Kapton膜材低溫單軸循環(huán)拉伸力學(xué)性能研究

劉 巖， 劉 儼 震

(長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

為滿足我國探月工程和各項(xiàng)深空探測(cè)任務(wù)需要，空間可展天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多.由于航天運(yùn)載工具的空間限制，以及大口徑導(dǎo)致結(jié)構(gòu)質(zhì)量、體積、成本等方面的高昂代價(jià)，傳統(tǒng)機(jī)械展開結(jié)構(gòu)存在若干不利之處[1-3].為解決這一矛盾，并實(shí)現(xiàn)空間可展結(jié)構(gòu)的大型化與輕量化，充氣薄膜天線已成為未來深空可展天線的發(fā)展方向之一[4-5].

當(dāng)可展天線結(jié)構(gòu)沿空間軌道運(yùn)行時(shí)，其相對(duì)太陽和地球的位置、方向不斷變化，周期性地經(jīng)受太陽直射和進(jìn)入地球陰影區(qū)[6-7].其經(jīng)歷的溫度變化可達(dá)-180～180 ℃.這樣周期性的溫度變化會(huì)使得反射面膜材應(yīng)力呈變動(dòng)狀態(tài)，必然會(huì)使得反射面膜材產(chǎn)生殘余變形，致使膜材的預(yù)張力降低.而對(duì)于充氣可展開膜結(jié)構(gòu)而言，預(yù)張力是膜面成形并具備整體剛度的必要條件，預(yù)張力的損失會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在安全隱患，輕者會(huì)在膜面的局部出現(xiàn)褶皺，重者會(huì)使膜面剛度受損而導(dǎo)致整體失效.研究Kapton膜材在循環(huán)荷載作用下的剛度及強(qiáng)度變化規(guī)律，是確定膜材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、膜結(jié)構(gòu)裁剪縮小率、張力調(diào)節(jié)裝置等的重要前提.而Kapton膜材是美國杜邦公司生產(chǎn)的一種具有明顯黏彈性的高分子聚合物膜材，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性、堅(jiān)韌性、耐磨性、阻燃性、電絕緣性等.其誕生至今短短幾十年，廣泛應(yīng)用于空間可展結(jié)構(gòu)中.目前國內(nèi)外對(duì)于膜材在循環(huán)應(yīng)力作用下的研究多集中在建筑織物材料及飛艇蒙皮材料方面.羅仁安等[8]基于雙軸試驗(yàn)，研究了PVC膜材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、殘余應(yīng)變、滯回曲線.張營營等[9]對(duì)PTFE/GF和PVC/PES膜材的單軸拉伸破壞、循環(huán)加載變形及力學(xué)性能進(jìn)行了研究.陳建穩(wěn)等[10]對(duì)全新飛艇蒙皮膜材Uretek3216L進(jìn)行了單軸循環(huán)拉伸試驗(yàn)，探討了膜材的本構(gòu)關(guān)系及彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.陳務(wù)軍等[11]考察了ETFE及PTFE膜材的單軸反復(fù)加載性能，提出了相應(yīng)的擬合公式.與上述傳統(tǒng)的建筑膜材相比，Kapton膜材的力學(xué)性能研究仍舊相對(duì)落后，研究成果較少，且研究主要圍繞在Kapton膜材的化學(xué)制備、制作工藝等方面[12-14]，關(guān)于Kapton膜材在不同溫度工況下力學(xué)性能的研究較為缺乏，尤其是在循環(huán)應(yīng)力作用下的力學(xué)性能研究尚未看到相關(guān)報(bào)道，難以滿足其在航空航天工程中的應(yīng)用.

為了深入研究Kapton膜材的材料特性，進(jìn)一步積累材料數(shù)據(jù)，本文對(duì)Kapton膜材進(jìn)行低溫單軸循環(huán)拉伸試驗(yàn)，探討經(jīng)循環(huán)拉伸后膜材的力學(xué)性能變化規(guī)律，為這類新型膜材在充氣可展結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1 單軸循環(huán)拉伸試驗(yàn)

1.1 試件尺寸

參照塑料薄膜拉伸試驗(yàn)國家及地方推薦標(biāo)準(zhǔn)[15-16]，分別沿Kapton膜材MD(長(zhǎng)度方向)和TD(垂直方向)裁切長(zhǎng)條狀試樣(如圖1～2所示)，試樣總長(zhǎng)為150 mm，寬25 mm，厚25 μm，夾持端長(zhǎng)25 mm，有效拉伸區(qū)域?yàn)?00 mm×25 mm，夾持端采用2 mm厚的鋁片進(jìn)行加固.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載制度

