纖維的力學(xué)性質(zhì)PPT課件

1、 1.1測試標(biāo)準(zhǔn)的重要性 （1）材料力學(xué)性質(zhì)取決于組成該材料的分子排列，在不同纖維種類、同類纖維不同樣本、或者同樣本不同環(huán)境條件都會(huì)引起被測力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的差異，必須標(biāo)準(zhǔn)化測試環(huán)境； （2）不同橫截面或不同長度纖維由于弱環(huán) (或稱為缺陷)存在的幾率不一樣，對(duì)于纖維材料在橫截面不能標(biāo)準(zhǔn)化前提下，必須標(biāo)準(zhǔn)化纖維待測區(qū)段長度； （3）紡織纖維是高分子粘彈性材料，受力變形曲線不是嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)單質(zhì)函數(shù)曲線，取決于加載歷史和加載方式，必須標(biāo)準(zhǔn)化加載條件； （4）纖維間性質(zhì)差異性，要取得統(tǒng)計(jì)意義上的平均值，必須有足夠的纖維根數(shù)。 Back第1頁/共55頁 1.2標(biāo)準(zhǔn)測試條件舉例 環(huán)境條件：Temperatu

2、re: 203; Relative humidity (R.H.): 655% Back第2頁/共55頁 1.3指標(biāo)體系 斷裂強(qiáng)力；斷裂強(qiáng)度；斷裂伸長率 斷裂強(qiáng)力（絕對(duì)強(qiáng)力）P 是纖維能夠承受的最大拉伸外力。單位：牛頓（N）；厘牛（cN）；克力（gf）。 對(duì)不同粗細(xì)的纖維，強(qiáng)力沒有可比性。第3頁/共55頁 強(qiáng)度 用以比較不同粗細(xì)纖維的拉伸斷裂性質(zhì)的指標(biāo)。 根據(jù)采用線密度指標(biāo)不同，強(qiáng)度指標(biāo)有以下幾種： （1）比強(qiáng)度（相對(duì)強(qiáng)度）(specific strength 或tenacity)是指每特（或每旦）纖維所能承受的最大拉力。 單位為：N/tex（cN/dtex）；N/d（cN/d）；gf/dte

3、x。 其計(jì)算式為： 式中：Ptex特?cái)?shù)制斷裂強(qiáng)度（N/tex；cN/dtex；gf/dtex）； Pden旦數(shù)制斷裂強(qiáng)度（N/d；cN/d；gf/d）； P纖維的強(qiáng)力（N；cN；gf）； Ntex 纖維的特?cái)?shù)（tex，dtex）； Nden纖維的旦數(shù)（d）。dendentextexNPPNPP/第4頁/共55頁 （2）斷裂應(yīng)力（強(qiáng)度極限）指纖維單位截面上能承受的最大拉力。 單位為N/mm2（即MPa）。 其計(jì)算式為： 式中：纖維的斷裂應(yīng)力（MPa）； P纖維的強(qiáng)力（N）； S纖維的截面積（mm2）。SP第5頁/共55頁 （3）斷裂長度（Lp）是指纖維的自身重量與其斷裂強(qiáng)力相等時(shí)所具有的長度。

4、即一定長度的纖維，其重量可將自身拉斷，該長度即為斷裂長度。 其計(jì)算公式為： 式中：Lp纖維的斷裂長度（km）； P纖維的強(qiáng)力（N）； g重力加速度（等于9.8m/s2）； Nm纖維的公制支數(shù)。mpNgPL第6頁/共55頁 纖維強(qiáng)度的三個(gè)指標(biāo)之間的換算式為： 式中：纖維的密度（g/cm3）； Ptex纖維的特?cái)?shù)制斷裂強(qiáng)度（gf/tex）； Pden纖維的旦數(shù)制斷裂強(qiáng)度（gf/d）； g重力加速度（等于9.8m/s2）； LR纖維的斷裂長度（km）。 可以看出，相同的斷裂長度和斷裂強(qiáng)度，其斷裂應(yīng)力隨纖維的密度而異，只有當(dāng)纖維密度相同時(shí)，斷裂長度和斷裂強(qiáng)度才具有可比性。texNdgGPgPgPLPP

5、PPadentexpdentexdentex33.119/99第7頁/共55頁 斷裂伸長率%10000LLL第8頁/共55頁 其他指標(biāo)（1）模量（剛度）：材料在低載荷時(shí)抵抗變形的能力，載荷伸長曲線(或應(yīng)力應(yīng)變曲線)起始直線段斜率。 量綱：cN/dtex，g/den，Pa(Mpa，GPa) 式中：E初始模量（N/tex）； PM點(diǎn)的負(fù)荷（N）； LM點(diǎn)的伸長（mm）； L試樣拉伸測試區(qū)段（mm）； Ntex試樣線密度（tex）。texNLLPE第9頁/共55頁（2）屈服點(diǎn)確定： 第10頁/共55頁第11頁/共55頁（3）功Work Back第12頁/共55頁 1.4典型拉伸曲線分析 OO：表示拉

