5纤维的力学性质.ppt

第五章纤维力学性质,第一节单纤维拉伸性质测试标准的重要性标准测试条件举例指标体系典型拉伸曲线分析常见纺织纤维拉伸曲线常见纤维拉伸性质指标纤维拉伸机理及影响拉伸性的因素拉伸性能测试纤维拉伸破坏形态,1.1测试标准的重要性（1）材料力学性质取决于组成该材料的分子排列，在不同纤维种类、同类纤维不同样本、或者同样本不同环境条件都会引起被测力学性质指标的差异，必须标准化测试环境；（2）不同横截面或不同长度纤维由于弱环(或称为缺陷)存在的几率不一样，对于纤维材料在横截面不能标准化前提下，必须标准化纤维待测区段长度；（3）纺织纤维是高分子粘弹性材料，受力变形曲线不是严格的一一对应单质函数曲线，取决于加载历史和加载方式，必须标准化加载条件；（4）纤维间性质差异性，要取得统计意义上的平均值，必须有足够的纤维根数。Back,1.2标准测试条件举例环境条件：Temperature:203;Relativehumidity(R.H.):655%Back,1.3指标体系断裂强力；断裂强度；断裂伸长率1.3.1断裂强力（绝对强力）P是纤维能够承受的最大拉伸外力。单位：牛顿（N）；厘牛（cN）；克力（gf）。对不同粗细的纤维，强力没有可比性。,1.3.2强度用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标。根据采用线密度指标不同，强度指标有以下几种：（1）比强度（相对强度）(specificstrength或tenacity)是指每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。单位为：N/tex（cN/dtex）；N/d（cN/d）；gf/dtex。其计算式为：式中：Ptex特数制断裂强度（N/tex；cN/dtex；gf/dtex）；Pden旦数制断裂强度（N/d；cN/d；gf/d）；P纤维的强力（N；cN；gf）；Ntex纤维的特数（tex，dtex）；Nden纤维的旦数（d）。,（2）断裂应力（强度极限）指纤维单位截面上能承受的最大拉力。单位为N/mm2（即MPa）。其计算式为：式中：纤维的断裂应力（MPa）；P纤维的强力（N）；S纤维的截面积（mm2）。,（3）断裂长度（Lp）是指纤维的自身重量与其断裂强力相等时所具有的长度。即一定长度的纤维，其重量可将自身拉断，该长度即为断裂长度。其计算公式为：式中：Lp纤维的断裂长度（km）；P纤维的强力（N）；g重力加速度（等于9.8m/s2）；Nm纤维的公制支数。,纤维强度的三个指标之间的换算式为：式中：纤维的密度（g/cm3）；Ptex纤维的特数制断裂强度（gf/tex）；Pden纤维的旦数制断裂强度（gf/d）；g重力加速度（等于9.8m/s2）；LR纤维的断裂长度（km）。可以看出，相同的断裂长度和断裂强度，其断裂应力随纤维的密度而异，只有当纤维密度相同时，断裂长度和断裂强度才具有可比性。,1.3.3断裂伸长率,1.3.4其他指标（1）模量（刚度）：材料在低载荷时抵抗变形的能力，载荷伸长曲线(或应力应变曲线)起始直线段斜率。量纲：cN/dtex，g/den，Pa(Mpa，GPa)式中：E初始模量（N/tex）；PM点的负荷（N）；LM点的伸长（mm）；L试样拉伸测试区段（mm）；Ntex试样线密度（tex）。,（2）屈服点确定：,（3）功WorkBack,1.4典型拉伸曲线分析OO：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直；OM：（虎克区）大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹簧；QS：（屈服区）大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易回复，模量相应也逐渐变小；SA：（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的横向结合力有所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。Q：屈服点；A：断裂点。Back,1.5常见纺织纤维拉伸曲线,拉伸曲线可分为三类：（1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线（棉、麻等纤维素纤维）拉伸曲线近似直线，斜率较大（主要是纤维的取向度、结晶度、聚合度都较高的缘故）；（2）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线（羊毛、醋酯纤维等）表现为模量较小，屈服点低和强力不高；（3）初始模量介于1.2之间的拉伸曲线（涤纶、锦纶、蚕丝等纤维）。