李久剛, 金鑫鵬, 鄧文韜, 秦 雪, 張 賀, 黃 叢, 劉可帥

(1.武漢紡織大學 紡織科學與工程學院, 湖北 武漢 430200; 2.武漢紡織大學 紡織新材料與先進加工技術(shù)省部共建國家重點實驗室, 湖北 武漢 430200; 3.航天科工空間工程發(fā)展有限公司, 北京 100854)

20世紀以來,航空航天科學技術(shù)迅猛發(fā)展,已成為當今人類認識和改造自然中非?；钴S并有深遠影響的科學技術(shù)之一。航空航天工程發(fā)展所涉及的內(nèi)容錯綜復雜,所以需要綜合應(yīng)用各種技術(shù),其中就包括紡織材料技術(shù)[1]。航空航天領(lǐng)域的材料與大多數(shù)日常使用的材料不同,要根據(jù)不同部位的需求進行特殊研制,以滿足每個航天器不同部位的不同功能需求[2-3]。氧化鋁纖維作為陶瓷纖維具有耐高溫、抗拉伸等優(yōu)點,又具有普通纖維的可加工性等諸多優(yōu)異的性能,其在高新型工業(yè)上的使用備受青睞。

姜如[4]制備了氧化鋁纖維復合材料,在常溫下測試了其層間剪切強度和斷裂韌性等。丁一等[5]采用XQ-1C型高強高模纖維強度儀對氧化鋁纖維的勾接強度、拉伸強度進行測試,并使用捻度儀測試其捻系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),該新型氧化鋁維的強力雖然滿足紡紗要求,但抗彎能力和抗扭能力差。楊序綱等[6]使用Instorn力學拉伸儀測定單根純氧化鋁纖維和氧化鋁-氧化鋯纖維的拉伸性能。謝治云等[7]測試研究了熱處理后氧化鋁纖維的結(jié)構(gòu)以及力學性能。我國要突破氧化鋁纖維生產(chǎn)技術(shù)難題,杜絕國外的壟斷,需要對氧化鋁纖維的性能進行多方面深入的研究。

紡織纖維的力學性能,是關(guān)乎纖維及其制品在使用過程中性能好壞的性質(zhì)之一。在纖維及其制品的使用過程中,纖維的力學性能對其性能優(yōu)劣影響十分明顯,可通過纖維在外力作用下表現(xiàn)出的耐破壞性進行評價。纖維在外力作用下被破壞的形式有很多種,目前最重要的研究形式是拉伸斷裂強力。本文研究了不同合股數(shù)下的氧化鋁紗線在常溫下的力學性質(zhì),以及不同捻度下氧化鋁紗線的力學性質(zhì),通過數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析后全面評價氧化鋁纖維的力學性能,可為氧化鋁纖維的后續(xù)應(yīng)用及進一步開發(fā)提供參考[8]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設(shè)備

75 tex連續(xù)氧化鋁纖維(山東東珩責任有限公司)、高性能AB膠水(上?？颠_新材料股份有限公司)、硬紙板(上海海尚紙品有限公司)、5967型電子強力萬能試驗機(美國INSTRON公司)。

1.2 氧化鋁紗線的制備

1.2.1 不同合股數(shù)紗線的制備

不同合股數(shù)氧化鋁紗線樣品制備過程:制備單股(線密度為75 tex)的氧化鋁纖維樣品,即剪取單根長度為180 mm的氧化鋁纖維,兩端施加0.5 N張力使纖維伸直而不緊繃,纖維試樣兩端用裁剪好的硬紙板和高性能膠水黏住固定,保證纖維不滑脫,當試樣兩端夾持后,確保試樣中間部分測試距離為 100 mm; 制備合股數(shù)為2(線密度為150 tex)的氧化鋁紗線樣品,則需剪取2段長度為180 mm的氧化鋁纖維,將其并線成1根紗線再在兩端施以一定張力,并用硬紙板和高性能膠水固定;制備合股數(shù)為3的氧化鋁紗線(線密度為225 tex),則取3段長度為180 mm的氧化鋁纖維,將3段并線成1根紗線,將兩端用硬紙板和膠水黏住固定。以此類推制備合股數(shù)為4、5的氧化鋁紗線(線密度分別為300、375 tex), 不同合股數(shù)氧化鋁紗線拉伸制樣模擬圖如圖1所示,中間省略2、3、4、5股,圓圈部分為放大示意圖。多倍并線的氧化鋁紗線并合時要注意纖維之間要緊湊貼合,并且伸直程度要相同,避免后續(xù)測試產(chǎn)生纖維斷裂不同時性。