6、伸初期未能伸直的纖維由卷曲逐漸伸直； OM：（虎克區(qū)）大分子鏈鍵長和鍵角的變化，外力去除變形可回復(fù)，類似彈簧； QS：（屈服區(qū)）大分子間產(chǎn)生相對(duì)滑移，在新的位置上重建連接鍵。變形顯著且不易回復(fù)，模量相應(yīng)也逐漸變?。?SA：（增強(qiáng)區(qū)）錯(cuò)位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠攏，使大分子間的橫向結(jié)合力有所增加，形成新的結(jié)合鍵，曲線斜率增大直至斷裂。 Q：屈服點(diǎn)； A：斷裂點(diǎn)。 Back第13頁/共55頁 1.5常見紡織纖維拉伸曲線第14頁/共55頁 拉伸曲線可分為三類： （1）強(qiáng)力高，伸長率很小的拉伸曲線（棉、麻等纖維素纖維）拉伸曲線近似直線，斜率較大（主要是纖維的取向度、結(jié)晶度、聚合度都較高的緣故）

7、；（2）強(qiáng)力不高，伸長率很大的拉伸曲線（羊毛、醋酯纖維等）表現(xiàn)為模量較小，屈服點(diǎn)低和強(qiáng)力不高；（3）初始模量介于1.2之間的拉伸曲線（滌綸、錦綸、蠶絲等纖維）。 Back第15頁/共55頁1.6常見纖維的有關(guān)拉伸性質(zhì)指標(biāo)第16頁/共55頁纖維品種纖維品種斷裂強(qiáng)度（斷裂強(qiáng)度（N/tex）鉤接強(qiáng)度鉤接強(qiáng)度（N/tex）斷裂伸長率斷裂伸長率（%）初始模量初始模量（N/tex）定伸長定伸長回彈率（回彈率（%）（伸長（伸長3%）干態(tài)干態(tài)濕態(tài)濕態(tài)干態(tài)干態(tài)濕態(tài)濕態(tài)滌滌綸綸高強(qiáng)低伸高強(qiáng)低伸型型0.53-0.620.53-0.620.35-0.4418- 2818- 286.17-7.9497普通型普通型0.4

8、2-0.520.42-0.520.35-0.4430- 4530- 454.41- 6.17錦綸錦綸60.38-0.620.33-0.530.31-0.4925- 5527- 580.71- 2.65100腈綸腈綸0.25-0.400.22-0.350.16-0.2225- 5025- 602.65- 5.2989- 95維綸維綸0.44-0.510.35-0.430.28-0.3515- 2017- 232.21- 4.4170- 80丙綸丙綸0.40-0.620.40-0.620.35-0.6230- 6030- 601.76- 4.8596- 100氯綸氯綸0.22-0.350.22-0

9、.350.16-0.2220- 4020- 401.32- 2.2170- 85粘纖粘纖0.18-0.260.11-0.160.06-0.1316- 2221- 293.53- 5.2955- 80富纖富纖0.31-0.400.25-0.290.05-0.069- 1011- 137.06- 7.9460- 85醋纖醋纖0.11-0.140.07-0.090.09-0.1225- 3535- 502.21- 3.5370- 90棉棉0.18-0.310.22-0.407- 126.00- 8.2074（伸長（伸長2%）綿羊毛綿羊毛0.09-0.150.07-0.1425- 3525- 502.

10、12- 3.0086- 93家蠶絲家蠶絲0.26-0.350.19-0.2515- 2527- 334.4154- 55（伸長（伸長5%）苧麻苧麻0.49-0.570.51-0.680.40-0.411.5- 2.32.0- 2.417.64- 22.0548（伸長（伸長2%）氨綸氨綸0.04-0.090.03-0.09450- 80095- 99（伸長（伸長50%）第17頁/共55頁 1.7纖維拉伸斷裂機(jī)理及影響纖維拉伸性能的因素纖維斷裂原因：大分子主鏈的斷裂；大分子之間的滑脫。影響纖維拉伸性能的因素（一）內(nèi)因：（1）大分子結(jié)構(gòu)（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）：纖維的斷裂取決于大分子的相對(duì)

