第7_1章纖維的力學(xué)性質(zhì)(1)

1、Which fibre for which application?Primary Properties Physical dimensions/shape/geometry Mechanical properties Hydrophilicity sensitivity to water/moistureSecondary Properties Electrical properties Thermal properties Durability/chemical resistance DensityOther properties ?Examples of properties that

2、can be useful in deciding1第9_1章 纖維的力學(xué)性質(zhì)講授內(nèi)容重點(diǎn): 拉伸指標(biāo)及性能 粘彈性能 彈性性能 疲勞破壞了解 摩擦性能 彎曲性能第1節(jié) 纖維的拉伸性質(zhì) 1. 拉伸曲線拉伸曲線 2. 拉伸性能指標(biāo)拉伸性能指標(biāo) 3. 常見(jiàn)纖維拉伸曲線常見(jiàn)纖維拉伸曲線 4. 纖維拉伸性能測(cè)量纖維拉伸性能測(cè)量 5. 拉伸斷裂機(jī)理及影響因素拉伸斷裂機(jī)理及影響因素材料拉伸測(cè)試1. 拉伸曲線對(duì)比拉伸曲線拉伸曲線 負(fù)荷p 伸長(zhǎng)l曲線 應(yīng)力應(yīng)變曲線。 a Y (y,y) s Pb b 0.06 0.12 Pa 負(fù)荷 P(N) la 2 4 l 伸長(zhǎng)(mm) 0 0 0.1 0.2 0 10 2

3、0 =應(yīng)變 =應(yīng)變率(%) 比應(yīng)力 p (N/tex) 0 0.2 0.4 應(yīng)力 (N/mm2=MPa) 0 300 600 試樣長(zhǎng)度 20 mm 線密度 0.3 tex 纖維密度 1.5 g/cm3 2. 材料強(qiáng)伸性能指標(biāo)材料強(qiáng)伸性能指標(biāo) 強(qiáng)伸性能是指材料斷裂時(shí)的強(qiáng)力（或相對(duì)強(qiáng)度）和伸長(zhǎng)(率)或應(yīng)變。 2.1 強(qiáng)力Pb： 又稱絕對(duì)強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力。 是指材料能承受的最大拉伸外力，即材料受外力拉伸到斷裂時(shí)所需要的力，單位為牛頓(N)。強(qiáng)度指標(biāo) （1） 斷裂應(yīng)力b 單位截面積上材料能承受的最大拉力 標(biāo)準(zhǔn)單位為帕Pa(N/m2) ,常用兆帕MPa (N/mm2)表示。 bbAP310tbPPb單位為

4、單位為NPt單位為單位為N/tex強(qiáng)度指標(biāo) （2） 比強(qiáng)度(相對(duì)強(qiáng)度) pb，或稱比應(yīng)力 是指每特(或每旦)材料（一般指纖維或紗線）能承受的最大拉力 單位為N/tex，常用cN/dtex（或cN/D）。 denbdtexbtNPPNPP強(qiáng)度指標(biāo) （3） 斷裂長(zhǎng)度Lb 材料（一般指纖維或紗線）重力等于其斷裂強(qiáng)力時(shí)的材料長(zhǎng)度 單位為km。 gmbbNPLPb單位為單位為N部分材料斷裂長(zhǎng)度示意圖2.3 伸長(zhǎng)能力指標(biāo)斷裂伸長(zhǎng)率 材料拉伸至斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率（或應(yīng)變） 表示材料斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)變形能力的大小%10000LLLTensile Properties of Fibres Another example

5、:Suppose a 10-metre fibre can be extended by only 10cm before breakingWe would probably not consider it to be particularly stretchyBut suppose a 10-cm fibre can be extended by 10 cmIt is clearly very stretchy!Although the extensions are the same, the strains are quite different.15The Importance of N

6、ormalisationTensile Properties of Fibres So we generally normalise the raw data by converting: from load to stress (specific stress in textiles)and from extension to strain16Normalisation is particularly important when we want to compare different materials without having to specify their dimensions

7、3. 拉伸過(guò)程中的性質(zhì)指標(biāo) 初始模量 屈服點(diǎn)（應(yīng)力和伸長(zhǎng)率） 斷裂功（比功）、功系數(shù) 柔順性3.1 初始模量 初始模量是指纖維拉伸曲線的起始部分直線段的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即 - 曲線在起始段的斜率。 如果起始段直線不明顯，可取1%（0.5%）伸長(zhǎng)下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值。 小變形情況下（0，具有彈性纖維 聚酰胺10521C10 10應(yīng)變下的應(yīng)力應(yīng)變下的應(yīng)力5 5應(yīng)變下的應(yīng)力應(yīng)變下的應(yīng)力4. 常見(jiàn)紡織纖維拉伸曲線常見(jiàn)紡織纖維拉伸曲線 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應(yīng)力 苧麻 亞 麻 應(yīng)變 (%) 常見(jiàn)紡織纖維拉伸曲線常見(jiàn)紡織纖維拉伸曲線產(chǎn)業(yè)用纖維拉伸曲線 產(chǎn)業(yè)用纖維（高

