球形天線球面材料的力學性能研究*

周 琪 蔣經華 陳南梁

1. 東華大學紡織學院，上海201620；2. 東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

球形天線球面材料的力學性能研究*

周 琪1蔣經華2陳南梁1,2

1. 東華大學紡織學院，上海201620；2. 東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

為研究球形天線球面材料所需具備的力學性能，在標準試驗室環境中對TPU涂層高強滌綸機織布進行單向拉伸、抗撕裂及頂破等力學性能測試，并測試2種拼接方式對球形天線球面材料單向拉伸性能的影響，以及TPU涂層高強滌綸機織布經質量分數皆為20%的鹽酸和氫氧化鈉溶液腐蝕后的單向拉伸性能。結果表明：TPU涂層高強滌綸機織布經向拉伸斷裂強力大于緯向；曲面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂強力大于平面拼接的球形天線球面材料；TPU涂層高強滌綸機織布耐堿蝕性能優于耐酸蝕性能。

球形天線，球面材料，TPU涂層高強滌綸機織布，單向拉伸，抗撕裂，頂破，拼接

近年來，世界范圍內突發性的自然災害呈上升趨勢，洪水、海嘯、颶風、雪災、地震等頻頻發生，安全問題已成為各國關注的焦點[1]。充氣式球形天線具有質量輕、疊后體積小、制作成本低、展開可靠性高、堅固、形狀易設計等優點[2]，它能有效解決便攜式固面拆卸天線所帶來的問題，極大地提高險惡環境中的信息化水平，在通訊領域具有很大的利用價值[3]。目前，天線結構和材料技術是充氣式球形天線亟需解決的主要關鍵技術。

當前，關于球形天線的研究主要集中在球形天線的結構優化設計方面[4-5]，而關于陸地用充氣式球形天線的制作過程和制作材料的研究相對較少。本課題組在前期研究中初步確定了球形天線的制作工藝，并選取不同規格高強滌綸絲的PVC夾網布制作球形天線的球面材料[6]。充氣式球形天線及其結構如圖1[7]所示。但后期試驗發現PVC夾網布還存在一定的缺陷，如PVC在低溫時易發脆，在加工、使用過程中易受熱、光、氧的作用而降解老化[8-9]。

(a) 實例

(b) 結構

TPU涂層高強滌綸機織布是以高強滌綸機織物作為增強材料、TPU作為涂層材料，制作而成的一種膜結構復合材料[10]。其中，增強材料高強滌綸機織物具有強度高、質量輕、耐用、拉伸性能好及價格便宜等優點；涂層材料TPU為改良的聚氨酯(PU)，其具有耐油、耐磨、耐低溫、不龜裂、不易從基布表面脫落、強度與彈性高，以及低溫屈撓性好、黏接性能優良、價格適中等獨特的綜合性能優勢，且手感柔軟，還具備防水與透氣性能，可降解，埋于土壤中可以被水解為無毒性物質，符合環保要求[11-12]。這些性能賦予了TPU涂層高強滌綸機織布輕質、高強、衛生、環保等特性[13]。因此，本文選用TPU涂層高強滌綸機織布作為制備球形天線的球面材料。

球形天線球面材料在應用中會遭受各種外力的作用，因此，對球形天線球面材料的力學性能研究非常重要。且目前球形天線球面材料的制作主要是通過拼接的方式實現的，因此，研究球形天線球面材料的拼接方式，以及拼接后球形天線球面材料的力學性能，十分必要。另外，球形天線的應用環境——氣候多變且險惡，故對球形天線球面材料的酸堿穩定性研究也十分必要。因此，本文在標準試驗室環境中，對TPU涂層高強滌綸機織布進行了拉伸、撕裂、頂破等力學性能測試；比較了兩種不同拼接方式對球面天線球面材料單向拉伸性能的影響；對經質量分數皆為20%的鹽酸和氫氧化鈉溶液腐蝕后的TPU涂層高強滌綸機織布進行了單向拉伸性能測試。

1 試驗材料

1.1 TPU涂層高強滌綸機織布

根據球形天線球面材料的力學、電學等性能要求，并結合課題組前期所選球形天線球面材料——PVC夾網布的力學性能測試結果，確定本文選用TPU涂層高強滌綸機織布作為球形天線球面材料，其具體規格參數見表1。

表1 TPU涂層高強滌綸機織布規格參數

1.2 TPU涂層高強滌綸機織布的拼接

球形天線球面材料是將單片的裁剪片，通過加熱熨斗在曲面球形拼接模具上熱壓相互拼接而形成的(圖2和圖3)。其中，平面拼接是指利用平面的加熱熨斗在曲面球形拼接模具上熱壓；曲面拼接是指利用曲面的加熱熨斗在曲面球形拼接模具上熱壓，其加熱熨斗的曲率與曲面球形拼接模具熱壓面接近。

