高性能纖維拉伸性能測(cè)試影響因素研究

文/王韜

高性能纖維的高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能使其得到廣泛使用，但生產(chǎn)過程或者原絲本身的問題會(huì)導(dǎo)致單絲的力學(xué)性質(zhì)存在很大的差異。因此，高性能纖維的強(qiáng)伸性及均勻性成為人們研究和常規(guī)測(cè)量的重要內(nèi)容之一。然而高性能纖維，特別是無機(jī)高性能纖維由于其脆而細(xì)的特性，要想成功測(cè)量存在一定的難度，而且不當(dāng)?shù)臏y(cè)試操作方法或測(cè)試條件不合理等都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，本文結(jié)合3種無機(jī)高性能纖維（碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維）的單絲拉伸試驗(yàn)，探討了高性能纖維拉伸測(cè)試過程的影響因素。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維（各項(xiàng)參數(shù)見表1），膠水：強(qiáng)力環(huán)氧膠（百得，漢高粘合劑有限公司）。

表1 高性能纖維的各項(xiàng)參數(shù)

1.2 試樣制備

碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維屬于無機(jī)高性能纖維，其脆性大易彎折，設(shè)備的夾頭在瞬間夾緊時(shí)可能會(huì)使纖維彎折或直接斷裂，影響測(cè)試進(jìn)程。因此無機(jī)高性能纖維在測(cè)試過程中需要借助紙卡的幫助使其無損地夾持在設(shè)備兩端的夾頭中，如圖1（a）所示，先將試樣置于紙卡的中軸線上，在兩端用雙面膠固定，再在試樣與膠水粘結(jié)點(diǎn)處滴加膠水，使其與卡片更好地黏在一起，以防測(cè)試時(shí)產(chǎn)生滑移。

圖1 試樣制備

1.3 試樣測(cè)試

采用纖維強(qiáng)伸度儀（XQ-1A，上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所）對(duì)粘結(jié)劑已固化的試樣進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置（0.05±0.005）cN/dtex的預(yù)加張力，待試樣在纖維強(qiáng)伸度儀上下端夾緊后，在圖1（b）所示的A、B、C、D位置處剪斷，此時(shí)測(cè)得的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)為試樣本身的力學(xué)性能。

拉伸速度試驗(yàn)：將樣品制作在標(biāo)距為40mm，規(guī)格為70g/m的紙卡上，分別采用1mm/mim、2mm/mim、3mm/mim、4mm/mim、5mm/mim、10mm/mim和20mm/mim的拉伸速度對(duì)3種高性能纖維進(jìn)行測(cè)試，每種纖維測(cè)試至少要取得20個(gè)有效值，取其平均值。

標(biāo)距試驗(yàn)：固定拉伸速度為3mm/min，紙卡規(guī)格為70g/m分別設(shè)置拉伸標(biāo)距為20mm、25mm、35mm、40mm和45mm。每種纖維測(cè)試至少要取得20個(gè)有效值，取其平均值。

紙卡規(guī)格試驗(yàn)：固定拉伸速度為3mm/min，標(biāo)距為40mm，探究60g/m、70g/m、80g/m、295g/m的紙卡對(duì)3種高性能纖維力學(xué)性能的影響，每種纖維測(cè)試至少要取得20個(gè)有效值，取其平均值。

根據(jù)上述測(cè)試所得數(shù)據(jù)計(jì)算高性能纖維的拉伸強(qiáng)度、模量以及在拉伸過程所產(chǎn)生位移增量。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸速度對(duì)高性能單纖維拉伸性能的影響

固定標(biāo)距和紙卡的規(guī)格，探究拉伸速度對(duì)3種高性能纖維伸長率、位移增量、拉伸強(qiáng)度以及拉伸模量的影響，對(duì)每種纖維的每個(gè)測(cè)試條件均取得了20個(gè)有效值，并對(duì)其取平均值，繪制平均值及其變異系數(shù)相應(yīng)的曲線圖

2.1.1 拉伸速度對(duì)伸長率和位移增量的影響

伸長率為拉伸測(cè)試過程中所產(chǎn)生的位移增量與初始長度的比值，表征樣品的柔軟性和彈性的指標(biāo)，伸長率越大，則表示柔軟性和彈性越好。在無機(jī)高性能中，伸長率與纖維的韌性密切相關(guān)，一般來說，伸長率越大，能承受更大的外力而不斷裂。圖2為拉伸速度對(duì)3種高性能纖維伸長率的影響，圖3為根據(jù)伸長率和初始長度計(jì)算得到3種纖維在拉伸過程中位移增量隨著拉伸速度變化的曲線圖。

