立体编织石英纤维热密封环的气密性能

焦亚男， 景媛媛， 方 鹏， 赵玉芬

(1. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387；2. 航天材料及工艺研究所， 北京 100076)

立体编织石英纤维热密封环的气密性能

焦亚男1， 景媛媛1， 方 鹏2， 赵玉芬1

(1. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387；2. 航天材料及工艺研究所， 北京 100076)

为研究立体编织物直接应用作为热密封材料的气密性能。结合实际使用工况，选用石英纤维制作了纤维体积含量为50%的三维四向、三维五向及二维包芯3种编织结构的环状热密封制件。采用泄露实验分别对其进行了气密性能测试，得到了3种编织物在不同压差和不同压缩率下的气体容积流量，并计算出3种编织物在各个阶段的气体渗透率。研究结果表明：3种密封环的气密性能均达到密封要求。其气体渗透率随压差的增加而逐渐增加，但随压缩率的增大而逐渐减小。在相同条件下，三维整体结构织物气密性能优于二维包芯织物，其平均气体渗透率是二维织物的35.5%，且三维四向编织结构热密封环在各个阶段的气体渗透率均为最小，气密性能最好。

热密封环； 三维编织结构； 气体渗透； 气密性

热密封材料是指安装在航天器的接缝部位，用于降低高温密封时气流的流动性，避免大量的热气流传到内部结构中，以达到气密目的而嵌入部件中的材料[1]。热密封技术是高超音速飞行器的关键技术。X-51飞行器在首次的飞行试验中并没有按照最初设想的那样顺利进行，其中原因之一是发动机与尾喷管之间的密封泄漏[2]。热密封材料气密性问题是在航天飞行器应用中所面临的重要课题，许多学者对此开展了实验研究。

20世纪80年代末到90年代初，NASA(美国国家航空航天局)最早开始了关于高温密封的研究[3]。Dunlap等[4]设计了一种Si3N4陶瓷片密封，虽满足密封要求，但是陶瓷片密封件本身弹性性能较差，且在高的载荷之下，难以保证本身的完整性，甚至碎裂，因此，在陶瓷片密封之后，设计了编织绳密封结构。Steinetz等[5-6]对这种密封结构进行了压缩回弹、摩擦性能和气密性能等测试，结果表明这种编织绳密封结构能够满足密封件需求。Cai等[7-9]提出了预测这种二维编织密封结构气流率模型，通过建立数学模型，预测了不同压差之下二维基线密封的气体渗透率。但是，这种绳状编织物中的纤维倾斜方向与织物成型方向垂直，单层厚度较薄，若想获得一定厚度的织物，则需采用较粗的纱线进行编织，从而又造成了织物的压缩回弹性甚微，只能应用在间隙微小改变的部位。Demange等[10]对基线密封性能的研究表明，当密封件被压缩并加热到1 037.7 ℃ 时，密封件的弹性明显丧失，并显示出较大的、永久性的变形，因此，有必要寻求新的结构来改善织物的气密性。然而，目前国内对热密封技术的研究才刚起步，对于新型结构的热密封件的研究还极其少见。

三维立体编织物具有结构整体性和复杂异型结构件一次编织成型的特点，由于预制件中纤维束贯穿材料的长、宽、高3个方向形成整体网状结构，因此织物的强度高，柔韧性和可压缩性好。同时三维编织结构可利用高性能纤维进行多样化的设计，用在飞行器的其他接缝部位。因此，结合三维编织的优点，针对热密封件的使用特性，引入了新型三维编织结构热密封件[11]，研究表明三维编织热密封件不仅符合热密封件的使用要求，而且具有更好的回弹性。本文在此基础上针对热密封件在拐角处等的应用，设计了三维编织结构的环形热密封件，并分别对纤维体积含量均为50%的三维四向、三维五向及二维二向编织结构的热密封环进行了气密性能实验，通过计算分析了3种结构件在不同压缩率以及不同压差下的气体渗透率，为热密封件织物结构的选择、设计和制备提供了参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

根据热密封件需要具有良好的隔热性、柔韧性、弹性和耐磨性等使用特性[12]，采用的原材料为湖北菲利华石英玻璃纤维有限公司190 tex空心石英玻璃纤维纱，具备导热系数低、质量轻、强度及刚度高等优点，具体参数如表1所示。

