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    纖維材料強度和失效機理及其繩纜發展趨勢(二)

    來源:江蘇優培德復合材料有限公司 發布時間:2017-09-30 12:27:46 瀏覽人次:4970

    3 纖維和纖維繩纜的強度

    以超高相對分子質量聚乙烯纖維為例,其強度在3.0~3.5 GPa范圍,是其分子鏈理論極限強度的百分之幾。而用這些直徑為φ 20~30 μm 的纖維制成直徑在幾十毫米的繩纜后,繩纜的強度比原材料纖維的強度又要降低,即從原材料到繩纜產品的強度轉化效率在大多在50%~75%之間,由纖維種類、繩纜結構和制造工藝等決定??梢?,從高分子到纖維再到繩纜制品的過程中,尺寸增加強度降低,與其它工程材料和制品的情況相似,因為在尺寸增加的過程中引入了缺陷和薄弱環節而降低了強度。

    高性能纖維材料相對鋼鐵等傳統材料要年輕得多,高性能纖維單根絲本身的顯微結構還沒有完全搞清楚。有資料認為一根單絲由約150 個的大原纖(macro fibrils)組成、一個大原纖由約2 500 個微原纖(micro fibrils)組成、每個微原纖再由約1 800 個分子組成。一根單絲中的高分子鏈數量約為6.75×108 個,假設用一個刀片把一根單絲切斷,數一下兩個斷口的高分子的頭數,總和與我國人口數量接近。繼續下分,以超高相對分子質量聚乙烯纖維為例,其相對分子質量在3.5×106~7.5×106之間,因此一個相對高分子量聚乙烯分子含有1.3×105~2.7×105個乙烯單體,亦即2.6×105~5.4×105 個碳原子和5.2×105~1.08×106 個氫原子。因為聚乙烯分子鏈的空間幾何結構通過X射線等測試知道,因此可以算出一個典型聚乙烯高相對分子鏈如果是伸直的(但相鄰碳鍵仍保持109.5 度夾角),其長度在31~67 μm間。有研究報道微原纖的長度是100~1000 nm亦即0.1~1 μm,因此假設聚乙烯相對高分子在微原纖中是直的,而且聚乙烯相對高分子在微原纖中不折疊,那么一個聚乙烯高分子將穿越幾十到幾百個微原纖。研究證明高分子在微原纖中折疊,如果折疊10 次,那么一個聚乙烯相對高分子質量將穿越幾個到幾十個微原纖。定量表征未見報道,因此只能定性地說,高分子在微原纖中是折疊的,一個高分子將分布在多個微原纖中。

    由上述討論可見高性能纖維材料即使是單體分子結構最簡單的聚乙烯,其微觀結構很復雜。

    4 超高相對分子質量聚乙烯纖維:在拉力作用下的失效機理

    在超高相對分子質量聚乙烯纖維被研制成功后的40多年來,對其微觀結構、變形特點和機理的研究是相隨進行的。有關超高相對分子質量聚乙烯單絲的變形過程和拉應力下失效的微觀機理的一個關鍵問題是:單絲斷裂的主要微觀機制是分子鏈(C-C鍵)斷裂?還是超高相對分子質量聚乙烯分子之間或微原纖等更大的組織之間的相對滑動和脫落?

    Smook(1984)及其同事報道,低于100 ℃的超高相對分子質量聚乙烯纖維的斷裂是分子的斷開(chain scissioning/scission)和分子之間橫向結合(lateral bonds,范德華力結合)斷裂的混合過程。斷裂過程是從諸如扭結帶(kink bands)等的表面異常(缺陷)處引發的,導致具有原纖化斷裂表面的裂紋的形成。分子相對滑動也是由原纖化結構引起的,因為裂紋沿著這種微原纖的邊界生長。單個微原纖的斷裂可能是分子鏈斷裂(如那些束縛和糾纏在一起的分子)和分子鏈滑動的綜合。Smook等的觀點就是分子鏈自身的斷開和分子鏈之間的滑動兩種微觀機制共存。

    然而在1991年,Werff和Pennings提出異議,他們認為“凍膠紡絲制作的超高相對分子質量聚乙烯纖維在拉伸變形直到纖維斷裂之前的變形能太?。ㄋ院茈y測量到),不足以破壞聚乙烯高分子的化學鍵”,表明Smook等1984年提出的分子鏈斷裂不太可能是一種微觀斷裂機制。其實在Werff和Pennings (1991)之前,Dijkstra曾建議:在較高溫度下,超高相對分子質量聚乙烯纖維的拉伸強度取決于應力誘發的斜方晶-六方晶相變造成的分子鏈滑動。后來又有Govaert和Peijs通過比較在不同溫度下進行的拉伸試驗得到的活化能值與聚乙烯中C-C鍵的鍵能,進一步證實高性能聚乙烯纖維的失效過程在很大程度上由分子鏈滑動機制主導。因此可以得出結論,超高相對分子質量聚乙烯纖維在拉力下的主要失效機理是分子或分子集團(微原纖)的滑動,而不是分子鏈的斷裂(破斷)。而分子或分子集團之間的結合力是較弱的范德華力,即纖維中存在這些薄弱環節,所以纖維的實際強度比理論極限強度低很多。

    后續詳見纖維材料強度和失效機理及其繩纜發展趨勢(三)

    江蘇優培德復合材料有限公司致力于碳纖維等復合材料汽車及工業領域的高性能零件開發、試制、及生產,配備有復合材料不同生產工藝如模壓、RTM、真空導入、纏繞等,根據不同的產品需求及量綱要求提供整體解決方案。


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