8、強(qiáng)低伸型） 強(qiáng)而脆 應(yīng)變 (%) 尼龍 聚酯 凱夫拉 玻璃 人造絲 應(yīng)力 (g/d) 鋼絲 應(yīng)力 (g/tex) 拉伸曲線分類（1） （1）強(qiáng)力高，伸長(zhǎng)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）； 苧麻：斷裂強(qiáng)度和初始模量大，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂比功小剛硬而帶有脆性 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應(yīng)力 苧麻 亞 麻 應(yīng)變 (%) 拉伸曲線分類（2） （2）強(qiáng)力不高，伸長(zhǎng)率很大的拉伸曲線 羊毛、醋酯纖維、粘膠等 表現(xiàn)為模量較小，屈服點(diǎn)低和強(qiáng)力不高； 普通粘膠：斷裂強(qiáng)度、初始模量和斷裂比功較低，斷裂伸

9、長(zhǎng)為中等軟而弱 羊毛：斷裂強(qiáng)度很低，斷裂伸長(zhǎng)大，斷裂比功比棉、麻要大韌性較好 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應(yīng)力 苧麻 亞 麻 應(yīng)變 (%) 拉伸曲線分類（3） 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應(yīng)力 苧麻 亞 麻 應(yīng)變 (%) （3）強(qiáng)力與伸長(zhǎng)率居中的纖維 滌綸、錦綸、蠶絲等纖維。 滌綸：斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)、初始模量和斷裂比功較大硬挺而堅(jiān)韌 錦綸：斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)和斷裂比功較大，初始模量較低軟而強(qiáng)韌，斷裂比功大耐疲勞性和耐磨性優(yōu)良 蠶絲：斷裂強(qiáng)度中等偏高，斷裂伸長(zhǎng)率較棉、麻高得多，斷裂比功較高天然紡織纖維中屬?gòu)?qiáng)韌纖維拉伸應(yīng)力應(yīng)變特征描

10、述術(shù)語(yǔ)拉伸應(yīng)力應(yīng)變的特征對(duì)應(yīng)纖維示例模量屈服應(yīng)力 斷裂應(yīng)力 斷裂伸長(zhǎng)柔而弱低低低中粘膠剛而脆高無(wú)中低苧麻、棉剛而強(qiáng)高高高中蠶絲、高強(qiáng)低伸滌綸柔而韌低低高高羊毛、錦綸剛而韌強(qiáng)而脆 高高高高高高高低普通滌綸高性能纖維5. 纖維拉伸性能測(cè)量5.1 擺錘式強(qiáng)力儀擺錘式強(qiáng)力儀等速牽引式等速牽引式 型號(hào) （1） Y161型單纖維強(qiáng)力機(jī) （2） Y162束纖維強(qiáng)力機(jī) （3） Y371型縷紗強(qiáng)力機(jī) （4） Y361型單紗強(qiáng)力機(jī) 特點(diǎn) 上下夾頭同時(shí)以不同 速度下降，力的施加 也呈非線性 拉伸變形無(wú)一定的規(guī)律 上夾頭 下夾頭 纖維 重錘桿 支點(diǎn) 標(biāo)尺 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 指針 L G1 G 5.2 秤桿式強(qiáng)力儀秤桿式強(qiáng)力儀

11、等加負(fù)荷等加負(fù)荷 卜氏(Pressley)強(qiáng)力儀 Uster 公司生產(chǎn)的Dynamat 自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀 上夾頭位移量是試樣的伸長(zhǎng) 下夾頭 纖維 上夾頭 稱桿 v G l0 重錘 支點(diǎn) 5.3 電子強(qiáng)力儀電子強(qiáng)力儀等速伸長(zhǎng)型等速伸長(zhǎng)型 傳感器測(cè)力，下夾頭位移量伸長(zhǎng) 上夾頭 處理單元 試樣 顯示 打印繪圖儀 v 換算單元 l=vt 力傳感器 下夾頭 6. 拉伸斷裂機(jī)理及影響因素 OO：表示拉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(zhǎng)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

12、??； Q Q：屈服點(diǎn)：屈服點(diǎn)；O O典型纖維拉伸曲線分析典型纖維拉伸曲線分析 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。 A A：斷裂點(diǎn)：斷裂點(diǎn)。O O纖維拉伸斷裂機(jī)理分析大分子鏈?zhǔn)芰κ疽鈭D大分子鏈?zhǔn)芰κ疽鈭D6.1 拉伸破壞機(jī)理a Y (y,y) s b p (N/tex) 接近直線基本符合虎克定律變形：1. 纖維大分子鏈本身的拉伸，即鍵長(zhǎng)、鍵角的變形；2. 鏈間剪切形變。無(wú)定形區(qū)中大分子鏈（原纖）克服分子鏈間次價(jià)鍵力而進(jìn)一步伸展和取向一部分大分子鏈伸直，緊張的可能被拉斷或從結(jié)晶部分中抽拔出來(lái)次價(jià)鍵的斷裂使非結(jié)