圖1 合股氧化鋁紗線的拉伸制樣模擬圖Fig.1 Simulation diagram of tensile drawing of composite alumina yarn

1.2.2 不同捻度紗線的制備

將不同合股數(shù)的氧化鋁紗線分為5組,每組至少5個,其中第1組不加捻,其它4組按設(shè)計的捻度分別進行加捻。對氧化鋁紗線加捻可增加單絲之間的抱合力而形成穩(wěn)定的形態(tài),同時也使纖維中較松軟的部位變得緊密,有利于增加單絲的斷裂同時性,合適的捻系數(shù)能增加紗線的強度[9-11]。將不同合股數(shù)的氧化鋁紗線樣品兩端用膠水凝固后,分別加捻0、2、4、6、8個捻回數(shù),即每個相同線密度氧化鋁紗線中的相同捻度至少制作5個樣品,所得到的捻度則分別為0、2、4、6、8 捻/(10 cm),由加捻產(chǎn)生的捻縮距離很小,可忽略不記。不同加捻數(shù)氧化鋁紗線的制備示意圖如圖2所示,把制備的樣品一端用硬紙板固定,另一端用手將其逆時針旋轉(zhuǎn)相應(yīng)捻回數(shù),加捻過程要注意纖維保持平直,不發(fā)生彎曲和卷縮。加捻結(jié)束后將其平鋪在有紙張的托盤上,必要時將兩端硬紙板用膠帶固定在白紙上,使其保持伸直而不緊繃,防止在調(diào)節(jié)平衡時樣品發(fā)生收縮或解捻造成不必要的力學損失[12-14]。

圖2 不同捻度氧化鋁紗線的制備示意圖Fig.2 Preparation schematic diagram of alumina yarn with different twist yarn

1.3 斷裂強度測試與捻系數(shù)計算

首先,將樣品兩端分別用2片30 mm×30 mm的紙板黏著固定,使得上機夾持時不易發(fā)生滑移及夾持處斷裂現(xiàn)象。夾持距離為100 mm。所有樣品在室溫環(huán)境下調(diào)濕24 h至平衡狀態(tài)再通過電子強力萬能測試儀進行拉伸測試,測試夾頭豎直夾持樣品兩端的硬紙板,使得樣品中間部分的纖維保持垂直。實驗參數(shù)為:夾持長度100 mm;運行速率 20.00 mm/min; 預加張力0.001～0.002 N。

每組至少測試5個樣品,去掉最大值和最小值后計算其斷裂強度平均值。紗線的捻系數(shù)[8]計算公式為

式中:αt為捻系數(shù);Tt為捻度,捻/(10 cm);Nt為線密度tex。

2 結(jié)果與分析

2.1 合股數(shù)對紗線力學性能的影響

測試合股數(shù)對氧化鋁紗線強力的影響,不同合股數(shù)氧化鋁紗線斷裂強度關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯?隨著合股數(shù)的不斷增加,氧化鋁紗線的斷裂強度呈現(xiàn)下降的趨勢,這是由于氧化鋁紗線中的纖維斷裂不同時性增加導致的。氧化鋁紗線隨著合股數(shù)的增加,斷裂強度不斷減小,與單股相比,2股紗線、3股紗線、4股紗線和5股紗線的斷裂強度分別下降了0.9%、2.9%、7.4%、9.9%。

圖3 氧化鋁紗線合股數(shù)與斷裂強度的關(guān)系Fig.3 Relationship between ply number of alumina yarn and fracture strength