表1 石英纤维的主要性能

1.2 试样制备

实验所用的三维四向、三维五向编织结构的热密封环由天津工业大学复合材料研究所自行研制的三维织机，采用1×1四步法编织而成。密封环试样编织尺寸的内径为80 mm，外径为100 mm，截面厚度与宽度均为10 mm。二维二向[13]立体编织热密封环为包芯结构，由二维编织表皮层和芯纱组成，表层由徐州恒辉KBL-90二维编织机织造，内部填充的芯纱为190 tex单向空心石英纤维束，不参与编织；外层编织套共2层，层与层之间无连接。织物具体参数如表2所示，其中Vf为纤维体积含量。具体实物图及其结构如图1所示。

1.3 测试与表征

目前尚无适用于三维立体编织物气密性能的测试标准，因此研究中测量气体穿过织物的质量流率及渗透率参照GB/T 25077—2010/ISO9053:1991《声学 多孔吸声材料流阻测试》及ASTMC522—03(Reapproved2009)《声学材料的气流阻力的标准测试方法》。气密性实验在航天材料及工艺研究所完成，实验仪器采用环型气密性测试装置，该仪器主要是测量室温下穿透热密封环试样的容积流量。

表2 立体编织密封环参数

图1 3种不同结构立体编织密封环及其细观结构Fig.1 Braided sealing ring of three different structures and microstructure

热密封环试样气密性能测试装置剖面示意图，如图2(a)所示。密封件被安装在固定密封槽内，试样的压缩率是由间隙的高度控制的，通过外面的螺栓调整高低。上下压板合并之后，试样处于一个密封空间，在一定压差下，气体只有穿过试样才能向外扩散(如图2(b)所示，P表示两边的压强，单位为kPa)。

图2 热密封环试样气密性能测试装置图以及示意图Fig.2 Gas permeation testing device and gas flow through seal. (a) Diagram of gas permeation testing device; (b) Gas flow through seal

流量装置可测量穿透密封件的容积流量，其量程为0～100 L/m(标准状况下每分钟每升的流量)，精度为1%。当气流经节流口时，其前后会产生压差，本实验分别测量了压差为10、30、50、70、100、120、150、180、200 kPa，压缩率为10%、20%和30%时3种结构密封环的气体容积流量，每个试样测试3次，取其平均值。

1.4 气体渗透率的计算

渗透率是多孔介质的一个重要的特征参数，表述了在一定流动驱动力推动下，流体通过多孔材料的难易程度。对于热密封件，气体渗透率可用穿过织物的质量流率与气体通过密封通道的长度的比值计算，如下式[14]：

式中：K为渗透率，kg/(s·mm)；M为穿过织物的质量流率，kg/s；l为气体通过密封通道的长度，mm。在标准状况下容积流量与质量流率的换算关系为1 L/m=2.143×10-5kg/s。

2 结果与讨论

飞行器在飞行过程中，由于飞行状况的不同，热密封部位的间隙尺寸会发生变化，因此，为维持与密封面的紧密接触，热密封件会受到不同程度的压缩，以适应结构缝隙的变化。由于飞行高度的差异和周围的空气状况，密封件在不同的飞行情况下所承受的空气压差也不同，针对以上情况，本文主要讨论分析不同压缩率以及压差下，3种编织织物的气密性能。

2.1 压缩率对气密性的影响

由于每个压差都做了不同压缩率的测试，故而试验得到织物在不同压缩率下的气体渗透率，可用同一压差下数据讨论。又因为它们的趋势相同，所以取平均值更有代表性。图3示出3种结构的立体编织密封件不同压差之下气体渗透率平均值。

图3 压缩率对立体编织密封环气体平均渗透率的影响Fig.3 Influence of compression ratio on average gas permeability

