％ꎬ且随着时间
延长变化不大ꎬ直到蠕变试验结束的２４０ｈ内ꎬ蠕变
应变不超过１３％ꎮ而在蠕变时间为１ｈ时ꎬ温度在２３℃时ꎬ蠕变应变为２２％左右ꎮ当温度为６０℃
时ꎬ蠕变应变为２４％ꎬ且随着时间的延长ꎬ
蠕变率图５ 不同温度下ＦＨＶ￣１８０薄膜的蠕变曲线Ｆｉｇ.５ ＣｒｅｅｐｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｆｏｒＦＨＶ￣１８０
在进一步增加ꎬ因此温度对ＦＨＶ￣１８０囊体材料的蠕
变影响是非常明显和直观的ꎮ
温度会在一定程度上影响高分子复合材料的蠕
变速率ꎮ当蠕变试验的温度较低ꎬ并且在玻璃化温
度Ｔｇ以下时ꎬ高分子复合材料是玻璃态ꎬ此时链段
处于被冻结状态ꎬ但是材料内部的其他影响因素ꎬ如
短链段、键长及键角等这些因素所需的运动能量比
较低ꎬ非常小的外部受力就可以被激发并且开始运
动ꎬ此时材料的蠕变模量主要是普弹模量ꎬ蠕变量较
小ꎬ蠕变速率也较慢ꎬ在开始的较短试件内ꎬ只能看
到小变形的起始部分ꎬ随着蠕变时间的增加ꎬ蠕变量
变化依然较小ꎮ当温度高于玻璃化温度Ｔｇ时ꎬ链段
可以克服材料内部的约束力从而开始自由运动ꎬ此
时蠕变模量主要是高弹模量ꎬ蠕变量较大ꎬ蠕变速率
也较快ꎬ并且很快就可达到蠕变的稳态阶段ꎮＦＨＶ￣１８０囊体材料的承力层是Ｖｅｃｔｒａｎ纤维ꎬ属
于类聚酯纤维ꎬ其玻璃化温度在７５℃左右ꎬ因此ＦＨＶ￣１８０囊体材料的在应用于平流层飞艇中时ꎬ蠕
变温度尚未达到玻璃化温度ꎬ处于普弹形变状态ꎬ在
长航时的飞行状态下比较稳定ꎮ４５３科 学 技 术 与 工 程１９卷