試驗(yàn)采用配有手動(dòng)楔形夾具、高低溫環(huán)境箱的電子紅外拉伸試驗(yàn)機(jī)(見圖3(a)、(b))，最大荷載為5 kN.低溫試驗(yàn)共計(jì)5種溫度工況，分別為20、0、-10、-40、-70 ℃.試驗(yàn)通過液氮將環(huán)境箱中的溫度調(diào)至預(yù)設(shè)溫度(見圖3(c)).試驗(yàn)開始時(shí)夾緊試樣，使試樣縱向中心線通過夾具夾持面形心，確保試樣處于軸心受拉狀態(tài).將膜材試樣放置于環(huán)境箱，靜置達(dá)到目標(biāo)溫度后，保持20 min，開啟試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣拉伸，配置引伸計(jì)測(cè)量標(biāo)線間的應(yīng)變.拉伸初始時(shí)刻，首先對(duì)膜材進(jìn)行預(yù)張拉，預(yù)張力大小約為3 N；進(jìn)入正式加載階段時(shí)，試驗(yàn)采用三角波加載，循環(huán)加載5次，拉伸速率為10 mm/min，最大拉應(yīng)力為對(duì)應(yīng)溫度下1/4單軸單調(diào)拉伸強(qiáng)度[17]；卸載時(shí)最小控制應(yīng)力為1 MPa，具體數(shù)據(jù)見表1.考慮到Kapton膜材力學(xué)性能的離散性，各組工況均選取5個(gè)試件.

表1 不同溫度下的最大拉應(yīng)力

2 結(jié)果討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Kapton膜材在MD、TD方向各溫度下單軸循環(huán)加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4、5所示，各溫度工況結(jié)果取5個(gè)試件的平均值.

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得，各溫度工況下的第1次加載曲線具有明顯的非線性特征，試件第1次卸載后的應(yīng)變大于相同加載應(yīng)力(1 MPa)作用時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，因?yàn)樵嚰a(chǎn)生了不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變.以-40 ℃工況為例，其初次加卸載的殘余應(yīng)變均值，MD方向?yàn)?.073%，TD方向?yàn)?.118%；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回曲線所圍成的面積在逐漸減小，殘余應(yīng)變的增加量也在逐步減小，第5次卸載完成后殘余應(yīng)變的增加量MD方向?yàn)?.010%，TD方向?yàn)?.026%.隨著溫度的降低，殘余應(yīng)變逐漸減小，5次循環(huán)后MD方向試件的殘余應(yīng)變均值由0.232%降至0.163%，TD方向試件的殘余應(yīng)變均值由0.303%降至0.217%，可見溫度對(duì)Kapton膜材的殘余應(yīng)變有顯著影響.分析認(rèn)為，膜材在較低溫度環(huán)境下逐步被低溫硬化，在微觀上表現(xiàn)為分子熱運(yùn)動(dòng)隨著溫度的降低逐步減弱，分子間的連接鍵逐步增強(qiáng)，此時(shí)膜材的抗拉強(qiáng)度增大，但同時(shí)膜材的韌性則會(huì)降低，脆性增強(qiáng).因此最終會(huì)導(dǎo)致Kapton膜材在循環(huán)拉伸結(jié)束后，材料的殘余應(yīng)變隨著溫度的降低而減小.以20 ℃工況下MD和TD方向的單軸循環(huán)拉伸結(jié)果為例，選取不同循環(huán)階段的加載上升段去除殘余應(yīng)變，得到兩組應(yīng)力-應(yīng)變曲線(如圖6所示)，分析循環(huán)次數(shù)對(duì)Kapton膜材非線性特征的影響.由圖6可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膜材的非線性特征逐漸減弱，而線性特征逐漸增強(qiáng)，這是由于隨著循環(huán)次數(shù)的增加膜材內(nèi)部分子鏈在應(yīng)力方向上發(fā)生取向作用，內(nèi)部損傷也逐步達(dá)到飽和狀態(tài).同時(shí)任一加載曲線與卸載曲線均不重合，進(jìn)一步表明Kapton膜材具有明顯的黏彈性和黏塑性特征.

