文/王韜

高性能纖維的高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能使其得到廣泛使用，但生產(chǎn)過程或者原絲本身的問題會導(dǎo)致單絲的力學(xué)性質(zhì)存在很大的差異。因此，高性能纖維的強(qiáng)伸性及均勻性成為人們研究和常規(guī)測量的重要內(nèi)容之一。然而高性能纖維，特別是無機(jī)高性能纖維由于其脆而細(xì)的特性，要想成功測量存在一定的難度，而且不當(dāng)?shù)臏y試操作方法或測試條件不合理等都會對結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，本文結(jié)合3種無機(jī)高性能纖維（碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維）的單絲拉伸試驗(yàn)，探討了高性能纖維拉伸測試過程的影響因素。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維（各項(xiàng)參數(shù)見表1），膠水：強(qiáng)力環(huán)氧膠（百得，漢高粘合劑有限公司）。

表1 高性能纖維的各項(xiàng)參數(shù)

1.2 試樣制備

碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維屬于無機(jī)高性能纖維，其脆性大易彎折，設(shè)備的夾頭在瞬間夾緊時可能會使纖維彎折或直接斷裂，影響測試進(jìn)程。因此無機(jī)高性能纖維在測試過程中需要借助紙卡的幫助使其無損地夾持在設(shè)備兩端的夾頭中，如圖1（a）所示，先將試樣置于紙卡的中軸線上，在兩端用雙面膠固定，再在試樣與膠水粘結(jié)點(diǎn)處滴加膠水，使其與卡片更好地黏在一起，以防測試時產(chǎn)生滑移。

圖1 試樣制備

1.3 試樣測試

采用纖維強(qiáng)伸度儀（XQ-1A，上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所）對粘結(jié)劑已固化的試樣進(jìn)行測試，設(shè)置（0.05±0.005）cN/dtex的預(yù)加張力，待試樣在纖維強(qiáng)伸度儀上下端夾緊后，在圖1（b）所示的A、B、C、D位置處剪斷，此時測得的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)為試樣本身的力學(xué)性能。

拉伸速度試驗(yàn)：將樣品制作在標(biāo)距為40mm，規(guī)格為70g/m的紙卡上，分別采用1mm/mim、2mm/mim、3mm/mim、4mm/mim、5mm/mim、10mm/mim和20mm/mim的拉伸速度對3種高性能纖維進(jìn)行測試，每種纖維測試至少要取得20個有效值，取其平均值。

標(biāo)距試驗(yàn)：固定拉伸速度為3mm/min，紙卡規(guī)格為70g/m分別設(shè)置拉伸標(biāo)距為20mm、25mm、35mm、40mm和45mm。每種纖維測試至少要取得20個有效值，取其平均值。

紙卡規(guī)格試驗(yàn)：固定拉伸速度為3mm/min，標(biāo)距為40mm，探究60g/m、70g/m、80g/m、295g/m的紙卡對3種高性能纖維力學(xué)性能的影響，每種纖維測試至少要取得20個有效值，取其平均值。

根據(jù)上述測試所得數(shù)據(jù)計算高性能纖維的拉伸強(qiáng)度、模量以及在拉伸過程所產(chǎn)生位移增量。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸速度對高性能單纖維拉伸性能的影響

固定標(biāo)距和紙卡的規(guī)格，探究拉伸速度對3種高性能纖維伸長率、位移增量、拉伸強(qiáng)度以及拉伸模量的影響，對每種纖維的每個測試條件均取得了20個有效值，并對其取平均值，繪制平均值及其變異系數(shù)相應(yīng)的曲線圖

2.1.1 拉伸速度對伸長率和位移增量的影響

伸長率為拉伸測試過程中所產(chǎn)生的位移增量與初始長度的比值，表征樣品的柔軟性和彈性的指標(biāo)，伸長率越大，則表示柔軟性和彈性越好。在無機(jī)高性能中，伸長率與纖維的韌性密切相關(guān)，一般來說，伸長率越大，能承受更大的外力而不斷裂。圖2為拉伸速度對3種高性能纖維伸長率的影響，圖3為根據(jù)伸長率和初始長度計算得到3種纖維在拉伸過程中位移增量隨著拉伸速度變化的曲線圖。

