湖工院纺织材料学讲义第5章 纤维的力学性质

第一节纤维的拉伸性质纤维的拉伸曲线有两种形式，即负荷p－伸长△l曲线和应力σ-应变ε曲线。应力应力σ(N/mm2=MPa)6003000比应力比应力p(N/tex)负荷P负荷P(N)bs0.06a0.2试样长度200.06a0.2Y(σy,Y(σy,εy)Pa纤维密度1.5g/cm300Δla24Δl伸长(mm)00.10.2ε=应变01020ε=应变率(%)N/mm2(即兆帕Mpa)表示。2LbNm(5-3)E(5-10)ppp1Y2Yc2YεεεWPdl(5-11)Wwbpdε(5-13)3棉麻棉麻凯夫拉人造丝钢丝4支点△重锤杆θ指针重锤杆θL上夹头标尺上夹头//下夹头/v一称杆上夹头GG Y显示上夹头处理单元试样力传感器 Y显示上夹头处理单元试样打印绘图仪△l=vt△l=vt下夹头换算单元Y纤维开始受力时，其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸，即键长、键角的变形。拉伸曲线接近直线，基本符合虎克定律。当外力进一步增加，无定型区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向，这时一部分大分子链伸直，紧张的可能被拉断，也有可能从不规则的结晶部分中抽拔出来。次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移，纤维变形比较显著，模量相应逐渐减小，纤维进入屈服区。当错位滑移的纤维大分5子链基本伸直平行时，大分子间距就靠近，分子链间可能形成新的次价键。这时继续拉伸纤维，产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏，进入强化区，表BACBCA(c)(d)(e)比应力(gf比应力(gf/tex)g/denN/tex粘胶纤维醋酯纤维断裂点轨迹增加取向度伸长率(%)6比容(cm3/g)屈服应力(N/屈服应力(N/cm2)初始模量(N/cm2)结晶度(%)P0(P0(cN/dtex)L(cNL(cN/tex)σσ(c/mm2)99°σ(c/mm2σ(c/mm2)P0(cN/dtex)L(cN/tex)7L(cN/L(cN/tex)P0(cN/dtex)σ(c/mm2)富纤棉ε(%)pb(N/tex)35F=nEeNtexde(5-16)Tem为纤维断裂最多时的应变TTfemaxeeminemaxeemin第二节纤维力学性能的时间依赖性ε0σ0σ0σ∞t1PP0Ot1εε3≈ε1ε2Ot1纤维的应力松弛和蠕变是一个性质的两种表现。其主要原因是由于在外力作用下纤维9伸长伸长(%)负荷(cN)伸长伸长(%)定张力温度应力应力(N/mm2)空气相对湿度时间(s)空气相对湿度应力应力(N/mm2)时间(s)ewaaWWbWWWWeWWε3纤维在交变负荷作用下的应力与应变关系及由此表现出来的力学性能特征称为动态力σ0sinδcosωt令cosδ=Esinδ=E''ε0ε0式中E′为动态弹性模量；E''为动态损耗模量。虚数轴′′σ应力-应变矢量图σ虚数轴′′σδ′复模量构成图*EE′′δE′实数轴并由此可得复模量E*为：E*=E′+iE′′(5-23)动态损耗为：tg(5-24)纤维动态力学性质的时间依赖性表现为其动态力学性质指标E*、E′、E''和tgδ是交变负荷频率(即时间)的函数。象一般光谱图一样，力学内耗峰的位置和形状是有其“指纹”lgE′tgδElgE′lgδE′′描述粘弹性力学性能的基本元件有二个，在线性粘弹性理论中，一个是虎克弹簧，另σ>E>>>(a)虎克弹簧模型ηTεσ00ησ为常数(b)牛顿粘壶模型将虎克弹簧和牛顿粘壶串联，可以用来模拟应力松弛σε1σε1σ0εε1ηε1ηoστtσ虎克弹簧和牛顿粘壶并联就是伏欧脱模型，它可以用来描述纤维高聚物的蠕变和蠕变εEEη0.633EEσtτkt1t三元件模型由两个虎克弹簧和一个牛顿粘壶组成，有两种排列方式，但它们是互为等E1ηE2ησE1E2E1ησεEEEEEσσcacaOO(a)(b)(c)疲劳破坏有两种形式。一种是指纤维材料在一不大的恒定拉伸力作用下，开始时纤维材料迅速伸长，然后伸长逐步缓慢，最后趋于不明显，到达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。这是由于蠕变过程中，外力对材料不断作功，直至材料被破坏，也称为静负荷的反复循环作用，因为塑性变形的逐渐积累，纤维内部的局部损伤，形成裂痕，最后σε1ε2ddcεOcεOeeP(a)定负荷P0=constP(a)定负荷P0=constPaaP0abε0=constbbeOOeOOεεε每次拉伸最大力每次拉伸最大力σc第三节纤维的弯曲、