11、滑移和分子鏈的斷裂兩個(gè)方面。大分子的平均聚合度，大分子結(jié)合力，容易產(chǎn)生滑移，則纖維強(qiáng)度較低而伸度較大；反之，大分子的平均聚合度，大分子結(jié)合力，不易產(chǎn)生滑移，所以纖維的強(qiáng)度就較高而伸度較小。例如：第18頁/共55頁 在不同拉伸倍數(shù)下粘膠纖維聚合度對(duì)纖維強(qiáng)力的影響 第19頁/共55頁 開始時(shí)，纖維的強(qiáng)度隨聚合度增大而增加，但當(dāng)聚合度增加到一定值時(shí)，再繼續(xù)增大時(shí)，纖維的強(qiáng)度就不再增加。因?yàn)椋藭r(shí)斷裂強(qiáng)度已達(dá)到了足以使分子鏈斷裂的程度，再增加聚合度對(duì)纖維的強(qiáng)度就不再其作用。 第20頁/共55頁 （2）超分子結(jié)構(gòu)（取向度、結(jié)晶度） 例如：（見下頁） 由圖可見，隨著取向度的增加，粘膠纖維斷裂點(diǎn)的強(qiáng)度增加，

12、斷裂伸長率降低。第21頁/共55頁 （3）形態(tài)結(jié)構(gòu)（裂縫孔洞缺陷、形態(tài)結(jié)構(gòu)、不均一性）等。 第22頁/共55頁（二）外因： （1）溫濕度：空氣的溫濕度影響到纖維的溫濕度和回潮率，從而影響纖維的強(qiáng)伸度。 溫度對(duì)各種纖維的影響雖然不一致，但都具有一般規(guī)律：在纖維回潮率一定的條件下，溫度高，纖維大分子熱動(dòng)能高，大分子柔曲性提高，分子間結(jié)合力消弱，因此，纖維強(qiáng)度降低，斷裂伸長率增大，拉伸模量下降。第23頁/共55頁第24頁/共55頁 幾種常見的應(yīng)力應(yīng)變曲線于相對(duì)濕度間的關(guān)系： 第25頁/共55頁 多數(shù)纖維隨相對(duì)濕度的提 高，纖維中所含水分增多，分子間結(jié)合力越弱，結(jié)晶區(qū)越松散，因此纖維的強(qiáng)度降低，伸長增

13、大、初始模量下降。但天然纖維素棉、麻的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長卻隨相 對(duì)濕度的提高而上升?；瘜W(xué)纖維中，滌綸、丙綸基本不吸濕，它們的強(qiáng)度和伸長率幾乎不受相對(duì)濕度的影響。相對(duì)濕度對(duì)纖維強(qiáng)度與伸長度的影響，視各自吸濕性能 的強(qiáng)弱而不同，吸濕能力越大的，影響較顯著，吸濕能力小的，影響不大。 （2）測試條件：a.試樣長度：L，出現(xiàn)弱環(huán)的機(jī)會(huì)；b.試樣根數(shù)：根數(shù)，折算成單纖維強(qiáng)度；c.拉伸速度：v，強(qiáng)力，E。 Back第26頁/共55頁 1.8纖維拉伸性能的測試用于測定纖維拉伸斷裂性質(zhì)的儀器稱做斷裂強(qiáng)力儀。根據(jù)斷裂強(qiáng)力儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，主要可分為三種類型：擺錐式強(qiáng)力儀、秤桿式強(qiáng)力儀、電子強(qiáng)力儀?，F(xiàn)主要介紹電子強(qiáng)

14、力儀。例如，INSTRON斷裂強(qiáng)力儀如圖：第27頁/共55頁第28頁/共55頁 儀器拉伸試樣的速度在0.00050.5m/min之間。儀器還可以進(jìn)行卸載過程的試驗(yàn)，并且記錄滯后圈。新型的INSTRON斷裂強(qiáng)力儀帶有計(jì)算處理程序，可以處理測試結(jié)果，記錄并積累普通的統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)（平均數(shù)、變異系數(shù)、試驗(yàn)誤差等）。 Back第29頁/共55頁 1.9纖維破壞形態(tài) 目前對(duì)纖維拉伸失效過程的理解已相當(dāng)成熟。例如：由Hearle and Cross發(fā)現(xiàn)的尼龍纖維的破壞形態(tài)： Nylon fibre broken in a tensile test Break in progress in a coarse n

