（纺织材料与纺织品设计专业论文）高性能纤维弱节表征方法的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

高性能纤维弱节表征方法的研究 摘要 纤维弱节是影响纤维性能和质量的决定性因素，虽弱节的理论和测量方法 已有报道，并有纤维弱节的理论与实践表征。但大多为棉、毛、涤、碳纤维的 一般研究。而对于高性能纤维弱节研究，因为其本身结构较均匀，且与弱节相 关的研究也是最近几年的事，所以很少有人对其讨论。 本课题以p b o 纤维，n o m e x 纤维和锦纶三种高性能化纤作为研究对象，对 它们的弱节从力学和形貌以及两这两种方法相结合的角度进行了系统的分析和 讨论，具体内容如下： ( 1 ) 利用显微c c d 摄像测量测出每根纤维的最细处和断裂处的直径，并利用 x q - 1 纤维强伸度仪对三种单纤维进行拉伸，得到每根纤维相对应的拉伸性能。 在此实验的基础上，可以得到三种纤维的断裂强度、断裂真应力、断裂比功和 断裂伸长率的分布。特别是得到了纤维断裂应力和断裂真应力的分布，对纤维 进行了一一对应的原位表征，改进了传统测量中只是把纤维的强力与纤维的平 均线密度对应起来作相对比较的不足。 ( 2 ) 对三种纤维各种断裂特征值的分布形式用l o g n o r m a n 分布，g a u s s 分布， l o r e n t z 分布和w e i b l l l l 分布进行了拟合，并得出了各种拟合的相关系数和对各 种拟合函数适用程度。大体来说，纤维断裂强度符合w e i b u l l 分布，断裂真应力 符合l o r e n t z 分布，两者是完全不同的分布。l o r e n t z 分布对各分布的适用性比较 好。这同时说明了对纤维力学性能进行原位表征的重要性。 ( 3 ) 设定了单纤维拉伸断裂特征值的临界值，求出了在菜一特征值和临界值 下的纤维的弱节率，然后对三种纤维的弱节率做了比较，得出三种纤维力学性 能的相对强弱。可以发现，由不同的指标和临界值求出的弱节率在趋势上是一 致的。三种纤维弱节率的情况是锦纶 n o m e x 纤维 p b o 纤维。通过以设定 的弱节率反求临界值的方法可以对不同种类的纤维或不同批次的同种纤维进行 比较，尤其是当量化后，可以得出纤维弱节的多少与强弱。得出的结论跟上面结 果相一致。 ( 4 ) 指出了纤维结构弱节表征的难度，采用纤维断裂端形貌和其对应单纤维 拉伸益线结合的方法，有效表征了三种高性能纤维结构弱节及与拉伸行为的对 应关系，为以后简化弱节判定提供了方法。p b o 断裂主要为皮芯抽离和纤维撕 裂，般不构成纤维的弱节结构，但如果纤维断面撕裂比较严重，或者是有孔 洞和阶梯状的，则属于是纤维的弱节断裂。n o m e x 纤维为断口主要是产生收缩， 如果断口出现明显的单阶梯或多阶梯分层现象，则一般构成纤维的弱节断裂形 式。而锦纶纤维如果断口没有收缩现象且存在表面大裂纹，贝u 一般为弱节皈裂， 假如断口产生收缩，则拉伸力大，一般为纤维的正常断裂。 ( 5 ) 在实际中应用较多的判定纤维力学性能好坏的还是束纤维拉伟法。本课 题通过对束强曲线进行分析，得出了能代替纤维断裂分布函数的b s l 俐曲线和 b 向曲线，从而大大简化了纤维弱节率的测量与求解过程。而且通过这两条曲 线我们可以估计出纤维断裂伸长率的平均值和离散值。经过我们和前面单纤维 实测弱节率的比较表明，这种方法跟单纤维力学方法具有可比性，是有效和可 行的。 ( 6 ) 利用单纤维与束纤维拉伸性能间相互转换的理论关系式，通过束纤维的 拉伸曲线，我们预测了单纤维拉伸断裂的平均断裂强力帮平均断裂傅长率及其 各自的变异系数，并与实测值进行了对比。对比发现，p b o 纤维的预测结果较 为理想，这是因为它的拉伸曲线成线性，而n o m e x 和锦纶的拉伸曲线不成线性。 关键词高性能纤维，弱节表征，弱节率，拉伸典型曲线，力学分析，形 貌观察 c h a r a c t e r i z a t i o no fw e a k - l i n k so f h i g h p e r f o r m a n c ef i b r e sb yt e n s i l ea n d c o m b i n e dm e t h o d a b s t r a c t f i b r ew e a k - l i n k ( f w l ) 1 so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf l a w sa f f e c t e do nt h e p r o c e s s i n ga n de n d u s ep e r f o r m a n c e o ff i b r e s t h et h e o r ya b o u tf i b r ew e a k - l i n k sh a d b e e np u tf o r w a r de a r l y ，b u ti ti ss t i l ld i f f i c u l ti na p p l i e dc h a r a c t e r i z a t i o n u pt