2.2 彈性模量

為評(píng)價(jià)循環(huán)次數(shù)和溫度對(duì)Kapton膜材彈性特性的影響，對(duì)加載階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線的割線(加載曲線的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)的連線)斜率進(jìn)行求解，將割線斜率近似等效為循環(huán)加載過程的彈性模量E，取5組試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值[18-22]進(jìn)行分析.

2.2.1 循環(huán)次數(shù)對(duì)彈性模量的影響 取0 ℃ 工況下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并由式(1)計(jì)算彈性模量增幅，各循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的彈性模量及其增幅如表2所示.

表2 單軸循環(huán)加載下彈性模量及其增幅

(1)

其中f為增幅，Ei為第i次循環(huán)時(shí)的彈性模量.

由表2可得，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，MD和TD方向上的彈性模量均得到提高.第5次循環(huán)同第1次循環(huán)的彈性模量相比，MD方向增大了264 MPa，TD方向增大了175 MPa，增幅分別為11.37%和8.75%.相鄰循環(huán)間的增幅f的最大值在第2次循環(huán)時(shí)出現(xiàn)，MD和TD方向的增幅分別為67.42%和77.14%.隨著循環(huán)次數(shù)的增大，相鄰循環(huán)間彈性模量的增幅逐步減小，趨于平緩.這是因?yàn)镵apton膜材在循環(huán)應(yīng)力的作用下分子鏈產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，且伸直程度增加，宏觀上表現(xiàn)為彈性模量的增加，當(dāng)分子鏈和外力平衡后，相對(duì)運(yùn)動(dòng)減弱，因此隨著循環(huán)次數(shù)的增加，彈性模量的增幅逐漸下降.通過擬合式(2)、(3)分別對(duì)MD和TD方向單軸循環(huán)加載彈性模量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得MD方向經(jīng)過10次循環(huán)加載后彈性模量增幅為0.97%，TD方向經(jīng)過10次循環(huán)加載后彈性模量增幅為0.57%，表明Kapton膜材在循環(huán)加載至少10次后彈性模量可以認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

EMD=exp[7.877-0.092/(n-0.276)]

(2)

ETD=exp[7.693-0.038/(n-0.590)]

(3)

其中n表示循環(huán)次數(shù).

2.2.2 溫度對(duì)彈性模量的影響 取各溫度下第5次循環(huán)加載的彈性模量進(jìn)行分析，各溫度下彈性模量分布如圖7所示.

從圖7可得，隨著溫度的降低，MD和TD方向單軸循環(huán)加載下彈性模量均大幅提高，-70 ℃時(shí)單軸循環(huán)加載下彈性模量同20 ℃時(shí)的相比，MD方向增大744 MPa，TD方向增大801 MPa，分別提高了31.51%和39.02%.可見溫度的變化對(duì)MD和TD方向的彈性模量影響效果較為一致，但MD方向的彈性模量始終大于TD方向的彈性模量，分析認(rèn)為該差異是Kapton膜材在制備過程中的牽引、固化等制作工藝和膜材微觀分子鏈擇優(yōu)取向[23]的共同作用所致.溫度對(duì)彈性模量有著顯著的影響，隨著溫度的降低，膜材內(nèi)部原子間距減小，原子間的結(jié)合力增強(qiáng)，導(dǎo)致彈性模量提高.擬合式(4)、(5)分別表示低溫對(duì)Kapton膜材MD和TD方向單軸循環(huán)加載下彈性模量的影響.

EMD=-0.025t2-9.60t+2 563.02

(4)

ETD=0.05t2-6.26t+2 164.91

(5)

其中t表示溫度工況.

2.3 棘輪應(yīng)變

棘輪應(yīng)變表示材料在承受循環(huán)荷載作用時(shí)所產(chǎn)生的漸進(jìn)變形，即材料在非對(duì)稱應(yīng)力控制循環(huán)加載下產(chǎn)生的累積塑性變形，其對(duì)結(jié)構(gòu)的形狀和受力等有影響，是實(shí)際工程中需要考慮的重要問題之一[24].Kapton膜材在單軸循環(huán)拉伸過程中，最大加載應(yīng)力作用下的變形明顯大于最小加載應(yīng)力下的變形，即加載完成時(shí)的變形大于卸載完成時(shí)的變形(如圖8所示)，這表明棘輪應(yīng)變與材料所受應(yīng)力狀態(tài)有關(guān).本文主要討論溫度對(duì)棘輪應(yīng)變的影響，第5次循環(huán)加載完成后Kapton膜材的最大棘輪應(yīng)變?chǔ)舖ax和最小棘輪應(yīng)變?chǔ)舖in隨溫度的變化規(guī)律如圖9所示.