15、ylon bristle 第30頁/共55頁Breakage zones in nylon bristle 破壞分五個(gè)區(qū)域：A起始，B延伸，C滑移，D裂紋快速增加，E最終破壞。第31頁/共55頁第二節(jié)束纖維的拉伸性能 靜態(tài)性能1 摩擦機(jī)理2 纖維的摩擦、抱合合切向阻力3 纖維摩擦抱合性質(zhì)的指標(biāo)與測試4 切向阻抗系數(shù)的測定5 影響切向阻抗系數(shù)的因素 動(dòng)態(tài)性能1 試驗(yàn)裝置圖2 測試原理示意圖3 碳纖維沖擊拉伸下的斷口形態(tài)及斷裂機(jī)理第32頁/共55頁 靜態(tài)性能主要有纖維間的摩擦和抱合性能。纖維的摩擦抱合性質(zhì)與可紡性、織物的手感、起毛起球、耐磨和抗皺等有關(guān)。與紡紗工藝的關(guān)系：摩擦現(xiàn)象貫穿于整個(gè)紡紗過程

16、；與紗、布關(guān)系：有了摩擦力，紗、布才具有一定服用價(jià)值；與磨損的關(guān)系：纖維、機(jī)件被磨損，降低了使用價(jià)值；與發(fā)熱的關(guān)系：高速縫紉可能達(dá)300，使縫針彎曲，縫線熔融；與靜電的關(guān)系：摩擦起靜電，靜電聚集，干擾紡紗工藝正常進(jìn)行，特別是化纖。第33頁/共55頁 摩擦機(jī)理糙面學(xué)說；分子學(xué)說；焊接學(xué)說第34頁/共55頁 纖維的摩擦、抱合和切向阻力 （1）抱合力F1纖維間在法向壓力為零時(shí)，做相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的切向阻力。（因?yàn)槔w維具有卷曲、轉(zhuǎn)曲、鱗片、表面粗糙凹凸不平，且細(xì)長柔軟；纖維必須具有一定的抱合力，棉卷、棉條才具有一定強(qiáng)力，紡紗工藝才能順利進(jìn)行。）第35頁/共55頁 （2）摩擦力F2纖維之間或纖維與機(jī)件之間

17、，在一定正壓力作用下，作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力。 切向阻力F抱合力F1摩擦力F2切向阻抗系數(shù)：fNFuN1fNFu1第36頁/共55頁纖維摩擦抱合性質(zhì)的指標(biāo)與測試 1）抱合力的指標(biāo)與測定 抱合系數(shù)h(cN/cm)單位長度纖維上的抱合力。 測試方法：從沒有法向壓力的纖維條中夾取一根纖維，測定出這根纖維所需的力F1（cN，即抱合力）和纖維的長l（cm）的比值。 抱合長度Lk（m） 方法：將纖維制成一定規(guī)格的沒有法向壓力的纖維條，在強(qiáng)力儀上以大于纖維長度的適當(dāng)上下夾持距離拉斷，測得它的強(qiáng)力和纖維條的特?cái)?shù)。 式中：F1纖維條的強(qiáng)力（N）； Ntex纖維條的特?cái)?shù)（tex）； g重力加速度（9.8m/s2

18、）。lFh16110texkNgFL第37頁/共55頁 （2）影響纖維抱合力的因素：纖維的幾何形態(tài)（表面結(jié)構(gòu)、纖維長度、卷曲度）；排列形狀；纖維彈性；表面油劑；溫濕度。 纖維卷曲或轉(zhuǎn)曲多，細(xì)長而較柔軟抱合力較大。纖維種類纖維種類纖維線密纖維線密度度(dtex)纖維長度纖維長度(mm)20C時(shí)時(shí)的抱的抱合長合長度度(mgf/tex)羊毛羊毛直徑直徑23m 55 30 滌綸滌綸 4.4 70 65 腈綸腈綸 3.85 90 47錦綸錦綸 3.3 70 95第38頁/共55頁切向阻抗系數(shù)的測定 絞盤法測定纖維與纖維，纖維與金屬、陶瓷等其它材料間摩擦的切向阻抗系數(shù)。 Y151型摩擦系數(shù)測定儀。其工作原

19、理如圖。根據(jù)所加固定張力The測得的P，可以按下式計(jì)算縣委的切向阻抗系數(shù)： 所以：ePTTPTTPTTelog7331. 0loglog1第39頁/共55頁 該儀器可以調(diào)節(jié)輥軸的回轉(zhuǎn)速度，以測得各種不同速度下的動(dòng)摩擦得切向阻力系數(shù)d。如果使輥軸不回轉(zhuǎn)，開啟天平，旋轉(zhuǎn)指針，觀察纖維在輥軸上開始滑動(dòng)時(shí)，扭力天平的讀數(shù)，可以計(jì)算靜摩擦得切向阻抗系數(shù)s。 一般是，靜態(tài)切向阻抗系數(shù)大于動(dòng)態(tài)切向阻抗系數(shù)。它們的大小和兩者差值影響著纖維德手感。s大，且與d差值也大得纖維，手感硬而澀；反之，s小，且與d差值也小得纖維，手感柔軟。如果sd，則纖維手感軟而滑膩。第40頁/共55頁影響切向阻抗系數(shù)的因素 （1）纖維

