第7章 纤维材料的机械性质

纤维材料的机械性质内容提要：描述纤维拉伸性质的指标影响纤维断裂强伸度的测试条件粘弹体的基本力学特征纤维的表面力学性质纤维弯曲、扭转、压缩破坏的形式及基本指标。

重点难点重点：影响拉伸、摩擦的因素粘弹体的基本力学特征难点：影响因素的分析蠕变、应力松弛、疲劳

单纤维的拉伸性质表示纤维拉伸性能的指标拉伸曲线的基本性质常用纺织纤维的拉伸曲线纤维拉伸断裂机理影响纤维拉伸性能的因素纤维拉伸性能的测试一、表示纤维拉伸性能的指标指标主要有：断裂强力；强度；断裂伸长1.断裂强力（绝对强力）定义：纤维能够承受的最大拉伸外力。单位：牛顿（N）；厘牛（cN)；毫牛（mN)。对不同粗细的纤维，强力没有可比性。2.强度

根据采用线密度指标不同，相对强度指标有以下几种:(1)断裂应力定义：指纤维单位截面上能承受的最大拉力。单位：N/m2（帕）；N/mm2（兆帕）其计算式为：

σ=P/S式中：σ——纤维的断裂应力（MPa）

P——纤维的强力（N）

S——纤维的截面积（mm2）（2）断裂强度（比强度）定义：每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。单位：N/tex；cN/dtex其计算式为：

Ptex=P/Tt

Pden=P/D式中：Ptex——特数制断裂强度（N/tex；）

Pden——旦数制断裂强度（N/d；cN/d）

P

——纤维的强力（N；cN）

Tt——纤维的特数（tex;dtex)

D——纤维的旦数(d)

（3）断裂长度定义：纤维的自身重量与其断裂强力相等时所具有的长度。其计算公式为：LP=（P/g*Tt）*1000式中：LR——纤维的断裂长度（km）P——纤维的强力（N）

g——重力加速度（等于9.8m/s2）

Tt——纤维的公制支数,tex。

纤维强度三个指标之间的换算式为：σ=Υ*Ptex=9*Υ*PdenPtex=9*Pden

LP

=(Ptex/g)*1000

式中：

σ——纤维的断裂应力；

Υ——纤维的密度（g/cm2）；

Ptex——纤维的特数制断裂强度；

Pden——纤维的旦数制断裂强度；

g——重力加速度（等于9.8m/s2）；

LP——纤维的断裂长度（km）。3.断裂伸长定义：纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断裂伸长率。

其计算公式为：

ε=（L-Lo）/Lo式中：

Lo——纤维加预张力伸直后的长度（mm）；

L

——纤维断裂时的长度（mm）；4、湿干强度比纤维在完全润湿时的强力占在干态（标准大气）时的百分率。湿强度/干强度，称之为湿干强度比二、拉伸曲线的基本性质1、拉伸曲线定义

负荷-伸长曲线：表示纤维在拉伸过程中的负荷和伸长的关系曲线。

应力-应变曲线：表示纤维在拉伸过程中的应力和应变的关系曲线。一般纤维负荷-伸长曲线三个区两个点实测应力-应变曲线定义：纤维负荷-伸长曲线上起始一段直线部分的斜率。

E=Pa*L/Le*Tt

E越大表示纤维在小负荷作用下不易变形，刚性较好，其制品比较挺括；

E越小表示纤维在小负荷作用下容易变形，刚性较差，其制品比较软。

2.初始模量E天然纤维：麻>棉>丝>毛；

再生纤维：富纤>粘胶>醋纤；

合成纤维：涤纶>腈纶>维纶>锦纶初始模量比较3.屈服应力与屈服应变

屈服点：曲线由伸长较小部分转向伸长较大部分的转折点。屈服应力：屈服点处所对应的应力。屈服应变：屈服点处所对应的应变。弹性变形和永久变形4．断裂功、断裂比功和功系数

