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        基于定點(diǎn)握持彎曲疲勞的高性能纖維彎曲疲勞性能表征

        2013-11-20 01:15:12蔡光明于偉東

        蔡光明,于偉東,2

        (1.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430073;2.東華大學(xué) 紡織材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620)

        高性能纖維雖然有較好的拉伸力學(xué)性能,然而在切向力作用下會(huì)發(fā)生沿軸向劈裂破壞,如Kevlar纖維在反復(fù)彎曲的作用下,纖維受到剪切作用而劈裂破壞,甚至?xí)l(fā)生原纖抽拔斷裂[1-2].歷史上,對(duì)于這類劈裂破壞形態(tài)特征的分析較多集中于拉伸疲勞斷裂形態(tài)[3-5].由于彎曲疲勞測(cè)量存在不足[6-7],雖有測(cè)量結(jié)果但因影響因素眾多而存在差異,不過在破壞形態(tài)上具有相近性.Herale等[8]研究得到了Kevlar纖維的破壞歸因于原纖劈裂,其破壞性能表現(xiàn)為原纖分裂.Tanaka等[9-10]研究了Kevlar 49在空氣、真空及濕環(huán)境下的彎曲疲勞破壞形態(tài),其破壞的主要形態(tài)為原纖化劈裂,在真空和濕環(huán)境中破裂點(diǎn)原纖劈裂得更長(zhǎng).Sengonul等[11]研究了高強(qiáng)聚乙烯纖維的彎曲疲勞破壞形態(tài),劉曉艷等[12]研究了幾種高性能纖維的彎曲疲勞性能.基于上述事實(shí),對(duì)5種高性能纖維作定點(diǎn)彎曲疲勞的測(cè)量與比較,主要集中在其破壞形態(tài)特征上,以證實(shí)定點(diǎn)的有效性和各纖維疲勞破壞的主要特征.

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)材料為Kevlar 49,Kevlar 129,PBO,Nomex,高強(qiáng)高模聚乙烯纖維,纖維的細(xì)度分別為2.2 dtex,1.68 dtex,4 dtex,2.2 dtex和6 dtex.在實(shí)驗(yàn)中使用的纖維有效的加持長(zhǎng)度為6 cm.

        1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

        實(shí)驗(yàn)儀器為東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的柔性材料彎曲疲勞測(cè)試裝置(FiBFAN).

        1.3 測(cè)試儀器

        定點(diǎn)握持彎曲疲勞儀的結(jié)構(gòu)見圖1,從圖中可以看出該儀器主要由以下幾部分組成:傳感器用來給纖維施加預(yù)加應(yīng)力和測(cè)量彎曲過程中纖維所受的循環(huán)應(yīng)力;上下夾頭用來夾持纖維;定位針用來握持纖維,保證纖維定點(diǎn)彎曲;數(shù)字化觀察部分由光源、顯微鏡和CCD組成,能夠?qū)崟r(shí)拍攝纖維的彎曲疲勞過程,觀察材料彎曲疲勞破壞過程和彎曲疲勞斷裂端形貌;控制部分連接電腦和儀器,用來設(shè)定測(cè)量中的各參數(shù)如預(yù)加應(yīng)力、彎曲角度與彎曲頻率,以保證儀器的正常運(yùn)行.

        圖1 定點(diǎn)握持彎曲疲勞儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure sketch of fixed bending fatigue equipment

        2 結(jié)果和討論

        2.1 Kevlar 49纖維彎曲疲勞破壞特征分析

        Kevlar 49纖維的彎曲疲勞斷裂形貌如圖2所示,其中圖a,b為在相同的預(yù)加應(yīng)力和彎曲角度條件下的彎曲疲勞斷裂圖,在相同的初始條件下,圖a的彎曲疲勞斷裂次數(shù)小于圖b.圖a中纖維有明顯的原纖分離,但各原纖斷裂長(zhǎng)度差別不大,形成典型的“毛筆狀”斷裂形態(tài),而圖b不僅有明顯的原纖分裂,并且各原纖斷裂的長(zhǎng)度相差較大,形成軸向抽拔式破壞,疲勞壽命更長(zhǎng);圖c為典型的摩擦斷裂,當(dāng)預(yù)加應(yīng)力和彎曲角度均較小時(shí),纖維在彎曲點(diǎn)受到摩擦作用,沒有形成明顯的原纖分裂,而是由于摩擦而斷裂,所以疲勞壽命較長(zhǎng);圖d中有大量的原纖分裂,圖e,f中也可以看到明顯的原纖分裂,故高強(qiáng)芳綸纖維彎曲疲勞斷裂的主要特征表現(xiàn)為原纖化劈裂狀破壞形態(tài),這也正好驗(yàn)證了以往研究者所得到的芳綸纖維彎曲疲勞破壞的形態(tài)特征——因側(cè)向作用力小而形成的原纖化破壞端.這也與Kevlar纖維一次拉伸斷裂頭端一致,說明Kevlar纖維的側(cè)向作用力確實(shí)很弱.

