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纤维材料强度和失效机理及其绳缆发展趋势(二)

来源:江苏优培德复合材料PK10开奖 发布时间:2017-09-30 12:27:46 浏览人次:979

3 纤维和纤维绳缆的强度

以超高相对分子质量聚乙烯纤维为例,其强度在3.0~3.5 GPa范围,是其分子链理论极限强度的百分之几。而用这些直径为φ 20~30 μm 的纤维制成直径在几十毫米的绳缆后,绳缆的强度比原材料纤维的强度又要降低,即从原材料到绳缆产品的强度转化效率在大多在50%~75%之间,由纤维种类、绳缆结构和制造工艺等决定。可见,从高分子到纤维再到绳缆制品的过程中,尺寸增加强度降低,与其它工程材料和制品的情况相似,因为在尺寸增加的过程中引入了缺陷和薄弱环节而降低了强度。

高性能纤维材料相对钢铁等传统材料要年轻得多,高性能纤维单根丝本身的显微结构还没有完全搞清楚。有资料认为一根单丝由约150 个的大原纤(macro fibrils)组成、一个大原纤由约2 500 个微原纤(micro fibrils)组成、每个微原纤再由约1 800 个分子组成。一根单丝中的高分子链数量约为6.75×108 个,假设用一个刀片把一根单丝切断,数一下两个断口的高分子的头数,总和与我国人口数量接近。继续下分,以超高相对分子质量聚乙烯纤维为例,其相对分子质量在3.5×106~7.5×106之间,因此一个相对高分子量聚乙烯分子含有1.3×105~2.7×105个乙烯单体,亦即2.6×105~5.4×105 个碳原子和5.2×105~1.08×106 个氢原子。因为聚乙烯分子链的空间几何结构通过X射线等测试知道,因此可以算出一个典型聚乙烯高相对分子链如果是伸直的(但相邻碳键仍保持109.5 度夹角),其长度在31~67 μm间。有研究报道微原纤的长度是100~1000 nm亦即0.1~1 μm,因此假设聚乙烯相对高分子在微原纤中是直的,而且聚乙烯相对高分子在微原纤中不折叠,那么一个聚乙烯高分子将穿越几十到几百个微原纤。研究证明高分子在微原纤中折叠,如果折叠10 次,那么一个聚乙烯相对高分子质量将穿越几个到几十个微原纤。定量表征未见报道,因此只能定性地说,高分子在微原纤中是折叠的,一个高分子将分布在多个微原纤中。

由上述讨论可见高性能纤维材料即使是单体分子结构最简单的聚乙烯,其微观结构很复杂。

4 超高相对分子质量聚乙烯纤维:在拉力作用下的失效机理

在超高相对分子质量聚乙烯纤维被研制成功后的40多年来,对其微观结构、变形特点和机理的研究是相随进行的。有关超高相对分子质量聚乙烯单丝的变形过程和拉应力下失效的微观机理的一个关键问题是:单丝断裂的主要微观机制是分子链(C-C键)断裂?还是超高相对分子质量聚乙烯分子之间或微原纤等更大的组织之间的相对滑动和脱落?

Smook(1984)及其同事报道,低于100 ℃的超高相对分子质量聚乙烯纤维的断裂是分子的断开(chain scissioning/scission)和分子之间横向结合(lateral bonds,范德华力结合)断裂的混合过程。断裂过程是从诸如扭结带(kink bands)等的表面异常(缺陷)处引发的,导致具有原纤化断裂表面的裂纹的形成。分子相对滑动也是由原纤化结构引起的,因为裂纹沿着这种微原纤的边界生长。单个微原纤的断裂可能是分子链断裂(如那些束缚和纠缠在一起的分子)和分子链滑动的综合。Smook等的观点就是分子链自身的断开和分子链之间的滑动两种微观机制共存。

然而在1991年,Werff和Pennings提出异议,他们认为“冻胶纺丝制作的超高相对分子质量聚乙烯纤维在拉伸变形直到纤维断裂之前的变形能太小(所以很难测量到),不足以破坏聚乙烯高分子的化学键”,表明Smook等1984年提出的分子链断裂不太可能是一种微观断裂机制。其实在Werff和Pennings (1991)之前,Dijkstra曾建议:在较高温度下,超高相对分子质量聚乙烯纤维的拉伸强度取决于应力诱发的斜方晶-六方晶相变造成的分子链滑动。后来又有Govaert和Peijs通过比较在不同温度下进行的拉伸试验得到的活化能值与聚乙烯中C-C键的键能,进一步证实高性能聚乙烯纤维的失效过程在很大程度上由分子链滑动机制主导。因此可以得出结论,超高相对分子质量聚乙烯纤维在拉力下的主要失效机理是分子或分子集团(微原纤)的滑动,而不是分子链的断裂(破断)。而分子或分子集团之间的结合力是较弱的范德华力,即纤维中存在这些薄弱环节,所以纤维的实际强度比理论极限强度低很多。

后续详见纤维材料强度和失效机理及其绳缆发展趋势(三)

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