（1）断裂功W

定义：指拉断纤维过程中外力所作的功，或纤维受拉伸到断裂时所吸收的能量。

W是强力和伸长的综合指标，用来有效评价纤维的坚牢度与耐用性能。

W大，说明纤维的韧性好，耐疲劳性能强，能承受较大的冲击。在负荷-伸长曲线上，断裂功就是曲线下所包含的面积。

（2）断裂比功Wa

定义：拉断单位细度、单位长度纤维外力所作的功Wr=W/(Tt*L0)纤维密度相同时，它对不同粗细和不同试样长度的纤维材料具有可比性。（3）功系数We定义：实际所作功（即断裂功W，相当于拉伸曲线下的面积）与假定功（即断裂强力*断裂伸长）之比。其计算式为：

We=W/(Pa*La)

We值越大表明这种材料抵抗拉伸断裂的能力越强。各种纤维的功系数大致在0.36-0.65间。

（4）纤维柔顺性系数C＝0，说明曲线是直线形的，柔顺性差C＜0，曲线下凹，柔顺性好C＞0，曲线上凸，柔顺性较差，但可塑性可能较好。第二节影响拉伸测试结果的因素一．纤维拉伸断裂机理开始受力时键长、键角的变化外力增加次价键进一步伸展和取向次价键断裂非结晶区中的大分子逐渐错位滑移进入屈服区分子链调整完成，大分子主链受力进入强化区纤维断裂原因有：大分子主链的断裂；大分子之间的滑脱。二．影响纤维拉伸断裂强度的主要因素内因：

1.大分子结构大分子的柔曲性：纤维大分子在一定条件下，通过内旋转或振动而形成各种形状的难易程度的特性。当大分子比较柔曲时，在外力拉伸作用下，大分子的伸直、伸长较大聚合度：聚合物分子链中的结构单元数平均聚合度：

由于高聚物大多是不同分子量的同系物的混合物，所以高聚物的聚合度是指其平均聚合度。

大分子的平均聚合度越小，则纤维强度较低而伸度较大；大分子的平均聚合度越大，纤维的强度就较高而伸度较小。不同拉伸倍数下，粘胶纤维聚合度对强度的影响2.超分子结构超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体。结晶度用来表示聚合物中结晶区域所占的比例。结晶度高，则纤维中分子排列规整，缝隙孔洞较少，分子间结合力强，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量都较高，但伸长较小。结晶度太大会使纤维变脆。非结晶区的结构情况对纤维强伸度的影响较大。取向度：指大分子或链段等各种不同结构单元沿纤维轴规则排列程度。取向度越高，纤维的强度越大，断裂伸长率减少。粘胶纤维不同取向度的应力-应变曲线

3.形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性外因：测试条件的影响1.温度高温：对纤维聚合物而言，高温是指-100℃至室温以上的范围高温时，纤维强度主要受内部结构的影响；低温时，纤维强度主要受局部缺陷的影响。在纤维回潮率一定的条件下，温度高，纤维大分子热动能高，大分子柔曲性提高，分子间结合力消弱，因此，纤维强度降低，断裂伸长率增大，拉伸模量下降。温度对羊毛拉伸性能的影响2.相对湿度多数纤维随相对湿度的提高，纤维的强度降低，伸长增大、初始模量下降。天然纤维素棉、麻的断裂强度和断裂伸长却随相对湿度的提高而上升化学纤维中，涤纶、丙纶基本不吸湿，它们的强度和伸长率几乎不受相对湿度的影响。相对湿度对细羊毛拉伸性能的影响3.纤维根数束纤维中单根纤维间的力学差异单根纤维断裂的不同时性试样根数：根数↑，折算成单纤维强度↓4.试样长度弱环定律：沿纤维长度方向，强度是不均一的，纤维总是在最薄弱处断裂。试样愈长，出现薄弱环节的概率越大，越容易发生断裂，测得的强力下降。L↑，出现弱环的机会↑5.拉伸速度一般情况下，随拉伸速度增加，断裂强力，初始模量，屈服应力均会提高，而断裂伸长无一定规律。6.拉伸试验机类型等速拉伸型等加负荷型等速伸长型摆锤式强力仪INSTRON断裂强力仪第三节黏弹体的力学行为特征纤维的拉伸变形与弹性纤维的流变性质（或粘弹性质）纤维的疲劳特性最单纯的形变形式有两种：理想弹性变形（虎克变形）；纯粘性流动（牛顿变形）。虎克变形：牛顿变形：