Back,1.6常见纤维的有关拉伸性质指标,1.7纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能的因素1.7.1纤维断裂原因：大分子主链的断裂；大分子之间的滑脱。1.7.2影响纤维拉伸性能的因素（一）内因：（1）大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）：纤维的断裂取决于大分子的相对滑移和分子链的断裂两个方面。大分子的平均聚合度，大分子结合力，容易产生滑移，则纤维强度较低而伸度较大；反之，大分子的平均聚合度，大分子结合力，不易产生滑移，所以纤维的强度就较高而伸度较小。例如：,在不同拉伸倍数下粘胶纤维聚合度对纤维强力的影响,开始时，纤维的强度随聚合度增大而增加，但当聚合度增加到一定值时，再继续增大时，纤维的强度就不再增加。因为，此时断裂强度已达到了足以使分子链断裂的程度，再增加聚合度对纤维的强度就不再其作用。,（2）超分子结构（取向度、结晶度）例如：（见下页）由图可见，随着取向度的增加，粘胶纤维断裂点的强度增加，断裂伸长率降低。,（3）形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性）等。,（二）外因：（1）温湿度：空气的温湿度影响到纤维的温湿度和回潮率，从而影响纤维的强伸度。温度对各种纤维的影响虽然不一致，但都具有一般规律：在纤维回潮率一定的条件下，温度高，纤维大分子热动能高，大分子柔曲性提高，分子间结合力消弱，因此，纤维强度降低，断裂伸长率增大，拉伸模量下降。,几种常见的应力应变曲线于相对湿度间的关系：,多数纤维随相对湿度的提高，纤维中所含水分增多，分子间结合力越弱，结晶区越松散，因此纤维的强度降低，伸长增大、初始模量下降。但天然纤维素棉、麻的断裂强度和断裂伸长却随相对湿度的提高而上升。化学纤维中，涤纶、丙纶基本不吸湿，它们的强度和伸长率几乎不受相对湿度的影响。相对湿度对纤维强度与伸长度的影响，视各自吸湿性能的强弱而不同，吸湿能力越大的，影响较显著，吸湿能力小的，影响不大。（2）测试条件：a.试样长度：L，出现弱环的机会；b.试样根数：根数，折算成单纤维强度；c.拉伸速度：v，强力，E。Back,1.8纤维拉伸性能的测试用于测定纤维拉伸断裂性质的仪器称做断裂强力仪。根据断裂强力仪结构特点的不同，主要可分为三种类型：摆锥式强力仪、秤杆式强力仪、电子强力仪。现主要介绍电子强力仪。例如，INSTRON断裂强力仪如图：,仪器拉伸试样的速度在0.00050.5m/min之间。仪器还可以进行卸载过程的试验，并且记录滞后圈。新型的INSTRON断裂强力仪带有计算处理程序，可以处理测试结果，记录并积累普通的统计量指标（平均数、变异系数、试验误差等）。Back,1.9纤维破坏形态目前对纤维拉伸失效过程的理解已相当成熟。例如：由HearleandCross发现的尼龙纤维的破坏形态：,NylonfibrebrokeninatensiletestBreakinprogressinacoarsenylonbristle,Breakagezonesinnylonbristle,破坏分五个区域：A起始，B延伸，C滑移，D裂纹快速增加，E最终破坏。,第二节束纤维的拉伸性能,静态性能1摩擦机理2纤维的摩擦、抱合合切向阻力3纤维摩擦抱合性质的指标与测试4切向阻抗系数的测定5影响切向阻抗系数的因素动态性能1试验装置图2测试原理示意图3碳纤维冲击拉伸下的断口形态及断裂机理,静态性能主要有纤维间的摩擦和抱合性能。纤维的摩擦抱合性质与可纺性、织物的手感、起毛起球、耐磨和抗皱等有关。与纺纱工艺的关系：摩擦现象贯穿于整个纺纱过程；与纱、布关系：有了摩擦力，纱、布才具有一定服用价值；与磨损的关系：纤维、机件被磨损，降低了使用价值；与发热的关系：高速缝纫可能达300，使缝针弯曲，缝线熔融；与静电的关系：摩擦起静电，静电聚集，干扰纺纱工艺正常进行，特别是化纤。,摩擦机理糙面学说；分子学说；焊接学说,纤维的摩擦、抱合和切向阻力（1）抱合力F1纤维间在法向压力为零时，做相对滑动时产生的切向阻力。（因为纤维具有卷曲、转曲、鳞片、表面粗糙凹凸不平，且细长柔软；纤维必须具有一定的抱合力，棉卷、棉条才具有一定强力，纺纱工艺才能顺利进行。）,（2）摩擦力F2纤维之间或纤维与机件之间，在一定正压力作用下，作相对滑动时所产生的阻力。切向阻力F抱合力F1摩擦力F2切向阻抗系数：,纤维摩擦抱合性质的指标与测试,1）抱合力的指标与测定抱合系数h(cN/cm)单位长度纤维上的抱合力。测试方法：从没有法向压力的纤维条中夹取一根纤维，测定出这根纤维所需的力F1（cN，即抱合力）和纤维的长l（cm）的比值。抱合长度Lk（m）方法：将纤维制成一定规格的没有法向压力的纤维条，在强力仪上以大于纤维长度的适当上下夹持距离拉断，测得它的强力和纤维条的特数。