        注:(a)為預(yù)加應(yīng)力7 cN/dtex,彎曲角度45°,彎曲疲勞次數(shù)7 145次;(b)為預(yù)加應(yīng)力7 cN/dtex,彎曲角度45°,彎曲疲勞次數(shù)8 385次;(c)為預(yù)加應(yīng)力4 cN/dtex,彎曲角度45°,彎曲疲勞次數(shù)35 254次.圖2 Kevlar 49 纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài) Fig.2 The fracture morphology of Kevlar 49 fiber

        2.2 Kevlar 129纖維彎曲疲勞破壞特征分析

        Kevlar 129纖維的彎曲斷裂形態(tài)見圖3,從圖中可以看出,Kevlar 129纖維的彎曲斷裂形態(tài)主要表現(xiàn)為原纖劈裂.與Kevlar 49纖維類似,對(duì)位芳綸纖維具有高取向度、結(jié)晶度、原纖化、剛性鏈結(jié)構(gòu)特征以及較低的分子鏈間作用力,當(dāng)纖維受到反復(fù)彎曲作用時(shí),彎曲點(diǎn)處的纖維由于受到反復(fù)拉伸和壓縮作用而產(chǎn)生原纖劈裂破壞,可以看到Kevlar 129纖維劈裂的原纖較短,所以它的彎曲疲勞壽命較Kevlar 49纖維長(zhǎng).

        圖3 Kevlar 129 纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài)Fig.3 The fracture morphology of Kevlar 129 fiber

        2.3 PBO纖維彎曲疲勞破壞特征分析

        圖4為PBO纖維彎曲疲勞斷裂端典型形態(tài)圖,可以看出類似對(duì)位芳綸纖維斷裂端結(jié)構(gòu),斷裂端表現(xiàn)為明顯的原纖劈裂.其中圖a中有較為明顯的原纖劈裂,這主要是由于PBO纖維為原纖化結(jié)構(gòu),在彎曲過程中受到反復(fù)拉伸壓縮作用后原纖發(fā)生軸向分裂,斷裂處原纖長(zhǎng)度的差別不大,纖維的彎曲壽命較短.而圖b中纖維的原纖化并不明顯,纖維的斷頭較為整齊,纖維的疲勞壽命較圖a長(zhǎng).圖c中纖維的原纖化明顯,并且原纖斷裂長(zhǎng)度的差別較大,各原纖不是同時(shí)斷裂,纖維的彎曲疲勞壽命更長(zhǎng).圖d,e,f也為原纖化劈裂斷裂形式,其主要原因是PBO纖維大分子沿著纖維軸向高度的取向,同時(shí)纖維大分子鏈間的作用力較小,當(dāng)纖維發(fā)生彎曲時(shí),纖維大分子鏈會(huì)發(fā)生原纖劈裂破壞.因此,與Kevlar纖維的破壞類似,PBO纖維同樣表現(xiàn)為原纖劈裂破壞.

        注:(a)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex,彎曲角度45°,彎曲疲勞次數(shù)7 046次;(b) 為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex,彎曲角度45°,彎曲疲勞次數(shù)8 787次;(c)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex,彎曲角度45°,彎曲疲勞次數(shù)為 9 645次.圖4 PBO纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài) Fig.4 The fracture morphology of PBO fiber