对以高分子为主要组成物质的纤维来讲，它不仅具有弹性，而且也具有粘性，这种粘性与弹性的组合即为粘弹性，具有粘弹性的物体即为粘弹体。一、纤维的拉伸变形1.纤维拉伸变形的组成

纤维变形包括：可回复的弹性变形（急弹性+缓弹性）和不可复的塑性变形急弹性变形：加（或去除）外力后能迅速变形。

缓弹性变形：加（或去除）外力后需经一定时间后才能逐渐产生（或消失）的变形。塑性变形：纤维材料受力时产生变形，去除外力后，不回复的变形。（绝对值）2.纤维的完整绝对变形：

l=l急+l缓+l塑（绝对值）

ε=ε急+ε缓+ε塑（相对值）三种变形同时产生，所占比例受纤维的性质、加负荷的大小、负荷的作用时间的影响。二、纤维蠕变和应力松弛

定义：纤维在外力作用下，应力应变随时间而变化的性质。包括蠕变和应力松弛1．蠕变(1)定义：指一定温度下，纺织材料在一定外力作用下，其变形随时间而变化的现象。（2）曲线

2．应力松弛

（1）定义：在一定温度下，拉伸变形保持一定，纺织材料内的应力随时间的延续而逐渐减小的现象称为应力松弛。（3）产生原因：

（2）曲线3．影响纤维流变性质的因素①纤维本身的结构：

分子量增加，分子链的极性、交联和结晶增加，蠕变松弛减少。②外界条件：如温度、湿度增加，蠕变、松弛也增加4.应用

如：布机长期停车时，须使之处于综平状态，以避免经纱受力，产生应力松弛，纱线下垂，再开车时由于开口不清而形成织疵。各种卷装或机上的半制品储存太久，也会因应力松弛而松烂。提高温湿度可消除纤维材料的内应力，防止退捻和达到定形的目的等。三、纤维的弹性和疲劳特性（一）纤维的弹性1、定义：指纤维变形的恢复能力。2、常用指标：

a.弹性回复率Re（或称回弹率）

Re=（l急+l缓）/（l急+l缓+l塑）

=（L1-L2）/（L1-L0）式中：L0——纤维加预加张力使之伸直但不伸长时的长度（mm）

L1——纤维加负荷伸长的长（mm）

L2——纤维去负荷再加预张力后的长度（mm）

b.

弹性功率We

We=弹性恢复功/拉伸所作的功=Acbe/Aoae图中：ec——急弹性变形；

cd——缓弹性变形；

do——塑性变形；3.影响纤维弹性的因素：（1）纤维的结构分子链的柔曲

大分子的柔曲性：纤维大分子在一定条件下，通过内旋转或振动而形成各种形状的难易程度的特性。分子间的结合点如羊毛弹性优良棉、麻、粘胶等纤维素纤维弹性差锦纶弹性好涤纶的弹性好

（2）温度和相对湿度；几乎所有纤维的弹性都随温度的升高而增加（3）测试条件；

其他条件相同时，当初始拉伸应力或伸长率较大时，测得的弹性回复率较小。

负荷停顿的时间较长，测得的弹性回复率较小。

去负荷后停顿时间较长，弹性回复率较大。（二）纤维的疲劳特性定义：纺织材料在较小外力、长时间反复作用下，塑性变形不断积累，当积累的塑性变形值达到断裂伸长时，材料最后出现整体破坏的现象。疲劳破坏包括：分子滑移、分子断裂、裂缝的产生与扩散、应力集中。疲劳形式有：蠕变、重复伸长、重复压缩、重复弯曲及重复扭曲。疲劳破坏有两种静止疲劳：是指纤维材料在一不大的恒定拉伸力作用下，到达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。也称为静态疲劳或蠕变疲劳。动态疲劳：指纤维材料经受多次加负荷、减负荷的反复循环作用，最后被破坏。纤维的多次拉伸循环纤维的重复拉伸疲劳图2.指标和测定方法