2.2 捻度與合股數(shù)對紗線力學性能的影響

不同合股數(shù)氧化鋁紗線在不同捻度下的斷裂強度測試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?加捻后不同合股數(shù)的紗線都呈現(xiàn)隨著捻度的增加,斷裂強度先增加后減少的趨勢,其峰值各有不同但大小相近,最大斷裂強度對應(yīng)的臨界捻度也不同。其中,單股氧化鋁紗線在6 捻/(10 cm)時斷裂強度最大,為32.62 cN/tex; 2股氧化鋁紗線在6捻/(10 cm)時斷裂強度最大,為32.73 cN/tex;3股氧化鋁紗線在4 捻/(10 cm)時斷裂強度最大,為 32.34 cN/tex; 合股數(shù)為4時,氧化鋁紗線在4 捻/(10 cm)時斷裂強度最大,為31.25 cN/tex;合股數(shù)為5時,氧化鋁紗線在4 捻/(10 cm)時斷裂強度最大,為 30.31 cN/tex。 加捻能加強單絲之間的抱合力,增加纖維之間斷裂的同時性,使得其斷裂強度有所增加,但是若加捻產(chǎn)生過大的傾斜角度反而使得單絲剪切方向的分力變大,造成斷裂強度變小,這是斷裂強度產(chǎn)生峰值的原因[15]。

圖4 不同合股數(shù)下氧化鋁紗線捻度與斷裂強度的關(guān)系Fig.4 Relationship between twist and fracture strength of alumina yarn under different ply numbers

實驗發(fā)現(xiàn),單股氧化鋁紗線加捻至8 捻/(10 cm)時,放置24 h后出現(xiàn)部分單絲斷裂,而其它線密度的紗線未出現(xiàn)該現(xiàn)象,因此造成該捻度下測試的斷裂強度下降比其它線密度的紗線較大。當單股氧化鋁紗線加捻到8捻/(10 cm)以上時,會發(fā)生自然斷裂。這說明氧化鋁紗線的扭轉(zhuǎn)性較差,纖維剪切方向的斷裂強度較小。但在相同的加捻程度時,即捻系數(shù)相同時的其它更粗的紗線中卻未出現(xiàn)該情況。這是因為單絲數(shù)量較少時,紗線較細,加捻時纖維外層纖維向內(nèi)層纖維擠壓產(chǎn)生向心力[15],使得纖維在較細處受到的壓強較大,在低捻度時,壓強的存在起到一個積極作用,可增加纖維之間的抱合力,提高強度;而隨著捻度的增加,壓強增大反而對氧化鋁纖維的強度起到消極作用,壓強較大使得較細的纖維片段受壓強擠壓,而未拉伸就開始有大部分單絲發(fā)生斷裂。

2.3 捻系數(shù)對紗線力學性能的影響

捻度并非衡量不同粗細紗線加捻程度的標準,而捻系數(shù)可反映纖維與纖維軸線的傾斜角度,用于衡量不同線密度紗線的加捻程度[15]。根據(jù)公式計算相應(yīng)的捻系數(shù),結(jié)果如表1所示。

表1 不同合股數(shù)的氧化鋁紗線在不同捻度下的捻系數(shù)Tab.1 Twist coefficient of alumina yarn with different ply number under different twist

以捻系數(shù)為橫坐標,斷裂強度為縱坐標作圖,結(jié)果如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn),氧化鋁紗線的斷裂強度隨著捻系數(shù)的增加而呈先增加后減小的趨勢。除單股氧化鋁紗線外,其它合股數(shù)的氧化鋁紗線的臨界捻系數(shù)在60～80之間。這也再次說明氧化鋁纖維在剪切向的承受力小,這在加捻與織造加工時是需要注意的。

圖5 氧化鋁紗線捻系數(shù)與斷裂強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between twist coefficient and fracture strength of alumina yarn

若要氧化鋁紗線保持良好的性能,可對其適當加捻,增加纖維之間的抱合力,提高斷裂同時性,但加捻程度不應(yīng)過大,捻系數(shù)應(yīng)控制在80以下。對于75 tex的氧化鋁紗線,對其加捻程度要適當減小,避免加捻過程使其在纖維片段中擰斷。

3 結(jié) 論

本文通過改變氧化鋁紗線的捻度與合股數(shù),測試其在常溫下的拉伸斷裂強度,又對不同線密度的氧化鋁紗線進行加捻并對其拉伸斷裂強度進行測試,得出如下結(jié)論。

1) 氧化鋁紗線隨著合股數(shù)的增加,斷裂強度不斷減小。與75 tex單紗相比,2股紗線、3股紗線、4股紗線和5股紗線的斷裂強度分別下降了0.9%、2.9%、7.4%、9.9%。

2) 對不同合股數(shù)氧化鋁紗線進行加捻后,其斷裂強度隨著捻度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。不同合股數(shù)的氧化鋁紗線在0～8捻/(10 cm)的捻度下,均出現(xiàn)斷裂強度峰值,而臨界捻系數(shù)位于60～80之間。