on o w , t h e r ea r en o te f f e c t i v em e t h o d sp u b l i s h e dt oc h a r a c t e r i z ef w l s o m ef i b r e s ，s u c ha s c o t t o n ，w o o l ，a n dc a r b o nf i b r eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dr e f e r r e dt ot h ef w lt h e o r y t h e r eh a s ，h o w e v e r b e e nl i t t l es t u d yo ft h i st h e o r yf o rh i g h p e r f o r m a n c ef i b r e s ( h p f s ) b e c a u s eo fi t su n i f o r m i t yo nt h ea p p e a r a n c e t a k i n gt h ep b o f i b r e ，n o m e xf i b r ea n dn y l o na st h es t u d y i n g ，t h ew e a k - l i n k so f t h et h r e ef i b r e sh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e db yt h et e n s i l et e s t ，m o r p h o l o g i c a l o b s e r v a t i o na n dt h ec o m b i n a t i o no f t h et w om e t h o d si ns i t u t h ed e t a i la sf o l l o w s ： ( 1 ) ac c dd i g i t a lc a m e r ac o m b i n e dw i t ha no p t i c a lm i c r o s c o p ew a su s e dt o m j a s u r et h em i n i m a ld i a m e t e ra n dt h ed i a m e t e ra tt h eb r e a k p o i n to fe v e r yf i b r e t h e n t h et e n s i l ep r o p e r t i e so fe a c hc o r r e s p o n d i n gf i b r ew a sm e a s u r e db yt h ex q 1f i b r e t e n s i l et e s t e r o nt h eb a s i so ft h i se x p e r i m e n t ，v a r i a t i o n so fs u c ht e n s i l ep r o p e r t i e s 嬲 t e n a c i t y , r e a l s t r e s s ，s t r a i na tb r e a k ，s p e c i f i cw o r k o f r u p t u r ea n dt h e i rd i s t r i b u t i o n s c a nb ea b t a l n e d o nt h et r a d i t i o n a l m e t h o d ，p e o p l e o f t e nc o m b i n et h et e n s i l e p r o p e r t i e st ot h ea v e r a g el i n e a rd e n s i t yo f a f i b r e ，t h i si si m p r e c i s eo b v i o u s l y i nt h i s p a p e r ，t h em o r p h o l o g i c a lo b s e r v a t i o na n d t h et e n s i l ec u r v e sa r ec o m b i n e dt o g e t h e rt o a n a l y s et h ef i b r ew e a k l i n k s o f t h e s eh i g h p e r f o r m a n c ef i b r e si ns i t u ( 2 ) a d o p t t h ed i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o nm e t h o dt od i s c u s st h ef i r e dd i s t r i b u t i o no f t h ef i b r e sb ym e a n so f l o g n o r m a l ，g a u