圖2 拉伸速度對伸長率(a)以及伸長率CV值(b)的影響

圖3 拉伸速度對位移增量(a)以及位移增量CV值(b)的影響

從圖2（a）中可以看出，隨著拉伸速度增大，3種纖維的伸長率先增加后降低，位移增量也基本符合這一變化規(guī)律。這可能是在低速拉伸時，纖維內(nèi)部分子鏈變形較小，來得及進(jìn)行位移重排，呈現(xiàn)韌性行為，體現(xiàn)為位移增量加大，伸長率增大；當(dāng)高速拉伸時，分子鏈重排速度跟不上纖維變形速度，呈現(xiàn)脆性行為，位移增量減少，伸長率變低。

圖2（b）和圖3（b）為拉伸測試過程中每個測試條件下數(shù)據(jù)的變異系數(shù)（CV），從圖中可以看出，變異系數(shù)隨著拉伸速度的增加是先增加、后降低、再增加，這可能是由于纖維內(nèi)部存在缺陷，應(yīng)力集中和內(nèi)部的微裂導(dǎo)致內(nèi)部的變形集中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)大小不一的情況。

2.1.2 拉伸速度對拉伸強(qiáng)度和模量的影響

拉伸強(qiáng)度即材料的斷裂強(qiáng)力與線密度的比值，表征了材料在受到靜態(tài)拉伸時抵抗斷裂的能力，圖4為拉伸強(qiáng)力隨著拉伸速度變化的圖。

圖4 拉伸速度對拉伸強(qiáng)度(a)及其CV值(b)的影響

從圖4（a）可知，隨著拉伸速度的增大，玄武巖纖維、碳纖維和玻璃纖維拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)增加后減小趨勢，玄武巖纖維的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)得更早，在2mm/min時出現(xiàn)，碳纖維和玻璃纖維則分別是在4mm/min和3mm/min。說明在低速拉伸下，纖維能及時進(jìn)行分子的位移重排抵抗斷裂，而在高速拉伸下，纖維來不及恢復(fù)而更快斷裂，拉伸強(qiáng)度變低。

模量則是材料在拉伸時的彈性，表征某種材料的剛性的大小、是否容易被拉伸變形。圖5為模量隨著拉伸速度變化的曲線圖。

圖5 拉伸速度對模量(a)及其CV值(b)的影響

從圖5（a）可看出，碳纖維和玻璃纖維均隨著拉伸速度的增大，模量增加，而玄武巖纖維則是先增加后略微降低。上述曾提到，隨著速度升高，纖維拉伸過程表現(xiàn)為脆性行為，即剛需可能增加，體現(xiàn)為模量升高。圖4（b）和圖5（b）為拉伸強(qiáng)度和模量的CV值隨拉伸速度的變化情況。從圖中可以看出，玻璃纖維和碳纖維的變異系數(shù)隨著拉伸速度的增加先減小后增大，而玄武巖則是先增加后降低。說明玄武巖纖維在較高速拉伸下能獲得比較均勻的數(shù)據(jù)，而玻璃纖維和碳纖維則適合在低速進(jìn)行拉伸測試。

綜上所述，在高速拉伸下無機(jī)高性能纖維的內(nèi)部微裂紋造成的斷裂會加快集中，脆性行為比較明顯，因此建議無機(jī)高性能纖維在測試過程選擇低速拉伸，玻璃纖維和碳纖維在測試過程建議選擇2mm/min～3mm/min的拉伸速度，而玄武巖纖維則可以選擇3mm/min～5mm/min的拉伸速度。

2.2 標(biāo)距對高性能單纖維拉伸性能的影響

標(biāo)距即纖維進(jìn)行拉伸時的初始長度，固定拉伸速度和紙卡的規(guī)格，探究標(biāo)距對3種高性能纖維拉伸性能的影響，對每種纖維的每個標(biāo)距條件均取得了20個有效值，對其取平均值，計算其變異系數(shù)（CV）、位移增量、模量以及拉伸強(qiáng)度，并對此進(jìn)行分析。