        2.4 高強(qiáng)聚乙烯纖維彎曲疲勞破壞特征分析

        高強(qiáng)聚乙烯纖維彎曲疲勞斷裂見圖5,其斷裂端形態(tài)主要表現(xiàn)為塑性斷裂和少量的原纖化.其中圖a,c明顯是塑性積累斷裂,圖b中纖維斷裂端的芯層有明顯的原纖化,但原纖劈裂所形成的絲束數(shù)目不多,尺寸相對(duì)較大.與Kevlar與PBO纖維明顯的原纖劈裂斷裂比較,高強(qiáng)聚乙烯纖維的斷裂形態(tài)表現(xiàn)為塑性積累斷裂和少量的原纖化,這主要是由于高強(qiáng)聚乙烯纖維分子間是氫鍵結(jié)合,當(dāng)纖維發(fā)生彎曲時(shí)容易發(fā)生塑性蠕變,產(chǎn)生塑性變形而斷裂.同時(shí),高強(qiáng)聚乙烯纖維不僅具有大的拉伸強(qiáng)力,而且大分子鏈相對(duì)柔軟,所以當(dāng)纖維被彎曲時(shí)纖維容易發(fā)生塑性變形.由于高強(qiáng)聚乙烯纖維的玻璃化溫度較低,熔點(diǎn)較低,外力反復(fù)作用后溫度升高,尤其在彎曲點(diǎn)處受到反復(fù)的拉伸和壓縮,導(dǎo)致該點(diǎn)的溫度升高,使得它的塑性特征表現(xiàn)出來,這就是明顯的塑性積累疲勞破壞.

        注:(a)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex,彎曲角度60°,彎曲疲勞次數(shù)9 426次;(b)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex,彎曲角度45°,彎曲疲勞次數(shù)10 487次;(c)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex,彎曲角度60°,彎曲疲勞次數(shù)11 413次.圖5 高強(qiáng)聚乙烯纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài)Fig.5 The fracture morphology of UHMW-PE fiber

        2.5 Nomex纖維彎曲疲勞破壞特征分析

        Nomex纖維彎曲疲勞斷裂形態(tài)見圖6,其中圖a,b為相同預(yù)加應(yīng)力和彎曲角度下的斷裂形態(tài),可以看出Nomex纖維斷頭沒有原纖分離和劈裂現(xiàn)象,而是表現(xiàn)為舌狀的撕裂破壞,這主要是由于Nomex纖維不是原纖狀結(jié)構(gòu),分子鏈較為柔軟,大分子鏈間作用力相對(duì)較大,原纖不易分裂.同時(shí),由于纖維的斷裂伸長(zhǎng)較大,纖維較為柔軟,在纖維彎曲過程中會(huì)發(fā)生伸長(zhǎng)變形而產(chǎn)生的撕裂,所以疲勞壽命較長(zhǎng).圖c中部分原纖從纖維中脫落,這主要是由于Nomex纖維為皮芯結(jié)構(gòu),內(nèi)外層的伸長(zhǎng)率不同,在彎曲疲勞過程中內(nèi)外層所受到力的大小也不同,導(dǎo)致內(nèi)外層斷裂的不同時(shí)性,所以先斷裂的部分原纖從纖維上脫落,疲勞壽命更長(zhǎng).

        注:(a)為預(yù)加應(yīng)力1.5 cN/dtex,彎曲角度60°,彎曲疲勞次數(shù)12 016次;(b) 為預(yù)加應(yīng)力1.5 cN/dtex,彎曲角度60°,彎曲疲勞次數(shù)11 435次;(c)為預(yù)加應(yīng)力2 cN/dtex,彎曲角度45°,彎曲疲勞次數(shù) 14 145次.圖6 Nomex纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài) Fig.6 The fracture morphology of Nomex fiber

        3 結(jié)論

        利用定點(diǎn)彎曲疲勞儀測(cè)試了幾種高性能纖維的彎曲疲勞性能,獲得了它們的彎曲疲勞斷裂端照片,對(duì)它們的彎曲疲勞破壞形態(tài)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn) Kevlar和PBO纖維由于高的原纖化結(jié)構(gòu),在彎曲過程中在彎曲點(diǎn)處受到反復(fù)拉伸和壓縮而導(dǎo)致原纖分裂,所以它們的彎曲疲勞破壞主要為原纖劈裂,斷頭形式表現(xiàn)為明顯的原纖化劈裂破壞,形成典型的“毛筆狀”斷裂形態(tài);高強(qiáng)聚乙烯纖維由于分子鏈間的作用力較大,大分子鏈較為柔軟,其斷裂形式表現(xiàn)為塑性積累斷裂,沒有明顯的原纖分裂;Nomex纖維為皮芯結(jié)構(gòu),內(nèi)外層的伸長(zhǎng)率不同,表現(xiàn)為舌狀的撕裂破壞端.同時(shí),從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,彎曲斷裂次數(shù)不同時(shí),破壞形態(tài)也有所差別.

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