s s ，l o r e n t za n df o u r - p a r a m e t e rw e i b u l l f u n c t i o n s ，a n dt og e tt h er e l a t i v ec o e f f i c i e n t sa n da p p l i c a b i l i t yo f t h e s ef u n c t i o n st o t h et e n s i l ee i g e n v a l u e a st h er e s u l t s ，l o r e n t zd i s t r i b u t i o n sg e n e r a l l yp r o v i d et h eb e s t f i tt ot h ed i s t r i b u t i o no ft h ef i b r et e n s i l e p r o p e r t i e s w h e nc o m p a r e dw i t h o t h e r f u n c t i o n s t h ed i s t r i b u t i o no fp b 0 st e n a c i t yi sf i r e st ow e i b u l ld i s t r i b u t i o n b u tt 1 1 a t o f t h er e a ls t r e s si sf i r e dt ol o r e n t zd i s t r i b u t i o n ( 3 ) t h ec r i t i c a lv a l u ef o rt h ec a l c u l a t i o no f t h er a t eo ff i b r ew e a k l i n k s ，n a m e l y 电 w e a k l i n kp r o b a b i l i t y , h a sd e t e r m i n e d b yt h ev a l u eo ft h ew e a k l i n kr a t i o ，w ec a r l j u d g et h er e l a t i v es t r e n g t ho rw e a k n e s s o fe a c hk i n do ff i b r e f o ro n ek i n do ff i b r e s ， t h et e n d e n c yo ft h ev a l n eo ft h ew e a k l i n kp r o b a b i l i t yi sc o n s i s t e n tw i t hd i f f e r e n t c r i t i c a lv a l u e s t h a ti s ，t h en y l o ni st h ew e a k e s t ，t h ep b of i b r ei st h es t r o n g e s t ，a n d t h en o m e xf i b r ei si nt h em i d d l e o nt h ec o n t r a r y , i ta l s oc a nd e t e r m i n et h ec r i t i c a l v a l u eu n d e raf i x e dw e a k l i n kp r o b a b i l i t y , e s p e c i a l l yw h e n c o m p a r e t h ec r i t i c a lv a l u e w i t hi t sa v e r a g eo rt h em a x i m a lv a l u e ，t h a tt h es p e c i f i cv a l u ec a nb ed e t e r m i n e d ，t h u s t h eq u a l i t yo f d i f f e r e n tk i n d so f f i b r e si sc l e a r ( 4 ) t h ei n n e rs t r u c t u r a ld e f e c t so f t h ef i b r e s ，i e f i b r ew e a k 1 i n k s ，a r ed i 蟠c u l tt o b ec h a r a c t e r i z e dg e n e r a l l y i nt h i sp a p e r , h o w e v e lt h ec o m b i n e dm e t h o do f s i n g l e f i b r et e n s i l ee t l r v et e s ta n df i b r ef r a c t u r em o r p h o l o g yb ys e mo b s e r v a t i o nh a sb e e n d e v e l o p e d t h e f i b r ew