高性能纤维拉伸性能测试影响因素研究

时间：2024-04-24

文/王韬

高性能纤维的高强、高模、耐高温、耐腐蚀等优良性能使其得到广泛使用，但生产过程或者原丝本身的问题会导致单丝的力学性质存在很大的差异。因此，高性能纤维的强伸性及均匀性成为人们研究和常规测量的重要内容之一。然而高性能纤维，特别是无机高性能纤维由于其脆而细的特性，要想成功测量存在一定的难度，而且不当的测试操作方法或测试条件不合理等都会对结果产生较大影响。因此，本文结合3种无机高性能纤维（碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维）的单丝拉伸试验，探讨了高性能纤维拉伸测试过程的影响因素。

1 试验部分

1.1 试验材料

碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维（各项参数见表1），胶水：强力环氧胶（百得，汉高粘合剂有限公司）。

表1 高性能纤维的各项参数

1.2 试样制备

碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维属于无机高性能纤维，其脆性大易弯折，设备的夹头在瞬间夹紧时可能会使纤维弯折或直接断裂，影响测试进程。因此无机高性能纤维在测试过程中需要借助纸卡的帮助使其无损地夹持在设备两端的夹头中，如图1（a）所示，先将试样置于纸卡的中轴线上，在两端用双面胶固定，再在试样与胶水粘结点处滴加胶水，使其与卡片更好地黏在一起，以防测试时产生滑移。

图1 试样制备

1.3 试样测试

采用纤维强伸度仪（XQ-1A，上海利浦应用科学技术研究所）对粘结剂已固化的试样进行测试，设置（0.05±0.005）cN/dtex的预加张力，待试样在纤维强伸度仪上下端夹紧后，在图1（b）所示的A、B、C、D位置处剪断，此时测得的各项力学性能参数为试样本身的力学性能。

拉伸速度试验：将样品制作在标距为40mm，规格为70g/m的纸卡上，分别采用1mm/mim、2mm/mim、3mm/mim、4mm/mim、5mm/mim、10mm/mim和20mm/mim的拉伸速度对3种高性能纤维进行测试，每种纤维测试至少要取得20个有效值，取其平均值。

标距试验：固定拉伸速度为3mm/min，纸卡规格为70g/m分别设置拉伸标距为20mm、25mm、35mm、40mm和45mm。每种纤维测试至少要取得20个有效值，取其平均值。

纸卡规格试验：固定拉伸速度为3mm/min，标距为40mm，探究60g/m、70g/m、80g/m、295g/m的纸卡对3种高性能纤维力学性能的影响，每种纤维测试至少要取得20个有效值，取其平均值。

根据上述测试所得数据计算高性能纤维的拉伸强度、模量以及在拉伸过程所产生位移增量。

2 结果与讨论

2.1 拉伸速度对高性能单纤维拉伸性能的影响

固定标距和纸卡的规格，探究拉伸速度对3种高性能纤维伸长率、位移增量、拉伸强度以及拉伸模量的影响，对每种纤维的每个测试条件均取得了20个有效值，并对其取平均值，绘制平均值及其变异系数相应的曲线图

2.1.1 拉伸速度对伸长率和位移增量的影响

伸长率为拉伸测试过程中所产生的位移增量与初始长度的比值，表征样品的柔软性和弹性的指标，伸长率越大，则表示柔软性和弹性越好。在无机高性能中，伸长率与纤维的韧性密切相关，一般来说，伸长率越大，能承受更大的外力而不断裂。图2为拉伸速度对3种高性能纤维伸长率的影响，图3为根据伸长率和初始长度计算得到3种纤维在拉伸过程中位移增量随着拉伸速度变化的曲线图。

图2 拉伸速度对伸长率(a)以及伸长率CV值(b)的影响

图3 拉伸速度对位移增量(a)以及位移增量CV值(b)的影响

从图2（a）中可以看出，随着拉伸速度增大，3种纤维的伸长率先增加后降低，位移增量也基本符合这一变化规律。这可能是在低速拉伸时，纤维内部分子链变形较小，来得及进行位移重排，呈现韧性行为，体现为位移增量加大，伸长率增大；当高速拉伸时，分子链重排速度跟不上纤维变形速度，呈现脆性行为，位移增量减少，伸长率变低。

图2（b）和图3（b）为拉伸测试过程中每个测试条件下数据的变异系数（CV），从图中可以看出，变异系数随着拉伸速度的增加是先增加、后降低、再增加，这可能是由于纤维内部存在缺陷，应力集中和内部的微裂导致内部的变形集中，出现数据大小不一的情况。

2.1.2 拉伸速度对拉伸强度和模量的影响

拉伸强度即材料的断裂强力与线密度的比值，表征了材料在受到静态拉伸时抵抗断裂的能力，图4为拉伸强力随着拉伸速度变化的图。

图4 拉伸速度对拉伸强度(a)及其CV值(b)的影响

从图4（a）可知，随着拉伸速度的增大，玄武岩纤维、碳纤维和玻璃纤维拉伸强度呈现增加后减小趋势，玄武岩纤维的转折点出现得更早，在2mm/min时出现，碳纤维和玻璃纤维则分别是在4mm/min和3mm/min。说明在低速拉伸下，纤维能及时进行分子的位移重排抵抗断裂，而在高速拉伸下，纤维来不及恢复而更快断裂，拉伸强度变低。