2.2.1 標(biāo)距對伸長率和位移增量的影響

從圖6（a）和圖7（a）可以看出，隨著標(biāo)距增大，3種纖維的伸長率和位移增量均是先逐漸加大，在標(biāo)距為40mm時稍有降低，后又緩慢增加，從位移增量可以看出，玻璃纖維和碳纖維的位移增量是隨著標(biāo)距的邊長而逐漸加大的，玄武巖纖維則是呈先增加后降低趨勢。說明隨著標(biāo)距的增長，纖維的韌性行為得到延長，纖維發(fā)生變形也增大。從圖6（b）和圖7（b）的數(shù)據(jù)變異系數(shù)也可看出，隨著標(biāo)距的增大，玻璃纖維和玄武巖纖維的數(shù)據(jù)均勻性得到改善，而碳纖維的數(shù)據(jù)均勻性則逐漸減小。

圖6 標(biāo)距對伸長率（a）及其CV值（b）的影響

圖7 標(biāo)距對位移增量（a）及其CV值（b）的影響

2.2.2 標(biāo)距對拉伸強(qiáng)度和模量的影響

圖8和圖9 分別為標(biāo)距對拉伸強(qiáng)度和模量的影響。從圖8（a）可知，碳纖維和玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度隨著標(biāo)距的變大，其增加或減小的幅度不顯著，說明纖維的初始拉伸長度并不影響它們抵抗斷裂和變形的能力。而玄武巖纖維則是顯著增加的，說明玄武巖纖維隨著初始長度的增加，有利于纖維增加抵抗其變形的能力。模量的變化同樣也呈現(xiàn)這個規(guī)律。

圖8 標(biāo)距對拉伸強(qiáng)度（a）及其CV值（b）的影響

圖9 標(biāo)距對模量（a）及其CV值（b）的影響

根據(jù)無機(jī)高性能的微裂紋理論即材料中總是存在著分布不均勻的微小缺陷，在外力作用下，這些缺陷的附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，裂紋開始擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。假設(shè)這些缺陷是隨機(jī)分布的，當(dāng)纖維的長度增長時，缺陷出現(xiàn)的概率增加，材料尺寸效應(yīng)增大。根據(jù)上述分析結(jié)果，為了降低尺寸效應(yīng)帶來的因素干擾，得到一組較為均勻且能體現(xiàn)材料本身性能的數(shù)據(jù)，標(biāo)距建議選擇在40mm以下。

2.3 紙卡規(guī)格對高性能單纖維拉伸性能的影響

固定拉伸速度和標(biāo)距，探究紙卡規(guī)格對3種高性能纖維拉伸性能的影響，對每種纖維的每個紙卡規(guī)格條件均取得了20個有效值，并對其取平均值，所得結(jié)果如圖10所示。

圖10 紙卡規(guī)格對高性能纖維單絲拉伸性能的影響

從圖10可以看出，隨著紙卡的規(guī)格變大，碳纖維和玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，而玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度則是先增加后降低，3種纖維的初始模量隨著紙卡的平方米克重增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。從圖10還可看出，當(dāng)紙卡為60g/m、70g/m和80g/m時，拉伸強(qiáng)度、模量和伸長的數(shù)據(jù)變化不大；295g/m時，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)均低于80g/m以下的紙卡，主要是因?yàn)橐?guī)格較大的紙卡在試樣夾持時容易使試樣和紙片的中軸線形成一定的角度，使得其各項(xiàng)性能的數(shù)據(jù)不能很好體現(xiàn)纖維本身的性能，因此在做高性能纖維測試時，建議選擇70g/m以下的卡紙規(guī)格。

3 結(jié)論

測試了碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維在不同的拉伸速度、標(biāo)距和紙卡規(guī)格下伸長率、位移增量、拉伸強(qiáng)度和模量后得出以下結(jié)論：

（1）為了降低高速拉伸下，無機(jī)高性能纖維的內(nèi)部微裂紋造成的斷裂會加快集中，脆性行為增加，建議選擇低速拉伸，玻璃纖維和碳纖維建議選擇2mm/min～3mm/min的拉伸速度，玄武巖纖維則可以選擇3 mm/min～5mm/min的拉伸速度。

（2）為了降低尺寸效應(yīng)帶來的因素干擾，得到一組較為均勻且能體現(xiàn)材料本身性能的數(shù)據(jù)，標(biāo)距建議選擇在40mm以下。

（3）為了降低紙卡的厚度對纖維造成的滑移而影響最終測試結(jié)果和測試成功率，建議選擇70g/m以下的紙卡。