e a k l i n k so ft h i st h r e ef i b r e sh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e di n a c c u r a t ea n dr e l i a b l ea p p r o a c hr e s p e c t i v e l y o nt h eb a s i so ft h i ss t u d y , t h ef w l sc a n b ec h a r a c t e r i z e di ns i m p l i f i e dw a y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep b of i b r e i su s u a l l yl a m i n a t e da n d s p l i n e di n t of i h r l d s ，a n dt h ef i b r i d sh a v eah i g ht e n a c i t y , s o t h et e n s i l eb e h a v i o ro fp b of i b r ei se x c e l l e n t t h ew e a k 1 i n ko fn o m e xf i b r ei s m a i n l ya r o s e db y t h es t e p s t a g ef l a w s t h ef w lo f t h en y t o na r ea l m o s tt h el a r g ea n d l i n e a rd e f e c t so nt h ef i b r es u r f a c e ( 5 ) t h em e a s u r e m e n to f t h et e n s i l es t r e n g t ho fs i n g l ef i b r e si sn o tc o m m o n l y p r a c t i c e d i nt h e i n d u s t r y , p e r h a p sb e c a u s eo fi t s s l o w n e s s n l ea l g o r i t h m so ft h e f r e q u e n c yd e n s i t yf u n c t i o no f f i b r es t r a i na tb r e a kh a v eb e e na c h i e v e db ym e a n so f t h em o d u l u s e u r v e ，b o o 。t e l d i f f e r e n t i a t e df r o mt h ef i b r e - b u n d l et e n s i l ec u r v e b s ( e 】。 a n dt h ef i b r ew e a k l i n k p r o b a b i l i t y c a nb ef o u n do u tb a s e do n b s l ( e ) c u r v e a c c u r a t e l y a n d e a s i l y b yb s l 似c u r v e ，c a na l s op r e d i c tt h ea v e r a g eb r e a k i n g e x t e n s i o n ，c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o no fb r e a k i n ge x t e n s i o n c o m p a r e dt ot h ep r a c t i c a l v a l u eo ft h es i n g l ef i b r e s ，t h ep r e d i c t e dv a l u e sh a v eb e e n p r o v e d ( 6 ) as i m p l em a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e r i v e dt op r e d i c tt e n s i l ep r o p e r t i e so f s i n g l ef i b r e sf r o m t h eb u n d l et o a d e l o n g a t i o nc u l w e s t h e a v e r a g eb r e a k i n ge x t e n s i o n ， c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o no f b r e a k i n ge x t e n s i o n ，a n dt h ea v e r a g eb r e a k i n gs t r e n g t ha n