從圖9可以看出，Kapton膜材單軸循環(huán)拉伸的最大棘輪應(yīng)變?chǔ)舖ax和最小棘輪應(yīng)變?chǔ)舖in都隨著溫度的降低而減小，MD方向εmax的變化范圍在1.54%～1.82%，均值為1.70%，εmin的變化范圍在0.16%～0.23%，均值為0.20%；TD方向εmax的變化范圍在1.68%～1.97%，均值為1.82%，εmin的變化范圍在0.22%～0.30%，均值為0.26%，且溫度對(duì)MD和TD方向的棘輪應(yīng)變影響趨勢(shì)是相近的.

2.4 滯回環(huán)面積

Kapton膜材具有黏彈塑性特征，在循環(huán)荷載作用下，由于黏滯效應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生能量耗散，同一循環(huán)階段加載曲線同卸載曲線所圍成的面積稱為滯回環(huán)面積，其大小較為直接地反映出能量耗散的情況，是分析結(jié)構(gòu)在承受循環(huán)荷載過程中剛度退化、變形特征和能量耗散問題的重要依據(jù)，其計(jì)算原理見圖10.

不同溫度下Kapton膜材滯回環(huán)面積與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖11所示，從圖中可以看出滯回環(huán)面積A隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，尤其是第1次循環(huán)至第2次循環(huán)的下降幅度最大，各溫度下MD和TD方向的平均下降幅度分別為41.03%和40.19%；此外隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)面積的減小幅度逐漸降低并趨于穩(wěn)定，第5次循環(huán)完成后，MD和TD方向的平均下降幅度僅為4.59%和6.61%.這表明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，Kapton膜材主要產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性應(yīng)變能，而塑性應(yīng)變能則逐步減小.不同溫度工況下，相同循環(huán)階段的滯回環(huán)面積隨著溫度的降低總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì).首次循環(huán)過程中，將-70 ℃工況下的滯回環(huán)面積同20 ℃工況下的滯回環(huán)面積進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，MD方向上減小幅度為62.5%，TD方向上減小幅度為51.9%，可見溫度對(duì)Kapton膜材的耗能性有著顯著的影響，認(rèn)為隨著溫度降低，在原有能量耗散的基礎(chǔ)上，Kapton膜材內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步減弱，對(duì)能量的消耗降低，在宏觀上表現(xiàn)為膜材塑性變形性能的降低.

3 結(jié) 論

(1)Kapton膜材在循環(huán)加卸載完成后，產(chǎn)生了不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變；膜材的殘余應(yīng)變受溫度影響顯著，殘余應(yīng)變隨溫度的降低而減小；循環(huán)次數(shù)對(duì)Kapton膜材非線性特征存在影響，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膜材非線性特征逐漸減弱，而線性特征逐漸增強(qiáng)，同時(shí)任一加載曲線與卸載曲線均不重合，這表明Kapton膜材具有明顯的黏彈性和黏塑性特征.

(2)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，MD和TD方向彈性模量均大幅提高，但相鄰循環(huán)間彈性模量的增幅逐步減小，趨于平緩.通過建立擬合公式對(duì)Kapton膜材單軸循環(huán)加載彈性模量進(jìn)行預(yù)測(cè)，認(rèn)為Kapton膜材單軸循環(huán)加載彈性模量在第10次循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定.

(3)隨著溫度的降低，MD和TD方向單軸循環(huán)加載下彈性模量均大幅提高.其原因?yàn)殡S著溫度的降低，膜材內(nèi)部原子間距減小，原子間的結(jié)合力增強(qiáng)，致使彈性模量提高.通過建立擬合公式來表示Kapton膜材單軸循環(huán)加載過程中低溫和彈性模量之間的關(guān)系.

(4)隨著溫度的降低，Kapton膜材單軸循環(huán)拉伸的最大棘輪應(yīng)變和最小棘輪應(yīng)變都減小.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，Kapton膜材滯回環(huán)面積逐漸減小，主要產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性應(yīng)變能，而塑性應(yīng)變能則逐漸減小.溫度的降低使得膜材內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)減弱，Kapton膜材的耗能性降低，宏觀上表現(xiàn)為膜材塑性性能降低，滯回環(huán)面積隨溫度的降低而減小.