文/孫宇 李一平

1 高強(qiáng)低伸纖維在拉伸試驗(yàn)中影響精確度的因素

高強(qiáng)低伸纖維由于具有高比強(qiáng)、高性能等特點(diǎn)，在現(xiàn)代社會(huì)得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。具有代表性的有碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和芳綸纖維等等。在這些纖維的力學(xué)指標(biāo)中，伸長率和模量是對(duì)其評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。但這些纖維在拉伸測試過程中，都會(huì)遇到一個(gè)共同的問題，使得測試結(jié)果發(fā)生或大或小的偏差。這個(gè)問題就是纖維單絲本身的高強(qiáng)低伸，使得誤差在結(jié)果中占的比例偏大。

以碳纖維為例，一般的市售碳纖維單絲的直徑約5μm～8μm，且具有高度脆性。伸長率在0.5%～2.0%之間[4]，由于測試系統(tǒng)的靈敏度和測試?yán)w維的強(qiáng)度是一個(gè)存在矛盾的對(duì)象。高靈敏的測試系統(tǒng)很難兼顧高強(qiáng)度的測試，就好比電子天平。靈敏度越高的天平，所測試的重量就越輕。不可能用高靈敏度的天平稱量幾噸重的物品。目前盡量使用高靈敏度的儀器，但是當(dāng)測試的纖維力學(xué)范圍超過這個(gè)靈敏度所能支持的范圍，纖維的伸長率和模量指標(biāo)就會(huì)發(fā)生偏差，而有些測試系統(tǒng)為了彌補(bǔ)這些偏差，有些會(huì)利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。但始終還是無法克服靈敏度和測量強(qiáng)度這對(duì)矛盾因素。

在纖維進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的過程中，纖維從固定端的滑移和抽拔同樣難以完全避免，有些非常微小的滑移或抽拔現(xiàn)象即使發(fā)生，試驗(yàn)者也很難觀察出來，從而加大了誤差在測試結(jié)果中的比例。

2 高速攝影技術(shù)的應(yīng)用

高速攝影技術(shù)是以高頻記錄高速運(yùn)動(dòng)過程的一種方法， 將獲得的信息以一幀幀圖片記錄， 在指定的軟件上慢速放映， 實(shí)現(xiàn)被記錄運(yùn)動(dòng)對(duì)象的慢速回放過程。高速攝像可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)對(duì)高速目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程的采集， 采集完的片段以較慢的速度放映， 所記錄的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程可以被緩慢、清晰地呈現(xiàn)出來[5]。利用高速攝影技術(shù)，我們?cè)诶w維單絲拉伸的過程中，在纖維本身上做好記號(hào)標(biāo)記。然后纖維的伸長率和模量的計(jì)算不從儀器上讀取，而是通過對(duì)拉伸過程的慢鏡頭回放獲得。通過這樣的過程可以非常精確地觀察纖維從拉伸到受力，到逐漸拉長變細(xì)，最后斷裂的每一個(gè)狀態(tài)。由于畫面回放可以反復(fù)觀察，可以有效剔除拉伸過程的偏離情況，例如纖維從夾頭的滑移、抽拔等情況。從根本上解決了高強(qiáng)低伸纖維在拉伸試驗(yàn)中待解決的問題。

3 高強(qiáng)低伸纖維單絲強(qiáng)伸試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樣品

本文選取了4種高強(qiáng)低伸的纖維：碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和芳綸。這些纖維用途廣泛，具有研究價(jià)值。這些纖維的基本參數(shù)和生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1 4種測試?yán)w維的基本參數(shù)和生產(chǎn)廠家

3.2 儀器與設(shè)備

OLYMPUS BX51型顯微鏡，上海新纖儀器有限公司的XQ-1A型單纖維拉伸試驗(yàn)機(jī)。

高速攝影機(jī) JVC :GC-P100AC 1000幀/秒。

3.3 高速攝影機(jī)的拍攝和畫面計(jì)算

當(dāng)纖維固定在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，準(zhǔn)備開始拉伸試驗(yàn)時(shí)，在待測纖維上，用對(duì)比色漆記號(hào)筆進(jìn)行記號(hào)標(biāo)記。啟動(dòng)高速攝影機(jī)，拍攝從儀器啟動(dòng)到纖維拉斷的全過程。然后對(duì)拍攝畫面進(jìn)行慢放分析，準(zhǔn)確判斷纖維斷裂的畫面。利用畫面分析軟件計(jì)算纖維的伸長率和模量。

3.4 試驗(yàn)參數(shù)方案

試驗(yàn)參數(shù)按照以下內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置：

（1）夾持隔距為2 0 m m；（2）拉伸速度在2mm·min-1；（3）固定纖維用的紙卡為斷裂強(qiáng)度在259.54N左右的中厚硬型紙卡；（4）粘著固定纖維用的膠水為環(huán)氧樹脂類膠水；（5）每種纖維有效拉伸超過50根。

4 結(jié)果與分析

高速攝影機(jī)的影像可以反復(fù)回放并截取圖片。但由于單纖維非常細(xì)，需要對(duì)畫面進(jìn)行一定的處理，方便觀察。由于纖維的斷裂伸長的計(jì)算是直接從纖維自身的標(biāo)記計(jì)算的。固定纖維處的滑移和抽拔問題就可以完全排除在外。圖1～圖3是玄武巖纖維在拉伸前、拉伸后未斷裂前和纖維斷裂時(shí)的圖片。

圖1 玄武巖纖維固定在上下夾頭后，伸直而未伸長時(shí)的截圖

圖2 玄武巖纖維在拉伸后，未斷裂前的截圖

圖3 玄武巖纖維剛剛被拉斷時(shí)的截圖

根據(jù)高速攝影機(jī)的畫面回放，對(duì)纖維上記號(hào)的移動(dòng)距離利用畫面播放軟件進(jìn)行測量和計(jì)算。將測試儀器顯示的數(shù)據(jù)和高速攝影回放得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。

表2 4種不同纖維通過測試儀器和高速攝影技術(shù)測得的伸長率和模量結(jié)果對(duì)比

從表2對(duì)比的結(jié)果可知，通過高速攝影技術(shù)得出的纖維伸長率和模量結(jié)果比用測試儀器測試得出的結(jié)果更加接近標(biāo)稱值。這一結(jié)論能夠說明利用高速攝影技術(shù)得到纖維伸長率和模量的方法比用儀器直接測量得更為準(zhǔn)確。拉伸玻璃纖維所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差是最大的，其次是芳綸纖維，再次是玄武巖纖維，最后是碳纖維。

高速攝影技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了高強(qiáng)低伸纖維單絲力學(xué)性能測試中，儀器靈敏度和測量強(qiáng)度的矛盾。使得測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。

5 需要注意的問題

在使用高速攝影技術(shù)的過程中，有如下幾個(gè)問題需要注意：

1）選用的畫面播放軟件必須是和該攝影機(jī)相匹配的原版軟件。避免由于播放軟件的兼容性出現(xiàn)時(shí)間上和畫面距離上的差異。

2）在判斷纖維斷裂的時(shí)間點(diǎn)上，要以纖維斷裂的第一幀畫面作為斷裂的時(shí)間點(diǎn)。這需要試驗(yàn)人員耐心的仔細(xì)的反復(fù)觀察。

3）纖維的伸長計(jì)算用畫面軟件點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接測量更為準(zhǔn)確。不要使用時(shí)間乘以夾頭移動(dòng)速度的方式計(jì)算，避免產(chǎn)生誤差。