13、晶區(qū)中的大分子逐漸產(chǎn)生錯(cuò)位滑移，纖維變形比較顯著模量相應(yīng)逐漸減小，纖維進(jìn)入屈服區(qū)。大分子鏈（原纖）基本伸直平行時(shí)，取向度提高，大分子間距就靠近變形主要又是分子鏈的鍵長(zhǎng)、鍵角的改變和次價(jià)鍵的破壞進(jìn)入強(qiáng)化區(qū)，纖維模量再次提高纖維解體：纖維大分子主鏈和大多次價(jià)鍵的斷裂纖維斷口圖（1） C B A A B C A B (a) (b) (c) (d) (e) 纖維斷口圖（2）裂口孔洞表面缺陷裂隙纖維AB (a) (b) (c) 6.2 影響紡織纖維拉伸性質(zhì)的因素 纖維斷裂決定于大分子的相對(duì)滑移和分子鏈斷裂纖維斷裂決定于大分子的相對(duì)滑移和分子鏈斷裂 6.2.1 纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (1) 聚合度影響滑移 纖維

14、強(qiáng)度隨纖維大分子聚合度的增大而增加，但當(dāng)聚合度增加到一定值后，再增加時(shí)，纖維強(qiáng)度增加緩慢 聚合度足夠大，分子鏈間滑動(dòng)阻力已大大超過(guò)分子鏈的斷裂強(qiáng)力影響因素纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (2) 取向度有效分力 決定有效承載的分子鏈數(shù)目 取向度增大，纖維斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率降低。 化學(xué)纖維的取向度與拉伸倍數(shù)有關(guān) (3) 結(jié)晶情況強(qiáng)度 纖維的結(jié)晶度愈高，纖維中分子排列愈規(guī)整，縫隙孔洞較小，分子間結(jié)合力愈強(qiáng)，纖維的斷裂強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和初始模量表現(xiàn)得較高。 結(jié)晶區(qū)分布影響因素關(guān)系圖 g/den 伸長(zhǎng)率 (%) 增加取向度 醋酯纖維 粘膠纖維 比應(yīng)力 (gf/tex) 斷裂點(diǎn)軌跡 N/tex 比容 (cm3/g)

15、初始模量 (N/cm2) 屈服應(yīng)力 (N/cm2) 結(jié)晶度 (%) 結(jié)晶形態(tài)的影響 不同類型粘膠纖維性能類型類型干強(qiáng)干強(qiáng)(cN/dtex)干伸干伸（）（）濕強(qiáng)濕強(qiáng)(cN/dtex)濕伸濕伸(%)濕保濕保率率(%)吸濕吸濕密度密度結(jié)晶結(jié)晶度度晶區(qū)晶區(qū)尺寸尺寸雙折雙折射射普通普通1.919.91.027.55012.51.51245.24.30.027強(qiáng)力強(qiáng)力3.08.31.917.86212.91.50942.93.90.032高強(qiáng)高強(qiáng)3.29.42.025.06413.41.50942.93.10.032超強(qiáng)超強(qiáng)3.710.83.029.58014.41.49632.52.50.033二超二超

16、4.310.33.625.28314.11.50841.52.00.037三超三超4.710.54.129.08614.31.50239.02.00.040四超四超5.310.94.327.680-二超二超3.64.415252.63.12030約約7014.11.50841.52.00.037富纖富纖3.15.76122.44.01114約約709111.52655.57.50.048HWM3.15.38182.24.11522約約7010126.2.2 試驗(yàn)條件的影響 (1) 溫度和相對(duì)濕度結(jié)合力 溫度高，大分子熱運(yùn)動(dòng)能高，大分子柔曲性提高，分子間結(jié)合力削弱斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率增大，初

17、始模量降低 空氣相對(duì)濕度大，纖維回潮率越大，大分子之間結(jié)合力越弱，分子鏈間越松散，易滑移 棉、麻改善斷裂不同時(shí)性影響因素關(guān)系圖 L (cN/tex) 177 99 21 -57 P0 (cN/dtex) (c/mm2) L (cN/tex) P0 (cN/dtex) (c/mm2) 富纖 棉 L (cN/tex) P0 (cN/dtex) (c/mm2) (%) 滌綸滌綸細(xì)羊毛細(xì)羊毛（2）試樣長(zhǎng)度 弱環(huán)定律：纖維斷裂總是發(fā)生在纖維的最弱處，試樣長(zhǎng)度長(zhǎng)時(shí)，最弱的弱環(huán)被測(cè)到的機(jī)會(huì)就多，則平均強(qiáng)力偏低。 試樣越長(zhǎng)，弱環(huán)出現(xiàn)的概率越大，測(cè)得的斷裂強(qiáng)度越低（3） 試樣根數(shù) 由束纖維試驗(yàn)所得的平均單纖維強(qiáng)力比單纖維試驗(yàn)時(shí)的平均強(qiáng)力為低。 纖維的斷裂伸長(zhǎng)率不均勻，伸直狀態(tài)也不相同 纖維斷裂具有不同時(shí)性束纖維強(qiáng)力總是小于各根單纖維強(qiáng)力之和（