圖2 曲面球形拼接模具模型

圖3 拼接實例

1.3 TPU涂層高強滌綸機織布的酸堿處理

將TPU涂層高強滌綸機織布分組標記并分別放置于質量分數皆為20%的鹽酸和氫氧化鈉溶液中，密封，在標準試驗室環境下靜置腐蝕8、 16、 24、 32、 40 h，然后取出洗凈、干燥，待用。

2 測試方法

2.1 TPU涂層高強滌綸機織布

2.1.1 單向拉伸性能

在球形天線球面材料前期的研究中，單向拉伸性能測試參照DIN 53354-1981《人造革的檢驗：拉伸試驗》進行，故本文的單向拉伸性能測試同樣也參照此標準。單向拉伸性能測試使用多功能電子織物強力儀進行，采用等速伸長模式，測試拉伸速度為100 mm/min。

單向拉伸測試樣為矩形(長度為300.00 mm、寬度為50.00 mm)，拉伸隔距設定為200.00 mm、兩端夾持長度設定為50.00 mm(圖4)。經、緯向試樣各準備5塊。

圖4 單向拉伸試樣測試示意

測試時環境溫度和相對濕度分別控制在(20±2)℃和(65±5)%。此外，為防止單向拉伸性能測試過程中試樣產生滑移，避免試樣非正常拉伸斷裂，特在夾持鉗口處用牛皮紙對試樣進行保護處理。

2.1.2 抗撕裂性能

根據ASTM D 5733-1995《非織造織物抗撕裂強度的梯形法標準試驗方法》測試TPU涂層高強滌綸機織布的抗撕裂性能。制備梯形抗撕裂性能測試樣(圖5)，試樣總長度為150.00 mm、寬度為75.00 mm。 使用多功能電子織物強力儀，夾持使得試樣下底長度為100.00 mm、上底長度為25.00 mm，并沿梯形上底正中位置裁剪長度為15.00 mm的小口。

圖5 撕裂測試試樣示意

測試時環境溫度和相對濕度分別控制在(20±2)℃和(65±5)%。

2.1.3 頂破性能

根據GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》測試TPU涂層高強滌綸機織布的頂破性能，使用多功能電子織物強力儀。頂破性能測試樣為圓形，半徑為30.00 mm。

測試時環境溫度和相對濕度分別控制在(20±2)℃和(65±5)%。

2.2 拼接后球形天線球面材料的單向拉伸性能

為研究曲面拼接和平面拼接2種拼接方式對球形天線球面材料單向拉伸性能的影響，選取TPU涂層高強滌綸機織布和PVC夾網機織布，分別用曲面拼接和平面拼接的方式，對裁剪片進行熱壓、膠接。2種材料、2種拼接方式所得球形天線球面材料試樣各取5塊。因主要測試拼縫的單向拉伸性能，所以仍按照拉伸試驗標準來設計，具體測試同本文2.1.1節。

2.3 酸堿腐蝕后的TPU涂層高強滌綸機織布的單向拉伸性能

沿經向和緯向各準備60塊矩形的酸堿腐蝕后的TPU涂層高強滌綸機織布，用于酸堿腐蝕后的TPU涂層高強滌綸機織布的單向拉伸試驗。具體測試同本文2.1.1節。

3 試驗數據與結果分析

3.1 TPU涂層高強滌綸機織布

3.1.1 單向拉伸性能

所得TPU涂層高強滌綸機織布的單向拉伸測試結果歸納于表2。

表2 TPU涂層高強滌綸機織布單向拉伸測試結果

3.1.2 抗撕裂性能

TPU涂層高強滌綸機織布經向和緯向抗撕裂性能測試結果見表3和圖6。

表3 TPU涂層高強滌綸機織布撕裂測試結果

圖6 TPU涂層高強滌綸機織布撕裂曲線

在機織布的梯形撕裂過程中，撕裂是由拉伸作用造成的[14]。受拉系統在載荷作用下，系統紗線開始伸直、變形而形成受力三角區；隨著受拉系統承受的載荷逐漸增大，系統紗線產生較大形變，受力三角區逐漸變大，受力三角區的紗線根數增多，撕裂強力增大；繼而系統紗線發生斷裂，受力三角區發生移動，直到受力三角區的紗線根數達到最多，受力三角區的變形最大，此時系統的撕裂強力值達到最大。