圖2 拉伸速度對(duì)伸長率(a)以及伸長率CV值(b)的影響

圖3 拉伸速度對(duì)位移增量(a)以及位移增量CV值(b)的影響

從圖2（a）中可以看出，隨著拉伸速度增大，3種纖維的伸長率先增加后降低，位移增量也基本符合這一變化規(guī)律。這可能是在低速拉伸時(shí)，纖維內(nèi)部分子鏈變形較小，來得及進(jìn)行位移重排，呈現(xiàn)韌性行為，體現(xiàn)為位移增量加大，伸長率增大；當(dāng)高速拉伸時(shí)，分子鏈重排速度跟不上纖維變形速度，呈現(xiàn)脆性行為，位移增量減少，伸長率變低。

圖2（b）和圖3（b）為拉伸測(cè)試過程中每個(gè)測(cè)試條件下數(shù)據(jù)的變異系數(shù)（CV），從圖中可以看出，變異系數(shù)隨著拉伸速度的增加是先增加、后降低、再增加，這可能是由于纖維內(nèi)部存在缺陷，應(yīng)力集中和內(nèi)部的微裂導(dǎo)致內(nèi)部的變形集中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)大小不一的情況。

2.1.2 拉伸速度對(duì)拉伸強(qiáng)度和模量的影響

拉伸強(qiáng)度即材料的斷裂強(qiáng)力與線密度的比值，表征了材料在受到靜態(tài)拉伸時(shí)抵抗斷裂的能力，圖4為拉伸強(qiáng)力隨著拉伸速度變化的圖。

圖4 拉伸速度對(duì)拉伸強(qiáng)度(a)及其CV值(b)的影響

從圖4（a）可知，隨著拉伸速度的增大，玄武巖纖維、碳纖維和玻璃纖維拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)增加后減小趨勢(shì)，玄武巖纖維的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)得更早，在2mm/min時(shí)出現(xiàn)，碳纖維和玻璃纖維則分別是在4mm/min和3mm/min。說明在低速拉伸下，纖維能及時(shí)進(jìn)行分子的位移重排抵抗斷裂，而在高速拉伸下，纖維來不及恢復(fù)而更快斷裂，拉伸強(qiáng)度變低。

模量則是材料在拉伸時(shí)的彈性，表征某種材料的剛性的大小、是否容易被拉伸變形。圖5為模量隨著拉伸速度變化的曲線圖。

圖5 拉伸速度對(duì)模量(a)及其CV值(b)的影響

從圖5（a）可看出，碳纖維和玻璃纖維均隨著拉伸速度的增大，模量增加，而玄武巖纖維則是先增加后略微降低。上述曾提到，隨著速度升高，纖維拉伸過程表現(xiàn)為脆性行為，即剛需可能增加，體現(xiàn)為模量升高。圖4（b）和圖5（b）為拉伸強(qiáng)度和模量的CV值隨拉伸速度的變化情況。從圖中可以看出，玻璃纖維和碳纖維的變異系數(shù)隨著拉伸速度的增加先減小后增大，而玄武巖則是先增加后降低。說明玄武巖纖維在較高速拉伸下能獲得比較均勻的數(shù)據(jù)，而玻璃纖維和碳纖維則適合在低速進(jìn)行拉伸測(cè)試。

綜上所述，在高速拉伸下無機(jī)高性能纖維的內(nèi)部微裂紋造成的斷裂會(huì)加快集中，脆性行為比較明顯，因此建議無機(jī)高性能纖維在測(cè)試過程選擇低速拉伸，玻璃纖維和碳纖維在測(cè)試過程建議選擇2mm/min～3mm/min的拉伸速度，而玄武巖纖維則可以選擇3mm/min～5mm/min的拉伸速度。

2.2 標(biāo)距對(duì)高性能單纖維拉伸性能的影響

標(biāo)距即纖維進(jìn)行拉伸時(shí)的初始長度，固定拉伸速度和紙卡的規(guī)格，探究標(biāo)距對(duì)3種高性能纖維拉伸性能的影響，對(duì)每種纖維的每個(gè)標(biāo)距條件均取得了20個(gè)有效值，對(duì)其取平均值，計(jì)算其變異系數(shù)（CV）、位移增量、模量以及拉伸強(qiáng)度，并對(duì)此進(jìn)行分析。