(1)纤维在一定条件下拉伸至断裂时，所经历的循环次数；

(2)经过一定负荷、一定次数的反复作用，测其剩余伸长的大小。3.纤维结构和性能与疲劳的关系纤维分子量增加，结晶度提高，耐疲劳性好；取向度增加，耐疲劳性差。屈服强度高，屈服伸长大，断裂功大，耐疲劳性好。试验条件第四节纤维的表面力学性质摩擦机理纤维的摩擦、抱合和切向阻力纤维摩擦抱合性质的指标与测试纤维的摩擦抱合性质与可纺性、织物的手感、起毛起球、耐磨和抗皱等有关与纺纱工艺的关系与纱、布关系与磨损的关系与发热的关系与静电的关系（一）摩擦力和抱合力1.摩擦力定义：纤维之间或纤维与机件之间，在一定正压力作用下，作相对滑动时所产生的阻力。2.抱合力定义：纤维间在法向压力为零时，做相对滑动时产生的切向阻力。纤维的切向阻力：切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2μN=F1+fN切向阻抗系数μ=F1/N+f

一、摩擦抱合的概念和指标影响纤维抱合力的因素：纤维的几何形态；排列形状；纤维弹性；表面油剂；温湿度；几种纤维的抱合性能

纤维种类纤维线密度(dtex)纤维长度(mm)20°C时的抱合长度(mgf/tex)羊毛直径23μm5530涤纶4.47065腈纶3.859047锦纶3.37095三．纤维摩擦抱合性质的指标与测试

（二）指标1.抱合系数h(cN/cm)定义：单位长度纤维上的抱合力。测试方法：从没有法向压力的纤维条中夹取一根纤维，测定出这根纤维所需的力F抱（cN）和纤维的长L（cm）的比值。h=F抱/L2.抱合长度Lh(m)定义：纤维条的自身重力等于其强力（即抱合力）时所具有的长度测试方法：将纤维制成一定规格的没有法向压力的纤维条，在强力仪上以大于纤维长度的适当上下夹持距离拉断，测得它的强力和纤维条的特数

Lh=F抱*106/gTt式中：

F抱——纤维条的强力(gf)

Tt——纤维条的特数

3.切向阻抗系数及其测定切向阻抗系数：纺织纤维在相互滑动时所受到的切向阻力包括摩擦力F摩和抱合力F抱两部分，当法相压力为N时，切向阻抗系数μ为：

μ=（F摩+F抱）/N绞盘法——测定纤维与纤维，纤维与金属、陶瓷等其它材料间摩擦的切向阻抗系数。Y151型摩擦系数测定仪

二、影响切向阻抗系数的因素

1.纤维表面的性质截面为非圆形的纤维的μ<圆形光滑合纤的μ如：棉、粘胶、羊毛、粘纤易变形纤维的μ>不易变形纤维的μ无捻长丝的μ>加捻长丝或短纤纱的μ2.化纤油剂的影响

