北服纖維材料學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)03聲速法測纖維取向度和模量

實(shí)驗(yàn)三聲速法測纖維取向度和模量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1．通過本實(shí)驗(yàn)了解用聲速法測定纖維取向度和模量的基本原理。2．了解整套聲速儀裝置中各臺儀器的功能，基本原理。3．學(xué)會(huì)使用聲速儀進(jìn)行測定的操作方法。二、實(shí)驗(yàn)原理纖維的取向度和模量是表征纖維材料超分子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的兩項(xiàng)重要參數(shù)。就取向度而言，歷來是生產(chǎn)控制和纖維結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要問題，常用的雙折射線和X光法等雖各有優(yōu)點(diǎn)，但卻費(fèi)時(shí)間，而聲速法是通過對聲波在纖維材料中傳播速度的測定，可以同時(shí)計(jì)算纖維的取向度和模量。它在操作上比較快速和簡便，這是它的一個(gè)特點(diǎn)。1.取向因數(shù)：聲速法測纖維取向的原理是由于在纖維中因大分子鏈的取向而導(dǎo)致聲波傳播的各向異性。即在理想的取向情況下，聲波沿纖維軸方向傳播時(shí)，其傳播方向與纖維大分子鏈平行。此時(shí)聲波是通過大分子內(nèi)的主價(jià)鍵振動(dòng)而傳播。其聲速最大。而當(dāng)聲速傳播方向與纖維分子鏈垂直時(shí)，則是依靠大分子間的次價(jià)鍵的振動(dòng)而傳播，此時(shí)聲速最小。而實(shí)際上是因?yàn)榇蠓肿渔溈偛皇茄乩w維軸成理想取向的狀態(tài)，所以各種纖維的實(shí)際聲速值也總是小于理想的聲速值。且聲速將隨取向度的增高而增高。圖4—1為聲波在纖維中傳播的示意圖。從圖中可以看到。當(dāng)聲波以縱波形式在纖維材料中傳播時(shí)，由于纖維中大分子鏈與纖維軸有一定交角(取向角)θ，如設(shè)聲波作用在纖維軸上的作用力為F，則F將分解為兩個(gè)互相垂直的分力。一個(gè)平行于大分子鏈軸向，為Fcosθ。這個(gè)力使大分子內(nèi)的主價(jià)鍵產(chǎn)生形變；另一個(gè)垂直于大分子鏈軸向，為Fsinθ，則是使分子間的次價(jià)鍵產(chǎn)生變形。如以d表示形變，則E=F/d因此，由平行于分子鏈軸向的分子F·cosθ所產(chǎn)生的形變?yōu)镕cosθ/Em;由垂直分子鏈軸向的分子Fsinθ所產(chǎn)生的形變?yōu)椋篎cosθ/EtEm——平行于分子軸向的聲模量。Et——垂直于分子軸向的聲模量。Moseley認(rèn)為，在聲波傳遞中，發(fā)生的任何纖維變形是分子內(nèi)和分子間形變的加和。為了說明這一問題，讓我們看圖4—2的纖維形變模型。在圖4—2中，我們假設(shè)受聲波作用后分子內(nèi)的

形變?yōu)镺B=Fcosθ/Em分子間的形變?yōu)镺C=Fsinθ/Et。所謂這兩種形變的加和，也即是反映在纖維軸向的總的形變。它應(yīng)該是兩個(gè)形變在纖維軸向的總投影OA。因此，我們可以用數(shù)圖3—1聲波在纖維中傳播示意圖學(xué)式表示為：da=（Fcosθ/Em）cosθ+（Fcosθ/Et）sinθ

=Fcos2θ/Em+Fsin2θ/Et考慮到所有分子，并取其平均值，則有：

da=F/E=Fcos2θ/Em+F(1-cos2θ)/Et（1）根據(jù)聲學(xué)理論，我們知道當(dāng)一個(gè)縱波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度與材料介質(zhì)的密度ρ及模量E有以下關(guān)系式：C=√E/ρ(2)上式可改寫為E=ρC2。將(1)式中各項(xiàng)的E值以ρC2代入，并消去F和ρ，則得：1/C2=cos2θ/Cm2+cos2θ/Ct2(3)式中：C——聲波沿纖維軸向傳播時(shí)的速度；Cm——聲波傳播方向平行于纖維分子鏈軸時(shí)的聲速；Ct——聲波傳播方向垂直于纖維分子鏈軸時(shí)的聲速。