d i t sc o e f f i c i e n to fv a r i a t i o nw e r eo b t a i n e d t h ev a l i d i t yo ft h em o d e lw a sv e r i f i e do n t h r e es a m p l e sa n dp r o v e dt ob eb e s tw i t ht h ep b of i b r eb e c a u s eo fi t sl i n e a r i t yi nt h e s i n g l ef i b r ee l o n g a t i o n c u r v e b y l iy e ( t e x t i l em a t e r i a la n d d e s i g n i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o r y u w e i d o n g k e y w o r d s ：h i g h p e r f o r m a n c ef i b r e ，c h a r a c t e r i z i n go f f i b r ew e a k - l i n k s w e a k - l i n k p r o b a b i l i t y ，t e n s i l ec u r v e ，t e n s i l ea n a l y z e ，m o r p h o l o g i c a lo b s e r v a t i o n 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郊重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者始办绎 日期：户争年，j 月7 e t 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密，回。 学位论文作者签名：力泸肇 指导教师签名： 日期：秽年f 2 月；口日 醐：，p ；，日 第一章引言 第一章引言 1 1 问题的提出 不管是天然纤维还是化学纤维，其在纤维的粗细，长短和截面形状等方面 都存在差异，这些差异不仅存在于纤维和纤维之间，而且除长度外还存在于纤 维本身，即沿纤维长度方向上存在差异。对纤维力学性质的影响，更重要的还 是纤维形态和内部结构的及其不匀。纤维外观的不匀，如纤维明显的粗细不匀 还比较容易判断，但纤维内部结构的不匀就非常难以判断了。正因为如此，纤 维弱节的表征技术及其研究进展地非常缓慢，基本上没有人做过系统的研究和 分析。 而事实上，纤维的弱节对纤维的性能影响是非常大的，纤维力学性质的强 弱不取决于纤维力学特征值的平均数，它仅仅取决于纤维最弱部分的性能，纤 维最弱部分弱则纤维弱，最弱部分强则纤维强。因此，纤维弱节直接决定纤维 的拉伸行为和影响着纤维的加工性能和使用性能，以及内部特征等【1 a 1 。而且纤 维弱节和弱节含量在后续加工中会发生变化，这将引起实际纤维质量的变化 2 , 3 1 。 1 2 弱节的概念 在通常的认识和概念中，对什么叫纤维的弱节界定很模糊，认为纤维的弱 节顾名思义，就是纤维的最弱处，或者再狭义一些，认为纤维的弱节就是纤维 强度较低的断裂部位。这些认识对说明弱节的实质显得局限和模糊，有必要进 行新的定义。 弱节为在纤维某一长度位景上的最弱力学性质的假想断面【”。换言之，纤维 的弱节通常包含各种应力集中源。弱节有以下特征【1 a 】： ( a ) 相对性首先，弱节是相对某一长度而言，即有长度依赖性。弱节内可 包括多个缺陷，并非每个缺陷都是最弱缺陷，但它们组合形成的截面( 断面) 为最 勇豸。 ( b ) 低概率性弱节是一个断面或截面，甚至有可能是一个点。相对整根纤 维来说，其占纤维的体积比例较小。 ( c ) 随机性对于确定的长度范围，弱节可能发生在任一处。在实时观察中 第一章引言 很难确定观察点即为弱节和断裂处。 ( d ) 可变性由于拉伸过程中，纤维在不断的进行结构调整，弱节在结构调 整过程中可能结构强化转变为非弱节结构。 ( e ) 唯一性实时观察中可以发现，纤维拉伸至断裂过程中可能有多处产生 裂纹，然而作为弱节体现的断裂端只有一个，因而，尽管破坏处有多个，弱节 是唯一的。 1 3 现有的弱节理论 1 3 1 纤维弱节理论的表达 纤维沿长度方向上的强度是各不相同的，假设每一点的强度都是已知的， 如图1 所示。当外界负荷逐渐增大时，纤维最终将在最弱处断裂，断裂强度为 s 。当把纤维平均分成两段时，这两段都在各自的最弱处断裂，断裂强度分别为 s ，和s 2 。s 2 显然要比s l 大，这说明当纤维长度减为原来一半时，它的强度平均 值( s l + s 2 ) 2 要比s l 高。同样的道理，当纤维长度缩减为原来的1 3 ，l “，1 5 时，它的强度值会越来越大。当纤维长度很短时，它的强度就趋于定值s o ，其 中，直线s = s o 把强度波动曲线分成上下面积相等的两部分【5 l 。妞凰l 。l 。 &口， 越彳 丛八 勒 i ，v 厂 v ，一、一 s l + 1 i r _ 1 f r + + i r + + 1 f 一 图i - i 弱节理论的表述 所以，纤维的强度会随着长度的减小而增加，这也是因为随着纤维长度的 减小，纤维最弱处即弱节处被检测到的几率就变小，纤维的强度就会相应的增 加。所以，如果能研究纤维弱节的成因及表征方法，就有希望判断和改善纤维 的弱节，从而达到提高纤维平均强度和性能的目的。 1 3 2 纤维弱节研究的现状 1 3 。2 。lp e i r c e 的弱节理论( 串联模型) 从外观形态结构上说，纤维结构的不匀只有长度的影响，这是p e i r c e 弱节 理论的基础，即纤维内部结构是均匀的。在这个理论中，将整根纤维( 文中是对 2 第一章引言 纱线) 看成是由许多不同强度的“环”相互嵌套连接在一起，只要有一个环断， 整根链就裂。而断裂的“环”就是“弱环”。由此，导出了试样长度与纱线断裂 强力问的理论关系【6 1 ： 假设中l ( s ) d s 是试样长度为l 的强力在sn ( s + d s ) 间的概率。现在，如将 试样长度增加为n i ，它的强力在s 到( s + d s ) 闻的概率应等于：把i 1 1 分成n 个片段， 其中任何段的强力，应在s 到( s + d s ) 间，而其它( n 1 ) 个片段的强力都应大于 s ，则在长度为n l 的片段中，强力为s 到( s + d s ) 问的概率为1 1 巾l ( s ) d s ，而在其 它片段，强力都大于s 的概率为 i 破( s ) 出r 1 。这样，长度为n l 的试样，它的 强力在s 到( s + d s ) 间的概率密度分布为 中。，( s ) = n 中i ( s ) 【广西( j ) 幽】”1 。 1 3 2 2k n o x 的弱节理论( 并联模型) 【7 1 k n o x 等人验证了p e i r c e 的数据限蜘，证明p e i r c e 的弱节理论不适合粘胶长 丝和其本身数据，应该采用更合适的模型并联模型。在这个模型中，假设 纤维是由1 1 个平行的链段组成的。当这n 个链段中起作用的链段数少于m 个时， 整根纤维发生断裂。这种情况，纤维强度的分布很难解得，只有假设各单元的 强力分布为均匀分布时，可以得出纤维强度应该服从b 分布。k n o x 等人用粘胶 长丝验证了并联模型的作用，并得出当纤维发生断裂时，还有一部分并联单元 起作用，而这一点p e i m e 模型是无法表达的。 1 3 2 3s p e n c e r - s m i t h 的断裂区理论【8 】 1 9 4 7 年，s p e n c e r - s m i t h 对p e i r c e 的弱节理论作了改进，认为纤维或纱线的 断裂是发生在一定长度的断裂区( f r a c t u r ez o n e ) ，因为纤维中的大分子链或纱线中 的纤维通过相邻片段，相邻片段试样的结构和截面尺寸不可能有很大的不同， 即强力高的片段附近往往也是强力较高的【9 a 】。据此，试样长度与强力问的关系 为s 1 s 。尸w ( n ) - f ( n ) ol 。式中，w ( n ) 为统计函数，f ( n ) 为相邻片段强力相关的系 数。s p e n c e r - s m i t h 韵理论比p e i r c e 的理论更接近实测值。 1 4 弱节的分类及其各自的表征方法 这方面几乎没人作过系统的总结，主要是于伟东的研究工作。 第一章弓f 言 1 4 1 力学弱节 纤维弱节的最主要表现为纤维力学性能的退化。因此在理论和实践上，最方 便和最直接的方式是以纤维的力学行为来表征其弱节的特征和弱节量。根攒纤 维拉 牵断裂的特征值，纤维的力学弱节可分为三类f a 1 ： ( 1 ) 强度弱节 这是以往入们讨论得最多的一秘弱节。它分为强力弱节和应力弱节。在常 识中，人们往往把强力相应力混为一谈，萁实，强力取决于纤维最纲处的蛊径， 而应力与纤维直径基本无关硒】。所以，纤维沿长度方向的强力和应力分布一般 是不相同的，由此由强力和应力判断蹬的弱节率( 弱节纤维的比例) 也不同。 ( 2 ) 傍长弱节 理论上是指纤维拉伸断裂的最小馋长郄位。如果照纤维的仲长特性来判断 纾维的弱节，往往会产生迷惑性，甚至误判。这是因为从微观上簧弱节结构区 域，往往表现出高的塑、漉变特征，这样，应变大的部位应该为弱节。这就与 卑长判断中“应变越小越可能成为弱节”产生了矛质f 瑚。 ( 3 ) 颟裂功弱节 这是将强度和伸长特性综台考虑的一秘形式，其指的是断裂功最小的部位。 它综合考虑了纤维模量、屈服点和断裂点的特征，因而在表达上比煎薅秭形式 更加完善。 对纤维力学弱节的表征，可分为单纤维拉伸法和束纤维拉伸法两种。其有 各自的优点和缺点。 ( 1 ) 单纤维拉伸： 主要是根据单纤维拉伸曲线的特征值以及所设定的临界值来判断纤维的弱 节率。这些特征值包括断裂应力，比应力，断裂长度，断裂伸长率，初始模量 等。纺织纤维由于内部结构和外形尺寸的不均匀性，各根纤维的拉伸曲线存在 较大的差异，如何从一批离散性较大的曲线中，选取一根代表曲线，通常有以 下方法： 单根代表曲线法i 】：根据实测试样所得的断裂强力，断裂伸长和初始模 量的平均值，在n ( 样本容量) 根拉伸曲线中选取一根最接近上述指标平均值的曲 线即为代表曲线。