20、表面的性質(zhì) 截面為非圓形的纖維的圓形光滑合纖的，如：棉、粘膠、羊毛、粘纖（實(shí)際接觸面積?。?； 易變形纖維的不易變形纖維的； 無捻長絲的加捻長絲或短纖紗的。 （2）化纖油劑的影響 化纖不上油，干摩擦?xí)r大； 上油少（油膜在纖維表面形成單分子層）； 上油多（屬液體摩擦，與油的粘度有關(guān)）。 與上油量有關(guān)在一定范圍內(nèi)，量，；超過一定量后，量，。 油劑不僅可降低纖維比電阻，改善抗靜電性能，還能增進(jìn)纖維間抱合，增加平滑，降低纖維表面的。 （3）法向壓力的影響第41頁/共55頁 （4）導(dǎo)紗面光滑程度的影響，分兩種不同情況： 天然纖維，粘纖，異纖導(dǎo)紗面光滑程度，則； 圓形，表面光滑的纖維導(dǎo)紗面光滑到一定程度后，

21、則。 可采用以TiO2為主的陶瓷來減少（其表面具有一定的粗糙度）。 （5）滑動(dòng)速度與初張力的影響 滑動(dòng)速度：由靜到動(dòng)，而后v。到一定的v時(shí)穩(wěn)定。 合纖在低速時(shí)，存在粘滑現(xiàn)象，變化較大。 一般測動(dòng)，希望3m/min以上。 初張力：張力。 張力，正壓力，但F正壓力，。 （6）溫濕度的影響 溫度：T變化油劑變化纖維性能變化 T；到一定數(shù)值時(shí)，T。 濕度：RH%，則（v，E） RH%=100%時(shí)，最大。（接觸面積） 在水中，則水RH%=100%。 加工中RH%必須加以控制，太濕，加工困難；太干，發(fā)脆。第42頁/共55頁動(dòng)態(tài)性能 由于纖維材料固有的粘彈性本質(zhì)和/或不同加載速度條件下的變形和破壞機(jī)制的不同

22、，在沖擊載荷作用下其力學(xué)性能會(huì)發(fā)生不同程度的應(yīng)變率效應(yīng)，即拉伸應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系隨應(yīng)變率的不同而不同。 材料在彈道侵徹和碰撞時(shí)一般要經(jīng)受斷裂時(shí)間在50-150s，應(yīng)變率在500-1500 s-1范圍的瞬態(tài)沖擊。由于加載機(jī)制的不同，普通的力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)無法產(chǎn)生瞬態(tài)高應(yīng)變率的加載載荷。分離式Hopkinson壓桿（SHPB）裝置是有效的產(chǎn)生應(yīng)變率水平在103 s-1左右的沖擊裝置，加上纖維束試樣的大長徑比和短的試樣長度能夠基本保證該裝置的一維應(yīng)力波傳遞和應(yīng)力應(yīng)變?cè)谠嚇觾?nèi)是近似均勻的設(shè)計(jì)原理要求，自從Kawata和Harding之后，Hopkinson桿沖擊裝置是目前普遍采用的纖維束中、高應(yīng)變率沖擊拉

23、伸力學(xué)性能測試裝置。SHPB裝置是國際上目前普遍采用的用來測試?yán)w維束中、高應(yīng)變率沖擊拉伸力學(xué)性能的測試裝置。第43頁/共55頁試驗(yàn)裝置圖 利用一維彈性應(yīng)力波理論的二波或三波公式計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)壓縮或拉伸性能：應(yīng)力應(yīng)變曲線、應(yīng)力時(shí)間曲線、應(yīng)變時(shí)間曲線和應(yīng)變率時(shí)間曲線。第44頁/共55頁測試原理示意圖 第45頁/共55頁 依據(jù)一維應(yīng)力波理論及試件中應(yīng)力、應(yīng)變均勻性假設(shè)，可導(dǎo)出應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率方程： 其中：C為彈性波在桿中的波速，l0為試件試驗(yàn)段的原長（即兩夾持口纖維長度），i(t)、r(t)、t(t)分別為作用在試件上的入射波、反射波和透射波的應(yīng)變值，A和As分別為桿和試樣的初始橫截面積，E為桿的模量。 )()()()()()()()()()()(2)(000tttlCtdtttt