圖3—2纖維形變的串聯(lián)和模擬圖在(3)式中，由于Cm>>Ct，因此(3)式中右面第一項(xiàng)可看作為零，則(3)式變?yōu)椋?/C2=cos2θ/Ct2Ct2/C2=1-cos2θ(4)根據(jù)赫爾曼取向函數(shù)式：t=1/2(3cos2θ-1)，當(dāng)試樣在無規(guī)取向的情況下，則當(dāng)C=Cu時(shí)，f=0，則cos2θ=1/3，代入(4)式，得：Ct2/Cu2=1-1/3=2/3即Ct2=（2/3）Cu2(5)如變換(4)式，得：cos2θ=1-Ct2/C2(6)將Ct與C的關(guān)系轉(zhuǎn)換成Cu與C的關(guān)系式。即以(5)式代入(6)式，得：cos2θ=1-2/3（Cu2/C2）(7)以(7)式代入取向函數(shù)式f=（1/2）(3cos2θ-1)則得聲速取向因數(shù)為：fs=1-Cu2/C2(8)(8)式就是計(jì)算聲速取向度的基本公式又稱為“莫斯萊公式”。在式中：fs——纖維試樣的聲速取向因數(shù)；Cu——纖維在無規(guī)取向時(shí)的聲速值；C——纖維試樣的實(shí)測聲速值根據(jù)莫斯萊聲速取向公式，要求得纖維的fs，只需要兩個(gè)實(shí)驗(yàn)量。除了測定試樣的聲速外，還需知道該種纖維在無規(guī)取向時(shí)的聲速值Cu。對某種纖維來說，它的Cu值是不變的。測定纖維的Cu值一般存兩種方法：一種是將高聚物制成基本無取向的薄膜，然后測定其聲速值。另一種是反推法，即先通過實(shí)驗(yàn)繪出某種纖維在不同拉伸倍數(shù)下的聲速曲線。然后將曲線反推到拉伸倍率為零處，該點(diǎn)的聲速值即表示該纖維的無規(guī)取向聲速值Cu(見圖4—1)。表1列出了幾個(gè)主要纖維品種的Cu值以供參考。聚合物Cu千米/秒薄膜纖維滌綸1.41.35尼龍1.31.3粘膠2.0腈綸2.0用反推法求取Cu值圖3—3用反推法求取Cu值2．聲速模量：根據(jù)聲學(xué)理論，當(dāng)一個(gè)振動(dòng)方向與介質(zhì)軸向平行的縱向聲波，在一個(gè)均勻而細(xì)長的棒狀介質(zhì)中傳播時(shí)，其波動(dòng)方程為：C=E/ρ(9)式中：E——介質(zhì)的楊氏模量；ρ——介質(zhì)密度；C——聲波傳播速度。因此，如測出了纖維的聲速和密度。即根據(jù)E=ρC2，就可求出模量，用聲速法測出的模量是一個(gè)動(dòng)態(tài)楊氏模量。如ρ以克/厘米3為單位。C以厘米/秒為單位。即E的單位為達(dá)因/厘米2為單位。為了測定和計(jì)算方便，Moseley又將E=ρC2的基本公式換算成模量以克/旦為單位的計(jì)算公式。得：E=11.3C2(10)用(10)式計(jì)算聲速模量，聲速的單位為千米/秒，得到的模量單位為克/旦。三、聲速儀工作原理圖3—4SCY-III型聲速取向測量儀原理圖實(shí)驗(yàn)采用智能型聲速取向測量儀，由試樣臺、主機(jī)和示波器三部分組成。試樣臺導(dǎo)軌兩端分別裝有發(fā)射晶體和接收晶體，纖維試樣夾在導(dǎo)軌兩頭，導(dǎo)軌可在標(biāo)尺上移動(dòng)，并可讀出長度。主機(jī)包括低頻脈沖信號源、單穩(wěn)控制電路、計(jì)時(shí)電路、時(shí)標(biāo)電路、時(shí)間顯示、單片機(jī)計(jì)數(shù)運(yùn)算及打印機(jī)組成。由脈沖信號源產(chǎn)生的低頻脈沖信號被分成三路：一路送至發(fā)射晶體，使其產(chǎn)生一定頻率的受激振動(dòng)，并經(jīng)纖維傳至接受晶體后，經(jīng)放大分別被送入示波器與單穩(wěn)控制電路，并使單穩(wěn)電路由暫態(tài)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)。二路直接進(jìn)入示波器與經(jīng)纖維傳至放大器后的電信號在示波器上產(chǎn)生一個(gè)震蕩脈沖信號。三路通過單穩(wěn)控制電路，當(dāng)試樣架上沒有纖維試樣時(shí)，讓機(jī)器保持暫態(tài)。當(dāng)信號經(jīng)放大后一路被送至單穩(wěn)電路，使其由暫態(tài)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)后，這時(shí)，從單穩(wěn)電路得到一個(gè)脈沖信號，起脈沖信號寬度與傳播時(shí)間相對應(yīng)，將此信號送入計(jì)時(shí)電路，測量該脈沖寬度與對應(yīng)的時(shí)間在計(jì)數(shù)器上進(jìn)行顯示，即為聲波在長度為L的纖維內(nèi)傳播時(shí)間TL。本儀器顯示時(shí)間的單位為μS，在數(shù)顯器上顯示時(shí)間的同時(shí)可通過單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)、運(yùn)算，并進(jìn)行打印。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.準(zhǔn)備纖維試樣，要求將纖維進(jìn)行恒溫、恒濕處理。開啟主機(jī)電源與示波器電源。剪取一定長度的纖維試樣放到樣品架上。根據(jù)樣品的總旦數(shù)施加張力。5.將標(biāo)尺移至20cm，觀察示波器上的振動(dòng)波形。待其穩(wěn)定，將準(zhǔn)備開關(guān)切入到測量檔，并按下20鍵，儀器將自動(dòng)記錄下時(shí)間并送入單片機(jī)儲存，記錄結(jié)束再將標(biāo)尺移至40cm處，重復(fù)以上程序，連續(xù)五次。打印機(jī)會(huì)把儲存數(shù)據(jù)連同運(yùn)算結(jié)果一并輸出。注：所加張力大小，實(shí)驗(yàn)者可以0.1克/旦的要求來計(jì)算。所用試樣要求在1000旦以下，如果纖維旦數(shù)過大，則需從中取出一定根數(shù)的單纖維，然后放在天平上稱重，換算成旦數(shù)后再按0.1克/旦來計(jì)算應(yīng)加張力的大小。使用時(shí)千萬不要碰壞發(fā)振器，接收器上的兩個(gè)小鉤。否則將影響測量精度。五