化纤不上油——切向阻抗系数μ大

上油少——μ↓上油多——μ↑在一定范围内，上油量↑，μ↓；超过一定量后，上油量↑，μ↑。油剂可降低纤维比电阻，增进纤维间抱合，增加平滑3.温湿度的影响

温度：

随着T↑，μ↓；到一定数值时，随着T↑，μ↑。湿度：

RH%↑，则μ↑

当RH%=100%时，μ最大。在水中，则μ水<μRH=100%。加工中RH%必须加以控制4.法向压力的影响

主体趋势下降5.滑动速度的影响由静到动，μ↓，而后随滑动速度↑，μ↑，到一定的v时μ稳定。

合纤在低速时，存在粘滑现象，μ变化较大。

一般测μ动6.导纱面光滑程度的影响

分两种不同情况：天然纤维，粘纤，异纤——导纱面光滑程度↑，则μ↓圆形，表面光滑的纤维——导纱面光滑到一定程度后，则μ↑。三、纤维摩擦抱合性与可纺性的关系为使纤维可纺性优良：必须有良好的抱合性但又比较平滑，摩擦系数不能太大并要求静摩擦系数＞动摩擦系数四、纤维的磨损（一）概念：互相接触并滑移的两物体，在接触面上所产生的破坏。（在非表面接触的其它作用下引起的表面破坏也称为磨损）（二）造成磨损的主要客观因素1.力学作用：（1）纵向划槽；（2）横向划槽；（3）咬啮剪切；（4）撕剥；（5）疲劳性脱落等2.热学作用：表面热熔（从高温体擦过）而被揩拭落下。3.化学作用：在化学试剂等作用的同时，受力摩擦使表面局部被揩掉。（三）描述（衡量）磨损程度的指标1.因磨损某些性能的绝对损失量。如直径或线密度，重量，强伸性能，光泽等2.因磨损某些性能的损失率。

第五节纤维的弯曲、扭转与压缩特性纤维的弯曲纤维的扭转纤维的压缩一、纤维的弯曲（一）纤维抗弯刚度Rf定义：纤维抵抗其形状发生弯曲变形的能力。公式：Rf=πEr2ηf/4式中：r——实际截面积折算成正圆形时的半径（mm）

E——纤维的弯曲弹性模量（cN/cm2）

ηf——截面性状系数（它等于实际的惯性矩与正圆形截面惯性矩之比）Rf大纤维不易弯曲，耐磨性差，其织物较挺爽，有身骨。Rf小纤维易产生弯曲，其织物较软糯。常用纤维Rf（抗弯刚度）由大到小的次序为：苎麻→玻纤→涤纶→富纤→腈纶→维纶→蚕丝→棉→锦纶→羊毛纤维种类截面形状系数

ηf密度（g/cm3）初始模量E（cN/tex）相对抗弯刚度Rf(104.cN.cm2）

长绒棉0.791.51872.13.66细绒棉0.701.50353.12.46苎麻0.801.522224.69.32亚麻0.871.511166.24.96细羊毛0.881.31220.51.18粗羊毛0.751.29265.61.23桑蚕丝0.591.32141.92.65粘胶纤维0.751.52515.52.03涤纶0.911.381107.45.82锦纶60.921.14205.81.32锦纶660.921.14214.61.38腈纶0.801.17670.33.65维纶0.781.28596.82.94玻璃纤维1.002.522704.88.54异形纤维比圆形纤维Rf大（同品种相同旦数）纤维锦纶聚酯丝截面形状○△

三叶形Y○△△抗弯刚度31.839.434.944.038.1112.6131.540.1纤维Rf的测定用日本风格仪KES；测定结节强力与钩接强力；（二）纤维在弯曲时的破坏1.概念：外侧——受拉，伸长内侧——受压，压缩2.最小允许的曲率半径最外层的拉伸伸长率ε为：ε=d/2rε=(Xp-X0)/X0=[(r+d/2)Φ-rΦ]rΦ=d/2r材料一定时，纤维或纱线防止表面破裂的最小允许曲率半径：r≧d/2εpr--弯曲的曲率半径（mm)εp--断裂伸长率（%）d--纤维或纱线厚度（mm）良好的弯曲性能耐弯曲而不被破坏纤维或纱线越细纤维或纱线拉伸断裂伸长率越大越不易弯折损坏纤维或纱线弯曲曲率半径越大具有一定的抗弯刚度：抗弯刚度小：制成的织物柔软贴身，软糯舒适。但织物容易起球；抗弯刚度大：制成的织物挺爽

3.实用指标勾结强度（率）打结强度（率）二、纤维的扭转纱线在垂直与其轴线的平面内收到外力矩的作用，就产生