由图3可知：3类试样气体平均渗透率在压缩率为10%时最高；当压缩率增加到20%时，三维四向与三维五向气体渗透率基本趋于一致，这说明随着压缩率的增大，三维四向结构的内部纱线与三维五向结构的内部纱线均由于受到挤压增加，内部纤维含量逐渐趋于饱和，结构对气密性的影响作用基本持平；试样压缩率为30%时最低；但当试样压缩率增大到30%时，三维编织试样(图4(a)所示)与二维二向编织试样(图4 (b) 所示)由于在压缩的过程中总体积减小，纤维体积含量均超过极限值，尤其是三维编织试样在压缩率为30%时，纤维体积含量已超出一般设计时最大值，在高压缩率下不能承受住这样的压缩载荷，试样在实验过程中表面纤维出现断裂、起毛甚至散落，并发生永久变形，导致试样失效。

图4 立体编织密封环压缩率30%失效后实物图Fig.4 Failure modes for different structure of compression ratio 30%. (a) 3-D braided annular thermal seals; (b) Surface of 3-D braided annular thermal seals; (c) 2-D braided annular thermal seals; (d) Surface of 2-D braided annular thermal seals

但仍然可看出此时试样在压缩率为30%时的气体平均渗透率仍比压缩量为20%时的低，说明在该实验条件下，试样虽然损伤失效，但仍能在短时间内保持一定的使用价值，但若应用于机翼处动密封时则无法对高速飞行器再入过程进行有效密封。

通过比较3种织物在不同压缩率下的气体渗透率可看出，三维编织热密封件的气密封均优于二维编织，特别是在压缩率为10%时，三维四向热密封件的渗透率仅为二维编织热密封件为38%。分析原因是因为在纤维体积含量相同的情况下，三维编织由于其层与层之间的联系更加紧密，内部纱线相互缠绕使其成为一个不分层的整体，内部的纱线结构更为复杂，而二维编织仅仅是表面的纱线相互交织，并且内部芯纱均为伸直状态，对气体的阻碍相对较小。

比较三维四向与三维五向试样，在纤维体积含量相同的情况下，三维四向结构的气密性能在当前实验的压缩率下均优于三维五向结构。特别是在压差为180 kPa，压缩率为10%时，三维四向试样较三维五向试样气体渗透率降低了37.6%。分析原因是三维四向试样均是由于编织纱组成，内部纱线均是纵横交错，基本没有垂直的纱线，受到横向挤压时，内部纱线相互交织更为紧密来满足压缩变形，导致试样内纱线排列更为紧密，对渗透率的影响更为明显。可见在压缩率为10%作用下，三维四向试样较三维五向试样更易压缩，因此三维四向气密性最好。

2.2 不同压差对气密性的影响

图5示出典型的三维编织热密封件在压缩率为10%下气体渗透率与压差曲线，由于在压缩率为30%时试样会受损失效，故不予以讨论。

图5 试样在10%压缩率下气体渗透率-压差曲线Fig.5 10% compression gas permeability-pressure curve

从图5中可看出，随压差的逐渐增大，3种结构的编织密封件的气体渗透率变化趋势大体一致，但二维编织密封件气体渗透率更高且数值波动更加明显；三维四向编织密封件比二维编织密封件气体渗透率在压差为200 kPa时最大降低了62.2%，三维五向编织试样较二维编织试样气体渗透率在压差为200 kPa时最大降低了40.5%；在压差大于180 kPa时，三维编织试样的渗透率逐渐趋于平稳，而二维编织的渗透率仍有逐渐增加的趋势；分析原因是因为二维编织试样是表面二维编织套管与芯纱彼此分离的嵌套结构，表面结构与内部结构存在明显差异，在对其施加横向压力时，内外结构变化不一致，导致纱线间孔隙大且不均匀。相比之下，三维编织物作为一个整体交织点较多，纱线间的滑移比较复杂，且受到外力作用时纱线间相互挤压，导致内部产生横向伸长，但此时编织纱与编织纱，以及编织纱与轴纱之间存在着相互约束作用阻碍了压缩时纱线压缩载荷的传递，增加了相互挤压移动时的摩擦，使得压缩性能比二维编织物是有提高，从而试样孔隙小且均匀，结构更为紧密。因此在10%的压缩率下气体穿过试样时，二维编织试样的气体渗透率明显高于三维编织试样的气体渗透率。