TPU涂層高強滌綸機織布經向撕裂強力大于緯向，主要是因為TPU涂層高強滌綸機織布經密大于緯密，經向撕裂過程中所形成的受力三角區中承載負荷的紗線根數多，故受力三角區能承受較大形變，撕裂強力較大，而緯向撕裂時所形成的受力三角區中承載負荷的受力紗線根數相對較少，故撕裂強力較小。

3.1.3 頂破性能

TPU涂層高強滌綸機織布頂破試驗的測試結果如表4和圖7所示。

表4 TPU涂層高強滌綸機織布頂破測試結果

圖7 TPU涂層高強滌綸機織布頂破曲線

圖7為典型的頂破曲線。TPU涂層高強滌綸機織布在受到頂破作用時，圓頭頂伸件與TPU涂層高強滌綸機織布由點接觸變為面接觸，TPU涂層高強滌綸機織布沿負荷能力小的方向產生紗線變形、斷裂直至試樣完成頂破。頂破缺口沿經向呈直線形，表明織物沿經向負荷承載能力優于緯向，這個結論與織物單向拉伸測試結果是一致的。

3.2 拼接后球形天線球面材料

拼接所得球形天線球面材料的單向拉伸性能如圖8所示。

(a) PVC夾網機織布

(b) TPU涂層高強滌綸機織布

從圖8的單向拉伸曲線可知：曲面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂強力均高于平面拼接的球形天線球面材料；無論是曲面拼接還是平面拼接，使用TPU涂層高強滌綸機織布的球形天線球面材料的拉伸斷裂強力均高于使用PVC夾網機織布的球形天線球面材料；曲面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂線大多處在拼接線兩側的弱節處，這說明曲面拼接的球形天線球面材料拼接處的拉伸斷裂強力高于機織布自身的拉伸斷裂強力，而平面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂線大多處在拼接處，這說明平面拼接的球形天線球面材料拼接處的拉伸斷裂強力低于機織布自身的拉伸斷裂強力。究其原因在于，曲面拼接時機織布與曲面模具貼合更平整，熱壓時布面受力和受熱更均勻，膠膜均勻熔化于拼接處，不會在拼接處形成凹凸，而平面拼接時機織布經平面熨斗與曲面模具貼合，易出現受力和受熱不均，使得拼接處出現凹凸，形成了拉伸弱節。

3.3 酸堿腐蝕后的TPU涂層高強滌綸機織布

圖9反映了TPU涂層高強滌綸機織布拉伸斷裂強力隨酸蝕時間的變化：0～8 h內，TPU涂層高強滌綸機織布沿經向和緯向的拉伸斷裂強力都迅速下降；8 h時，經向拉伸斷裂強力下降到未酸蝕材料經向強力的52.74%，緯向拉伸斷裂強力下降到未酸蝕材料緯向強力的63.28%；8～32 h內，經向拉伸斷裂強力又緩慢下降了11.95%，緯向拉伸斷裂強力又緩慢下降了13.23%。究其原因在于，酸性環境中，H+能顯著加速TPU涂層與水發生水解反應，使TPU分子鏈發生斷裂，TPU涂層力學性能變差，因此，在酸蝕的0～8 h內，TPU涂層高強滌綸機織布的拉伸斷裂強力快速下降，且隨著TPU涂層的水解，TPU涂層與滌綸基布結合牢度快速降低，這進一步促使TPU涂層高強滌綸機織布的斷裂強力下降。

圖9 TPU涂層高強滌綸機織布拉伸斷裂強力隨酸蝕時間的變化

圖10為TPU涂層高強滌綸機織布拉伸斷裂強力隨堿蝕時間的變化：TPU涂層高強滌綸機織布在堿蝕的0～32 h，其經向和緯向的拉伸斷裂強力分別曲折緩慢地下降了26.85%和13.12%；在堿蝕的32～ 40 h，經向和緯向的拉伸斷裂強力卻回復至初始的經向和緯向斷裂強力。在堿性環境中，滌綸大分子中的酯基(—COO)在堿液中發生水解反應，因此在堿蝕的0～32 h，隨著NaOH緩慢滲透到滌綸基布，TPU涂層高強滌綸機織布的拉伸斷裂強力小幅度下降。但由于試驗過程使用的是不同的試樣經歷不同時間的腐蝕，故隨著堿液滲透程度的不同，拉伸斷裂強力曲線呈現出上下波動的下降趨勢。

圖10 TPU涂層高強滌綸機織布拉伸斷裂強力隨堿蝕時間的變化

總之，以上是TPU涂層在酸性條件下水解、滌綸基布在堿性條件下水解，以及涂層與基布結合牢度變化等共同作用的結果；且可以發現，TPU涂層高強滌綸機織布拉伸斷裂強力受堿蝕的影響相對較小。

