第7_1章纤维的力学性质(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 纤维的力学性质讲授内容重点: 拉伸指标及性能 粘弹性能 弹性性能 疲劳破坏了解 摩擦性能 弯曲性能第1节 纤维的拉伸性质 1. 拉伸曲线拉伸曲线 2. 拉伸性能指标拉伸性能指标 3. 常见纤维拉伸曲线常见纤维拉伸曲线 4. 纤维拉伸性能测量纤维拉伸性能测量 5. 拉伸断裂机理及影响因素拉伸断裂机理及影响因素材料拉伸测试1. 拉伸曲线对比拉伸曲线拉伸曲线 负荷p 伸长l曲线 应力应变曲线。 a Y (y,y) s Pb b 0.06 0.12 Pa 负荷 P(N) la 2 4 l 伸长(mm) 0 0 0.1 0.2 0 10 2

3、0 =应变 =应变率(%) 比应力 p (N/tex) 0 0.2 0.4 应力 (N/mm2=MPa) 0 300 600 试样长度 20 mm 线密度 0.3 tex 纤维密度 1.5 g/cm3 2. 材料强伸性能指标材料强伸性能指标 强伸性能是指材料断裂时的强力（或相对强度）和伸长(率)或应变。 2.1 强力Pb： 又称绝对强力、断裂强力。 是指材料能承受的最大拉伸外力，即材料受外力拉伸到断裂时所需要的力，单位为牛顿(N)。强度指标 （1） 断裂应力b 单位截面积上材料能承受的最大拉力 标准单位为帕Pa(N/m2) ,常用兆帕MPa (N/mm2)表示。 bbAP310tbPPb单位为

4、单位为NPt单位为单位为N/tex强度指标 （2） 比强度(相对强度) pb，或称比应力 是指每特(或每旦)材料（一般指纤维或纱线）能承受的最大拉力 单位为N/tex，常用cN/dtex（或cN/D）。 denbdtexbtNPPNPP强度指标 （3） 断裂长度Lb 材料（一般指纤维或纱线）重力等于其断裂强力时的材料长度 单位为km。 gmbbNPLPb单位为单位为N部分材料断裂长度示意图2.3 伸长能力指标断裂伸长率 材料拉伸至断裂时的伸长率（或应变） 表示材料断裂时的伸长变形能力的大小%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. 拉伸过程中的性质指标 初始模量 屈服点（应力和伸长率） 断裂功（比功）、功系数 柔顺性3.1 初始模量 初始模量是指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，即 - 曲线在起始段的斜率。 如果起始段直线不明显，可取1%（0.5%）伸长下的应力与应变的比值。 小变形情况下（0，具有弹性纤维 聚酰胺10521C10 10应变下的应力应变下的应力5 5应变下的应力应变下的应力4. 常见纺织纤维拉伸曲线常见纺织纤维拉伸曲线 羊毛 醋酯 粘胶 醋酯 腈纶 蚕丝 锦纶 涤纶 棉 锦纶 比应力 苎麻 亚 麻 应变 (%) 常见纺织纤维拉伸曲线常见纺织纤维拉伸曲线产业用纤维拉伸曲线 产业用纤维（高

8、强低伸型） 强而脆 应变 (%) 尼龙 聚酯 凯夫拉 玻璃 人造丝 应力 (g/d) 钢丝 应力 (g/tex) 拉伸曲线分类（1） （1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线 棉、麻等纤维素纤维 拉伸曲线近似直线，斜率较大（主要是纤维的取向度、结晶度、聚合度都较高的缘故）； 苎麻：断裂强度和初始模量大，断裂伸长率和断裂比功小刚硬而带有脆性 羊毛 醋酯 粘胶 醋酯 腈纶 蚕丝 锦纶 涤纶 棉 锦纶 比应力 苎麻 亚 麻 应变 (%) 拉伸曲线分类（2） （2）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线 羊毛、醋酯纤维、粘胶等 表现为模量较小，屈服点低和强力不高； 普通粘胶：断裂强度、初始模量和断裂比功较低，断裂伸

9、长为中等软而弱 羊毛：断裂强度很低，断裂伸长大，断裂比功比棉、麻要大韧性较好 羊毛 醋酯 粘胶 醋酯 腈纶 蚕丝 锦纶 涤纶 棉 锦纶 比应力 苎麻 亚 麻 应变 (%) 拉伸曲线分类（3） 羊毛 醋酯 粘胶 醋酯 腈纶 蚕丝 锦纶 涤纶 棉 锦纶 比应力 苎麻 亚 麻 应变 (%) （3）强力与伸长率居中的纤维 涤纶、锦纶、蚕丝等纤维。 涤纶：断裂强度、断裂伸长、初始模量和断裂比功较大硬挺而坚韧 锦纶：断裂强度、断裂伸长和断裂比功较大，初始模量较低软而强韧，断裂比功大耐疲劳性和耐磨性优良 蚕丝：断裂强度中等偏高，断裂伸长率较棉、麻高得多，断裂比功较高天然纺织纤维中属强韧纤维拉伸应力应变特征描