2.2.1 標(biāo)距對(duì)伸長率和位移增量的影響

從圖6（a）和圖7（a）可以看出，隨著標(biāo)距增大，3種纖維的伸長率和位移增量均是先逐漸加大，在標(biāo)距為40mm時(shí)稍有降低，后又緩慢增加，從位移增量可以看出，玻璃纖維和碳纖維的位移增量是隨著標(biāo)距的邊長而逐漸加大的，玄武巖纖維則是呈先增加后降低趨勢(shì)。說明隨著標(biāo)距的增長，纖維的韌性行為得到延長，纖維發(fā)生變形也增大。從圖6（b）和圖7（b）的數(shù)據(jù)變異系數(shù)也可看出，隨著標(biāo)距的增大，玻璃纖維和玄武巖纖維的數(shù)據(jù)均勻性得到改善，而碳纖維的數(shù)據(jù)均勻性則逐漸減小。

圖6 標(biāo)距對(duì)伸長率（a）及其CV值（b）的影響

圖7 標(biāo)距對(duì)位移增量（a）及其CV值（b）的影響

2.2.2 標(biāo)距對(duì)拉伸強(qiáng)度和模量的影響

圖8和圖9 分別為標(biāo)距對(duì)拉伸強(qiáng)度和模量的影響。從圖8（a）可知，碳纖維和玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度隨著標(biāo)距的變大，其增加或減小的幅度不顯著，說明纖維的初始拉伸長度并不影響它們抵抗斷裂和變形的能力。而玄武巖纖維則是顯著增加的，說明玄武巖纖維隨著初始長度的增加，有利于纖維增加抵抗其變形的能力。模量的變化同樣也呈現(xiàn)這個(gè)規(guī)律。

圖8 標(biāo)距對(duì)拉伸強(qiáng)度（a）及其CV值（b）的影響

圖9 標(biāo)距對(duì)模量（a）及其CV值（b）的影響

根據(jù)無機(jī)高性能的微裂紋理論即材料中總是存在著分布不均勻的微小缺陷，在外力作用下，這些缺陷的附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。假設(shè)這些缺陷是隨機(jī)分布的，當(dāng)纖維的長度增長時(shí)，缺陷出現(xiàn)的概率增加，材料尺寸效應(yīng)增大。根據(jù)上述分析結(jié)果，為了降低尺寸效應(yīng)帶來的因素干擾，得到一組較為均勻且能體現(xiàn)材料本身性能的數(shù)據(jù)，標(biāo)距建議選擇在40mm以下。

2.3 紙卡規(guī)格對(duì)高性能單纖維拉伸性能的影響

固定拉伸速度和標(biāo)距，探究紙卡規(guī)格對(duì)3種高性能纖維拉伸性能的影響，對(duì)每種纖維的每個(gè)紙卡規(guī)格條件均取得了20個(gè)有效值，并對(duì)其取平均值，所得結(jié)果如圖10所示。

圖10 紙卡規(guī)格對(duì)高性能纖維單絲拉伸性能的影響

從圖10可以看出，隨著紙卡的規(guī)格變大，碳纖維和玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，而玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度則是先增加后降低，3種纖維的初始模量隨著紙卡的平方米克重增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。從圖10還可看出，當(dāng)紙卡為60g/m、70g/m和80g/m時(shí)，拉伸強(qiáng)度、模量和伸長的數(shù)據(jù)變化不大；295g/m時(shí)，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)均低于80g/m以下的紙卡，主要是因?yàn)橐?guī)格較大的紙卡在試樣夾持時(shí)容易使試樣和紙片的中軸線形成一定的角度，使得其各項(xiàng)性能的數(shù)據(jù)不能很好體現(xiàn)纖維本身的性能，因此在做高性能纖維測(cè)試時(shí)，建議選擇70g/m以下的卡紙規(guī)格。

3 結(jié)論

測(cè)試了碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維在不同的拉伸速度、標(biāo)距和紙卡規(guī)格下伸長率、位移增量、拉伸強(qiáng)度和模量后得出以下結(jié)論：

（1）為了降低高速拉伸下，無機(jī)高性能纖維的內(nèi)部微裂紋造成的斷裂會(huì)加快集中，脆性行為增加，建議選擇低速拉伸，玻璃纖維和碳纖維建議選擇2mm/min～3mm/min的拉伸速度，玄武巖纖維則可以選擇3 mm/min～5mm/min的拉伸速度。

（2）為了降低尺寸效應(yīng)帶來的因素干擾，得到一組較為均勻且能體現(xiàn)材料本身性能的數(shù)據(jù)，標(biāo)距建議選擇在40mm以下。

（3）為了降低紙卡的厚度對(duì)纖維造成的滑移而影響最終測(cè)試結(jié)果和測(cè)試成功率，建議選擇70g/m以下的紙卡。