4 結論

在標準試驗條件下對TPU涂層高強滌綸機織布進行了拉伸、撕裂、頂破等力學性能測試；測試了曲面拼接和平面拼接2種方式對球形天線球面材料單向拉伸性能的影響；測試了TPU涂層高強滌綸機織布經質量分數皆為20%的鹽酸和氫氧化鈉溶液腐蝕后的力學拉伸性能，得出：

(1) TPU涂層高強滌綸機織布經向拉伸斷裂強力高于緯向，經向抗撕裂能力優于緯向，頂破缺口表現為緯紗的斷裂；

(2) 曲面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂強力大于平面拼接的球形天線球面材料；

(3) TPU涂層高強滌綸機織布的耐堿腐蝕性優于耐酸腐蝕性。酸蝕后的TPU涂層高強滌綸機織布拉伸斷裂強力下降得更快、更多，而相同質量分數的氫氧化鈉溶液對TPU涂層高強滌綸機織布拉伸斷裂強力的影響較小。

[1] 王援朝.充氣天線結構技術概述[J].電訊技術,2003，43(2):6-11.

[2] CASSAPAKIS C, THOMAS M. Inflatable structures technology development overview[C]//Space Programs & Technologies Conference, 2013.

[3] 唐寶富,徐東海,朱瑞平.空間充氣展開天線初步研究[J].現代雷達,2008,30(4):86-88.

[4] 姜偉. 空間充氣可展天線反射面設計、分析與試驗研究[D]. 上海：上海交通大學, 2007.

[5] 張林林. 充氣展開天線形面優化分析[D]. 西安：西安電子科技大學, 2011.

[6] 潘巧靈, 蔣金華, 唐渝思,等. 球形陸基充氣天線球面材料力學性能研究[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2014(11):77-81.

[7] GIEROW P, LAUE G P, CLAYTON W R, et al. Antenna positioning system: US 7764243 B2[P]. 2010-07-14.

[8] 陳協順. 聚氯乙烯薄膜防老化研究[J]. 合成材料老化與應用, 1987(1):9-14.

[9] 謝建鷹,陳靜,鄭行懿.PVC熱穩定劑有機銻的熱穩定性能研究[J].上饒師范學院學報, 2007,27(3):63-66.

[10] 王一芳. 聚氨酯涂層新技術[J]. 紡織科學研究, 2004(2):52-55.

[11] 張麗芝,蘇玉蘭.產業用多功能涂層織物的開發和應用[J].產業用紡織品，1999,17(4)：6-10.

[12] METZGER S. The textile coating and laminating industry-trends and outlook[C]// The Eleventh International Conference on Textile Coating and Laminating: Exploring Innovation in Coating and Laminating, 2001.

[13] 沃爾特·馮.涂層和層壓紡織品[M].顧振亞，牛家嶸，田俊瑩，譯.北京：化學工業出版社,2006：78-80.

[14] 于偉東.紡織材料學[M].北京:中國紡織出版社,2006:200.

Study on mechanical properties of spherical materials in the spherical antenna

ZhouQi1，JiangJinghua2，ChenNanliang1,2

1. College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China; 2. Engineering Research Center of Technical Textile, Ministry of Education， Donghua University, Shanghai 201620，China

In order to study required mechanical properties of spherical materials in the spherical antenna，the mechanical properties, such as the one-way tension, the tearing resistance and the bursting, of the TPU coated high-strength polyester woven fabric were tested, two stitching methods affecting the one-way tensile properties of spherical materials in the spherical antenna were studied, and the one-way tensile properties of the TPU coated high-strength polyester woven fabric after corrosion with 20%(w.t.) hydrochloric acid solution and sodium hydroxide solution were tested in the standard laboratory environment. The results showed that, the tensile breaking strength in the warp direction of the TPU coated high-strength polyester woven fabric was greater than that in the weft direction, the tensile breaking strength of spherical materials in the spherical antenna by curve surface stitching was greater than that by plane stitching, and the ability of alkali corrosion resistance of the TPU coated high-strength polyester woven fabric was superior to that of the acid corrosion resistance.

spherical antenna, spherical material,TPU coated high-strength polyester woven fabric, one-way tensile, tearing resistance, burst, stitch

*中國紡織工業聯合會應用技術研究項目(J201507)；高性能纖維及制品教育部重點實驗室資助課題(277-10-0001036)

2016-07-18

周琪，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向為陸地用球形充氣天線的優化制作

陳南梁，E-mail：nlch@dhu.edu.cn

TS101.8， TN823+.32

A

1004-7093(2017)03-0022-06