10、述术语拉伸应力应变的特征对应纤维示例模量屈服应力 断裂应力 断裂伸长柔而弱低低低中粘胶刚而脆高无中低苎麻、棉刚而强高高高中蚕丝、高强低伸涤纶柔而韧低低高高羊毛、锦纶刚而韧强而脆 高高高高高高高低普通涤纶高性能纤维5. 纤维拉伸性能测量5.1 摆锤式强力仪摆锤式强力仪等速牵引式等速牵引式 型号 （1） Y161型单纤维强力机 （2） Y162束纤维强力机 （3） Y371型缕纱强力机 （4） Y361型单纱强力机 特点 上下夹头同时以不同 速度下降，力的施加 也呈非线性 拉伸变形无一定的规律 上夹头 下夹头 纤维 重锤杆 支点 标尺 转动机构 指针 L G1 G 5.2 秤杆式强力仪秤杆式强力仪

11、等加负荷等加负荷 卜氏(Pressley)强力仪 Uster 公司生产的Dynamat 自动单纱强力仪 上夹头位移量是试样的伸长 下夹头 纤维 上夹头 称杆 v G l0 重锤 支点 5.3 电子强力仪电子强力仪等速伸长型等速伸长型 传感器测力，下夹头位移量伸长 上夹头 处理单元 试样 显示 打印绘图仪 v 换算单元 l=vt 力传感器 下夹头 6. 拉伸断裂机理及影响因素 OO：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直； OM：（虎克区）大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹簧； QS：（屈服区）大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易回复，模量相应也逐渐变

12、小； Q Q：屈服点：屈服点；O O典型纤维拉伸曲线分析典型纤维拉伸曲线分析 SA：（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的横向结合力有所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。 A A：断裂点：断裂点。O O纤维拉伸断裂机理分析大分子链受力示意图大分子链受力示意图6.1 拉伸破坏机理a Y (y,y) s b p (N/tex) 接近直线基本符合虎克定律变形：1. 纤维大分子链本身的拉伸，即键长、键角的变形；2. 链间剪切形变。无定形区中大分子链（原纤）克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向一部分大分子链伸直，紧张的可能被拉断或从结晶部分中抽拔出来次价键的断裂使非结

13、晶区中的大分子逐渐产生错位滑移，纤维变形比较显著模量相应逐渐减小，纤维进入屈服区。大分子链（原纤）基本伸直平行时，取向度提高，大分子间距就靠近变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏进入强化区，纤维模量再次提高纤维解体：纤维大分子主链和大多次价键的断裂纤维断口图（1） C B A A B C A B (a) (b) (c) (d) (e) 纤维断口图（2）裂口孔洞表面缺陷裂隙纤维AB (a) (b) (c) 6.2 影响纺织纤维拉伸性质的因素 纤维断裂决定于大分子的相对滑移和分子链断裂纤维断裂决定于大分子的相对滑移和分子链断裂 6.2.1 纤维的内部结构 (1) 聚合度影响滑移 纤维

14、强度随纤维大分子聚合度的增大而增加，但当聚合度增加到一定值后，再增加时，纤维强度增加缓慢 聚合度足够大，分子链间滑动阻力已大大超过分子链的断裂强力影响因素纤维的内部结构 (2) 取向度有效分力 决定有效承载的分子链数目 取向度增大，纤维断裂强度增加，断裂伸长率降低。 化学纤维的取向度与拉伸倍数有关 (3) 结晶情况强度 纤维的结晶度愈高，纤维中分子排列愈规整，缝隙孔洞较小，分子间结合力愈强，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得较高。 结晶区分布影响因素关系图 g/den 伸长率 (%) 增加取向度 醋酯纤维 粘胶纤维 比应力 (gf/tex) 断裂点轨迹 N/tex 比容 (cm3/g)

15、初始模量 (N/cm2) 屈服应力 (N/cm2) 结晶度 (%) 结晶形态的影响 不同类型粘胶纤维性能类型类型干强干强(cN/dtex)干伸干伸（）（）湿强湿强(cN/dtex)湿伸湿伸(%)湿保湿保率率(%)吸湿吸湿密度密度结晶结晶度度晶区晶区尺寸尺寸双折双折射射普通普通1.919.91.027.55012.51.51245.24.30.027强力强力3.08.31.917.86212.91.50942.93.90.032高强高强3.29.42.025.06413.41.50942.93.10.032超强超强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约约7014.11.50841.52.00.037富纤富纤3.15.76122.44.01114约约709111.52655.57.50.048HWM3.15.38182.24.11522约约7010126.2.2 试验条件的影响 (1) 温度和相对湿度结合力 温度高，大分子热运动能高，大分子柔曲性提高，分子间结合力削弱断裂强度下降，断裂伸长率增大，初

17、始模量降低 空气相对湿度大，纤维回潮率越大，大分子之间结合力越弱，分子链间越松散，易滑移 棉、麻改善断裂不同时性影响因素关系图 L (cN/tex) 177 99 21 -57 P0 (cN/dtex) (c/mm2) L (cN/tex) P0 (cN/dtex) (c/mm2) 富纤 棉 L (cN/tex) P0 (cN/dtex) (c/mm2) (%) 涤纶涤纶细羊毛细羊毛（2）试样长度 弱环定律：纤维断裂总是发生在纤维的最弱处，试样长度长时，最弱的弱环被测到的机会就多，则平均强力偏低。 试样越长，弱环出现的概率越大，测得的断裂强度越低（3） 试样根数 由束纤维试验所得的平均单纤维强力比单纤维试验时的平均强力为低。 纤维的断裂伸长率不均匀，伸直状态也不相同 纤维断裂具有不同时性束纤维强力总是小于各根单纤维强力之和（