編織繩索的蠕變和松弛行為研究

　　編織繩索的蠕變和松弛行為研究

　　由于芳綸、聚芳酯等合成纖維材料固有的粘彈性，合成纖維繩索在載荷作用下表現出明顯的時間依賴性，如蠕變和應力松弛行為。在真空、高低溫交變和紫外線輻射等復雜的空間環境影響下，繩索的蠕變和應力松弛行為變得更加復雜。NASA開展了大量的實驗研究工作，分析了纖維材料、環境條件、載荷水平等因素對編織繩索蠕變與應力松弛行為的影響研究發現，芳綸編織繩索蠕變和應力松弛過程分為初始、穩態和加速3個階段:其中穩態蠕變應變與時間成線性關系；初始階段與穩態階段的應力松弛率均與時間呈線性對數關系，且初始階段的松弛率約為第2階段的1.4倍；在50%拉伸強度(UTS)載荷水平下，芳綸編織繩索的蠕變率約為聚芳酯編織繩索的4倍。丁許9研究表明在25%UTS載荷水平下，芳綸編織繩索在40d內的松弛率約為聚芳酯纖維編織繩索的2.13倍，說明在相同載荷條件下，聚芳酯編織繩索比芳綸編織繩索具有更好的抗蠕變和應力松弛性能。

　　在蠕變加速階段，編織繩索的塑性應變快速增加，最終導致失效的發生。NASA蘭利研究中心研制了一套集成加熱和冷卻系統的新型蠕變實驗裝置，研究了聚芳酯編織帶試樣在受控環境條件下的蠕變行為壽命。結果顯示，2種長度的聚芳酯編織帶試樣的蠕變規律并無明顯差異。在交變溫度條件下，聚芳酯編織帶穩態蠕變階段內的蠕變行為與溫度的變化規律--致，但較高載荷水平(>50%UTS)可消除交變溫度對蠕變行為的影響，因此，編織帶的蠕變行為主要與載荷水平和溫度有關。除此之外，載荷水平對編織帶的蠕變壽命具有重要影響，編織帶在65%UTS載荷水平下的蠕變壽命約為70%UTS載荷水平下的12倍。NASA 計劃在未來開展載荷水平小于50%UTS的蠕變實驗，量化高溫低交變、真空和蠕變載荷等因素對聚芳酯編織帶蠕變壽命的影響，對預測太空居住艙(Transhub)的蠕變行為和壽命具有重要意義。

　　由于極性基團可與水分子締合形成水合物，因此，高性能纖維的力學性能在一定程度，上受吸濕性的影響。楊惠杰研究了聚酰亞胺編織繩索在不同濕度條件下的蠕變和應力松弛行為。結果顯示，編織繩索在相對濕度為95%環境中的穩態蠕變速率約為相對濕度為60%環境中的2倍；真空環境中，編織繩索的松弛率遠低于常溫常壓和水浸漬環境下的松弛率。這可能是由于水分子可與聚酰亞胺分子中的酰胺基結合，導致聚酰亞胺分子鏈之間氫鍵破壞，因此，濕度環境會增加親水性纖維(如芳綸)的應力松弛率。

　　蠕變和應力松弛測試是一個非常耗時的過程，而且需要特殊的實驗裝置才能提供長期恒定的載荷或應變，基于短期實驗測試開發的理論模型可有效降低實驗測試成本:Tang等基于Schapery 非線性黏彈性本構模型建立了繩索應力松弛方程，并利用Prony級數推導階躍載荷作用下繩索的蠕變-恢復本構模型，為網狀可展開天線索網結構的設計和優化提供了理論支撐，但模型沒有考慮到繩索的黏塑性行為；Huang等661結合Schapery模型和Owen黏塑性理論建立了線性本構模型，預測芳綸和聚酯纖維繩索的蠕變-恢復行為，模型的計算結果與實驗結果相吻合，但其適用性有待檢驗，有望推廣到尺度更小的纖維幾何體，如股線和紗線；Lian等基于熱力學建立了黏彈性、黏塑性和黏滯損傷蠕變模型，模型計算結果與高模量聚乙烯(HMPE)繩索在不同載荷水平下的蠕變測試數據具有較好的一t致性，該模型可有效模擬HMPE繩索的蠕變斷裂行為，但忽略了編織結構對繩索蠕變行為的影響。目前，這方面的研究還處于初步探索階段，模型的適用性有待檢驗。