模量则是材料在拉伸时的弹性，表征某种材料的刚性的大小、是否容易被拉伸变形。图5为模量随着拉伸速度变化的曲线图。

图5 拉伸速度对模量(a)及其CV值(b)的影响

从图5（a）可看出，碳纤维和玻璃纤维均随着拉伸速度的增大，模量增加，而玄武岩纤维则是先增加后略微降低。上述曾提到，随着速度升高，纤维拉伸过程表现为脆性行为，即刚需可能增加，体现为模量升高。图4（b）和图5（b）为拉伸强度和模量的CV值随拉伸速度的变化情况。从图中可以看出，玻璃纤维和碳纤维的变异系数随着拉伸速度的增加先减小后增大，而玄武岩则是先增加后降低。说明玄武岩纤维在较高速拉伸下能获得比较均匀的数据，而玻璃纤维和碳纤维则适合在低速进行拉伸测试。

综上所述，在高速拉伸下无机高性能纤维的内部微裂纹造成的断裂会加快集中，脆性行为比较明显，因此建议无机高性能纤维在测试过程选择低速拉伸，玻璃纤维和碳纤维在测试过程建议选择2mm/min～3mm/min的拉伸速度，而玄武岩纤维则可以选择3mm/min～5mm/min的拉伸速度。

2.2 标距对高性能单纤维拉伸性能的影响

标距即纤维进行拉伸时的初始长度，固定拉伸速度和纸卡的规格，探究标距对3种高性能纤维拉伸性能的影响，对每种纤维的每个标距条件均取得了20个有效值，对其取平均值，计算其变异系数（CV）、位移增量、模量以及拉伸强度，并对此进行分析。

2.2.1 标距对伸长率和位移增量的影响

从图6（a）和图7（a）可以看出，随着标距增大，3种纤维的伸长率和位移增量均是先逐渐加大，在标距为40mm时稍有降低，后又缓慢增加，从位移增量可以看出，玻璃纤维和碳纤维的位移增量是随着标距的边长而逐渐加大的，玄武岩纤维则是呈先增加后降低趋势。说明随着标距的增长，纤维的韧性行为得到延长，纤维发生变形也增大。从图6（b）和图7（b）的数据变异系数也可看出，随着标距的增大，玻璃纤维和玄武岩纤维的数据均匀性得到改善，而碳纤维的数据均匀性则逐渐减小。

图6 标距对伸长率（a）及其CV值（b）的影响

图7 标距对位移增量（a）及其CV值（b）的影响

2.2.2 标距对拉伸强度和模量的影响

图8和图9 分别为标距对拉伸强度和模量的影响。从图8（a）可知，碳纤维和玻璃纤维的拉伸强度随着标距的变大，其增加或减小的幅度不显著，说明纤维的初始拉伸长度并不影响它们抵抗断裂和变形的能力。而玄武岩纤维则是显著增加的，说明玄武岩纤维随着初始长度的增加，有利于纤维增加抵抗其变形的能力。模量的变化同样也呈现这个规律。

图8 标距对拉伸强度（a）及其CV值（b）的影响

图9 标距对模量（a）及其CV值（b）的影响

根据无机高性能的微裂纹理论即材料中总是存在着分布不均匀的微小缺陷，在外力作用下，这些缺陷的附近产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展而导致断裂。假设这些缺陷是随机分布的，当纤维的长度增长时，缺陷出现的概率增加，材料尺寸效应增大。根据上述分析结果，为了降低尺寸效应带来的因素干扰，得到一组较为均匀且能体现材料本身性能的数据，标距建议选择在40mm以下。

2.3 纸卡规格对高性能单纤维拉伸性能的影响

固定拉伸速度和标距，探究纸卡规格对3种高性能纤维拉伸性能的影响，对每种纤维的每个纸卡规格条件均取得了20个有效值，并对其取平均值，所得结果如图10所示。

图10 纸卡规格对高性能纤维单丝拉伸性能的影响

从图10可以看出，随着纸卡的规格变大，碳纤维和玻璃纤维的拉伸强度逐渐降低，而玄武岩纤维的拉伸强度则是先增加后降低，3种纤维的初始模量随着纸卡的平方米克重增加而呈现先增大后减小的趋势。从图10还可看出，当纸卡为60g/m、70g/m和80g/m时，拉伸强度、模量和伸长的数据变化不大；295g/m时，其各项数据均低于80g/m以下的纸卡，主要是因为规格较大的纸卡在试样夹持时容易使试样和纸片的中轴线形成一定的角度，使得其各项性能的数据不能很好体现纤维本身的性能，因此在做高性能纤维测试时，建议选择70g/m以下的卡纸规格。