图6示出试样在20%压缩率下气体渗透率与压差曲线。从图中可看出：由于受到更大的压缩，3种结构的均达到了比较紧密的程度，试样内部空间基本闭合，气密性能都比较优异；随着施加压差的增大，三维四向密封件比二维二向编织密封件气体渗透率平均下降了37.7%，三维五向密封件比二维二向编织密封件气体渗透率整体均下降31.6%，说明三维编织密封件在同样的压差范围内气体渗透率更低，其气密性能更好；并且三维四向较三维五向试样的气密性能好。

图6 试样在20%压缩率下气体渗透率-压差曲线Fig.6 20% compression gas permeability-pressure curve

此外，在压差小于120 kPa时，3种结构密封件的气体渗透率随压差的增加变化幅度较小。这是因为在压缩率为20%时，二维与三维编织密封件内部结构的空间孔隙差距不明显，都能有效阻隔气流穿过密封件；但随着压差的继续增大即当压差大于120 kPa时，二维二向编织密封件与三维编织结构密封件相比，由于表面织物与内部芯纱之间是分层结构，因此在气体压差较大的情况下，其试样内部孔隙更易被吹开，气体渗透率呈逐渐提高趋势。而三维编织试样的气体渗透率随压差的继续增加呈现先缓慢增加后明显提高的趋势。这是因为三维编织织物中纤维束贯穿织物长宽高3个方向形成整体网状结构，在较大压差的气流下更能有效阻止气流的扩散，因此较二维二向编织织物相比，三维织物随压差的变化更小，织物性能相对稳定。但当压差超过0.18 MPa时，较大的气流同样使得三维织物的渗透率明显增加。

由以上讨论可知，三维织物较二维二向织物相比，气密性能更加优异，且三维四向织物在不同压缩率、不同压差下呈现出最优的气密性能。

3 结 论

1)在密封形状为环型的情况下，实验所用的二维二向编织结构与三维编织结构立体编织热密封环气密性能均已达到密封要求，试样的气体渗透率均随压差以及压缩率的升高而降低。

2)当压缩率增大到30%时，密封件损伤碎裂，但其气体平均渗透率比压缩率为20%时的低，这说明在环状工况下，密封件虽然失效，但仍能在短时间内保持一定的使用价值。

3)通过分析不同编织结构密封件在压缩率为10%、20%情况下的气体渗透率可知，二维编织结构密封件表面编织套管与内部芯纱之间为分层结构，导致纱线间孔隙大且不均匀，气体渗透率较大。相比之下，三维编织结构密封件整体不分层、可压缩性好以及结构均匀紧密等特点使其气密性能更为优异，其中三维四向结构气密性能最好，更适用于热密封件结构选择要求。

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Gas tightness characteristics of 3-D braided sealing rings

JIAO Ya′nan1, JING Yuanyuan1, FANG Peng2, ZHAO Yufen1

(1.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.AerospaceResearchInstituteofMaterials&ProcessingTechnology,Beijing100076,China)

The gas tightness of the three-dimensional (3-D) braided preform as sealing material was studied. By combining actual situations, the braided sealing rings of three structures with fiber volume fraction of 50% were prepared from quartz fiber, which had 3-D 4-directional structure, 3-D 5-directional structure and 2-D core-spun structure. The gas leaking experiment was carried out to measure the gas tightness thereof to obtain the gas volume flows of the three kinds of braided fabrics on different pressure and at different compression ratio, and the gas permeability of the three kinds of braided fabrics at each stage was calculated . The Results show that all the three braided sealing rings reach the sealing requirements, and the gas permeability gradually increases with the increase of the pressure difference, but decreases with the increase of compression ratio. Moreover, the gas permeability of the 3-D braided sealing rings is much better than that of the 2-D core fabric, and the average gas permeability is 35.5% of the 2-D core-spun fabric. The 3-D 4-directional braided annular thermal seal ring shows the lowest gas permeability and exhibit the base gas tightness.

sealing ring; 3-D braided structure; gas permeability; gas tightness

10.13475/j.fzxb.20160607806

2016-06-30

2016-12-14

天津市科技支撑计划重点项目(15ZCZDGX00340)

焦亚男(1971—)，女，研究员，博士。主要研究方向为三维立体编织增强复合材料。E-mail:Jiaoyn@tjpu.edu.cn。

TB 332

A