这一方法较简单，但在任意拉伸阶段时曲线代表性差。 5 根曲线平均法：从n 根拉伸曲线中选取5 根最接近平均特征值的曲 第一章引言 线；将每根曲线等分断裂伸长为若干等分；求出各对应伸长分点的平均强力；以实 测的平均断裂伸长为基准，作出各对应伸长分点的平均强力点，然后连接各点 即为所得曲线。该法绘制麻烦，但能较好地代表整个拉伸过程地变形特征，代 表性好。 以卷曲变形区的起点或终点开始对所有纤维拉伸曲线进行叠加得到纤维 的典型拉伸曲线1 b 】，当有纤维发生断裂时，采用的断裂端的处理为在规定的应 变差( ae ) 或伸长差( a1 ) 中的承力纤维，包括正好发生断裂纤维的各应力值的平 均当未断裂纤维根数少于1 0 时，为了避免合成曲线的波动，采用线性或非线性 拟合处理，已有专门文章来讨论所有曲线的拟合方法【玎l 。 ( 2 ) 束纤维拉伸： 单纤维拉伸费时费力，实用性不强。目前，质量控制【】上用得较多的是束 纤维拉伸力学性质的测量。通过束纤维的强伸曲线，可以得出的特征值有【1 5 l 束 纤维强力或强度( b s ) ，束纤维伸长( b e ) ，束纤维初始斜率( b s l o p e ) 及束纤维断裂 功( w ) 。这几个特征值之间存在相关性f 1 ”。除了上述指标，还可以得出对纤维弱 节评价更为有效和准确的几个扩展指标【1 7 】：前半部断裂比功w 1 ，为最大强度 点前束强曲线下的面积；后半部断裂比功w 2 ，为最大强度点后束强曲线下的 面积。因为束强曲线的后部纤维发生断裂的主要区域，故与纤维断裂特征值极 为相关。后半部与前半部功比w 2 ，w 1 ，它反映纤维破坏部分占非破坏部分的比 例。后半部与整体功比w 2 ，w ，它反映断裂特征区占整个束纤维做功的比值， 是纤维断裂不同时性的表现。 柬纤维拉伸曲线另外个重要的作用就是通过它可以求出纤维断裂分布 及其密度函数，从而为纤维弱节率的判断提供一种很好的方法。求纤维断裂分 布可以对实际束强曲线b s ( e ) 直接求导，此线物理意义为模量，可表示断裂纤维 的减少速率，所以在理论上b s ( e ) 及其分布形态应该与纤维断裂概率b ( e ) 的导数 b ( e ) 相似。因此b s ( e ) 可以用来表征纤维束断裂过程的基本特征。但要对其进 行必要的修正【l “。 另外，纤维的强度越大，纤维断裂时的回缩也就越大，因此，可以通过对 断裂纤维束头端状态进行观察，来定性判断纤维束的弱节情况。 通过束纤维拉伸曲线求断裂强度分布的问题还没解决，只能由束纤维拉伸 曲线来估计弹性纤维的平均断裂强度及其离散值9 b 1 。 第帝q l 吾 1 4 2 形态弱节 顾名思义，形态弱节就是通过扫描电子显微镜( s e m ) 观察所得的纤维的细 节，细颈和畸变部位等。形态弱节可以较为直接地表达纤维弱节产生的原因而 且很有可能成为导致纤维弱节的直接原因。但形态弱节与弱节并非一致，因为 外观的缺陷并不一定导致内部结构的损伤，同样地，有些纤维的内部结构存在 缺陷，但形态观察无法表达。 形态弱节的表征方法可清楚地显示纤维几何形态畸变的弱节特征，并研究 弱节的特征分类，对纤维弱节进行定性的分析。例如，研究梳理、染色【1 8 j 等工 艺对纤维弱节形式以及数量的影响，是菲常有效的。但形态弱节毕竟只是外观 的缺陷，并非纤维弱节的本质，应与其它弱节测量方法结合起来使用。 如何将纤维形态弱节与力学j 受5 量结合起来，特别是针对弱节处的同步观测， 并建立形态弱节与其力学行为一一对应的关系，这方面的研究较少。如p e l t o n ， w 1 1 9 1 和r o e p e r , k ，1 2 0 1 等人所做的研究，大多为于伟东的工作川。 1 4 3 结构弱节 结构弱节的内涵是纤维内部分子的聚集方式和微结构块的组合排列形式的 异常化【1 ，是纤维弱节的本质。由于结构弱节的小概率，不观确性，可变性， 造成了结构弱节表征的困难性，因而，相关的研究也很少，往往以缺陷，孔洞， 低密度，弱交联键等( 2 1 1 一笔带过。 拉断一根纤维，并将其头端制样，研究它的断裂端特征，是结构研究常用 的方法【2 2 t 2 。但人们很少将其与纤维力学行为一一对应的进行比较和观察| 2 4 1 。 最近，于伟东做了一些报道【2 5 | 2 6 1 。 对纤维断裂端特征的研究，已有过很多报道1 2 7 2 8 1 ，并有过对纤维断裂端进 行细化分类的【2 9 1 。 对纤维拉伸，并记录其拉伸曲线，然后分别观察它们断裂端的特征，并与 纤维的拉伸曲线对应起来，这方面的工作主要出于伟东所做l l a l 。实测结果表明， 纤维结构弱节特征与其拉伸曲线有着良好的对应关系，纤维断口的形态以及与 力学行为的对应分析可以成为表征纤维结构弱节可行、有效的方法。 以上只是对纤维弱节的分类及其相应的表征方法做了一个概述。具体的操 作方法及结果在后面几章中分别有详细的讨论。 6 第一章引言 1 5 现有弱节表达理论的局限 ( 1 ) 认为纤维为均匀结构，典型例子就是纤维的细节和最细直径是纤维的强 度最小点。 ( 2 ) 认为纤维弱节位置不发生变化，典型的例子就是用s e m 观察纤维的裂纹 和断裂过程 3 0 1 。 ( 3 ) 认为纤维的弱节就是纤维内的孔洞和其它物质i 3 1 。3 2 】 1 6 本课题研究的意义和主要内容 在一般的概念中，人们关注的大多是纤维的正常结构，而对只占纤维很小 一部分的弱节结构，因为它的低概率和隐蔽性，却关心甚少。而实际情况是， 纤维的很多力学方面性质的优劣，仅仅取决于纤维弱节的性质，所以很有必要 对纤维弱节的形成，表征方法进行研究，特别是在生产上形成一个能方便快速 地评价纤维性能的体系。从而达到控制纤维质量和提高其力学性能的目的。 以弱节结构而不是正常结构或缺陷的定性描述作为研究对象，本课题希望 能对纤维弱节在理论上进行一些研究，特别是对纤维弱节的表征技术形成一个 系统的表述，同时也为今后的实用性研究打下基础。 一 鉴于以上所述，本课题将开展以下几方面的工作： ( 1 ) 求出纤维的强力分布，伸长分布和功分布特征之间的同异性及相互关系， 以及不同纤维力学特征值分布的关系，研究各种纤维断裂特征值的分布形式， 并讨论由这三种分布求出的弱节率的关系。试验中，选取p b o ，n o m e x ，高强 锦纶这三种纤维，对其进行拉伸试验，求出每种纤维的断裂强力，断裂伸长和 断裂功分布，每神纤维做2 0 0 4 0 0 根。 ( 2 ) 建立纤维结构特征与力学特征的关系。对上述纤维，观察其断裂端的形 貌，与它们的力学性质建立对应的关系。由于实验的成功率较低，需拉伸和观 察较多的纤维试样。 ( 3 ) 由纤维的束强曲线得出纤维的断裂伸长率分布，并通过前面的单纤维拉 伸试验来验证比较。同时对p b o ，n o m e x 和锦纶纤维，通过束强曲线，对其强 力的平均值和离散值进行估计，与试实测值进行对比，分析这种预测方法的可 行性。 ( 4 ) 本课题研究的对象是p b o ，n o m e x 和高强锦纶这三种高性能化学纤维。 第章 言参考文献 参考文献 1 于伟东，羊毛纤维弱节结构及其论力学行为的表征，博七后出站报告2 0 0 3 ，上海。a 1 第二章，b ) 第三章 2m e r e d i t h r t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft e x t i l ef i b e r s c h a p t e r14 ：t h ee f f e c t so f v a r i a b i l i t y t 9 5 6 ，x i i ，n o r t h - h o l l a n d p u b l i s h i n g c o m p a n y , 3 0 6 3 2 1 3 j dc o l l i n sa n dm c h a i k i n n o t eo nt h ee f f e c to fn o n u n i f o r m i t yo ft h ec r o s s s e c t i o n a r e a u p o n t h e t e n s i l e b e h a v i o ro f w o o lf i b r e s t e x t r e s j ，1 9 5 5 ，2 5 ，3 5 8 - 3 6 0 4 于伟东纤维弱节的力学特征与判定东华大学学报，2 0 0 3 ，2 9 ( 2 ) ；3 2 3 6 5 m e r e d i t h r t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft e x t i l ef i b e r s c h a p t e r1 4 ：t h ee f f e c t so f v a r i a b i l i t y 1 9 5 6 ，x i i ，n o r t b - h o l i a n dp u b l i s h i n gc o m p a n y , 3 0 6 3 0 8 6p e i r c e f tt e n s i l et e s l gf o rc o a o ny a m s 一“t h ew e a k e s tl i n k ”t h e o r e m so nt h e s t r e n g t ho f l o n g a n do f c o m p o s i t es p e c i m e n s t e x t ，i n s t ，1 9 2 6 ，1 7 ，t 3 5 5 一t 3 6 8 7 k n o x , l j ，j r ，a n dw h i t w e l l ，j c s t u d i e so fb r e a k i n g - s t r e s sd i s t r i b u t i o n s ，p a r ti ：1 节e w e a k l i n k t h e o r ya n d a l t e r n a t e m o d e l s t e x t i l e r e s j ，】9 7 1 ，4 1 ，5 1 0 5 1 7 8 s p e n s e r - s m i t h ，j l j t e x ti n s t ，1 9 4 7 ，3 8 ，2 5 7 9 丁伟东储才元编著。纺织物理2