式中：F1纤维条的强力（N）；Ntex纤维条的特数（tex）；g重力加速度（9.8m/s2）。,（2）影响纤维抱合力的因素：纤维的几何形态（表面结构、纤维长度、卷曲度）；排列形状；纤维弹性；表面油剂；温湿度。纤维卷曲或转曲多，细长而较柔软抱合力较大。,切向阻抗系数的测定,绞盘法测定纤维与纤维，纤维与金属、陶瓷等其它材料间摩擦的切向阻抗系数。Y151型摩擦系数测定仪。其工作原理如图。根据所加固定张力The测得的P，可以按下式计算县委的切向阻抗系数：所以：,该仪器可以调节辊轴的回转速度，以测得各种不同速度下的动摩擦得切向阻力系数d。如果使辊轴不回转，开启天平，旋转指针，观察纤维在辊轴上开始滑动时，扭力天平的读数，可以计算静摩擦得切向阻抗系数s。一般是，静态切向阻抗系数大于动态切向阻抗系数。它们的大小和两者差值影响着纤维德手感。s大，且与d差值也大得纤维，手感硬而涩；反之，s小，且与d差值也小得纤维，手感柔软。如果sd，则纤维手感软而滑腻。,影响切向阻抗系数的因素,（1）纤维表面的性质截面为非圆形的纤维的圆形光滑合纤的，如：棉、粘胶、羊毛、粘纤（实际接触面积小）；易变形纤维的不易变形纤维的；无捻长丝的加捻长丝或短纤纱的。（2）化纤油剂的影响化纤不上油，干摩擦时大；上油少（油膜在纤维表面形成单分子层）；上油多（属液体摩擦，与油的粘度有关）。与上油量有关在一定范围内，量，；超过一定量后，量，。油剂不仅可降低纤维比电阻，改善抗静电性能，还能增进纤维间抱合，增加平滑，降低纤维表面的。（3）法向压力的影响,（4）导纱面光滑程度的影响，分两种不同情况：天然纤维，粘纤，异纤导纱面光滑程度，则；圆形，表面光滑的纤维导纱面光滑到一定程度后，则。可采用以TiO2为主的陶瓷来减少（其表面具有一定的粗糙度）。（5）滑动速度与初张力的影响滑动速度：由静到动，而后v。到一定的v时稳定。合纤在低速时，存在粘滑现象，变化较大。一般测动，希望3m/min以上。初张力：张力。张力，正压力，但F正压力，。（6）温湿度的影响温度：T变化油剂变化纤维性能变化T；到一定数值时，T。湿度：RH%，则（v，E）RH%=100%时，最大。（接触面积）在水中，则水RH%=100%。加工中RH%必须加以控制，太湿，加工困难；太干，发脆。,动态性能,由于纤维材料固有的粘弹性本质和/或不同加载速度条件下的变形和破坏机制的不同，在冲击载荷作用下其力学性能会发生不同程度的应变率效应，即拉伸应力应变本构关系随应变率的不同而不同。材料在弹道侵彻和碰撞时一般要经受断裂时间在50-150s，应变率在500-1500s-1范围的瞬态冲击。由于加载机制的不同，普通的力学性能试验机无法产生瞬态高应变率的加载载荷。分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置是有效的产生应变率水平在103s-1左右的冲击装置，加上纤维束试样的大长径比和短的试样长度能够基本保证该装置的一维应力波传递和应力应变在试样内是近似均匀的设计原理要求，自从Kawata和Harding之后，Hopkinson杆冲击装置是目前普遍采用的纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能测试装置。SHPB装置是国际上目前普遍采用的用来测试纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能的测试装置。,试验装置图,利用一维弹性应力波理论的二波或三波公式计算材料的动态压缩或拉伸性能：应力应变曲线、应力时间曲线、应变时间曲线和应变率时间曲线。,测试原理示意图,依据一维应力波理论及试件中应力、应变均匀性假设，可导出应力、应变和应变率方程：其中：C为弹性波在杆中的波速，l0为试件试验段的原长（即两夹持口纤维长度），i(t)、r(t)、t(t)分别为作用在试件上的入射波、反射波和透射波的应变值，A和As分别为杆和试样的初始横截面积，E为杆的模量。,上述三公式称为三波处理公式，又因为在大多数情况下，输入杆和输出杆均采用材料相同、截面积相等的两根杆子，根据均匀假定，则有irt，所以三波处理公式简化为下式：上述三公式称为二波处理公式。通过上述公式，根据记录到的应变信号便可得到冲击载荷下的应力时间、应变时间、应力应变及应变率时间曲线。,例如对碳纤维束在三种不同应变率的拉伸曲线，其应变率分别为：1500/s，2000/s，3000/s，下图为同一应变率下碳纤维束的应力应变曲线。,碳纤维冲击拉伸下的断口形态及断裂机理,碳纤维束的力学性能与应变率基本上是不相关的，随着应变率的增大，碳纤维束的初始模量、破坏应力及其失稳应变都变化不大。因此碳纤维束在力学性能上是不敏感材料。碳纤维束的破坏断口与冲击拉伸