高性能纖維拉伸性能測試影響因素研究

文/王韜

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

1 試驗部分

1.1 試驗材料

碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維（各項參數見表1），膠水：強力環氧膠（百得，漢高粘合劑有限公司）。

表1 高性能纖維的各項參數

1.2 試樣制備

碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維屬于無機高性能纖維，其脆性大易彎折，設備的夾頭在瞬間夾緊時可能會使纖維彎折或直接斷裂，影響測試進程。因此無機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點處滴加膠水，使其與卡片更好地黏在一起，以防測試時產生滑移。

圖1 試樣制備

1.3 試樣測試

采用纖維強伸度儀（XQ-1A，上海利浦應用科學技術研究所）對粘結劑已固化的試樣進行測試，設置（0.05±0.005）cN/dtex的預加張力，待試樣在纖維強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，此時測得的各項力學性能參數為試樣本身的力學性能。

拉伸速度試驗：將樣品制作在標距為40mm，規格為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。

標距試驗：固定拉伸速度為3mm/min，紙卡規格為70g/m分別設置拉伸標距為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。

紙卡規格試驗：固定拉伸速度為3mm/min，標距為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。

根據上述測試所得數據計算高性能纖維的拉伸強度、模量以及在拉伸過程所產生位移增量。

2 結果與討論

2.1 拉伸速度對高性能單纖維拉伸性能的影響

固定標距和紙卡的規格，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相應的曲線圖

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，伸長率越大，則表示柔軟性和彈性越好。在無機高性能中，伸長率與纖維的韌性密切相關，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律。這可能是在低速拉伸時，纖維內部分子鏈變形較小，來得及進行位移重排，呈現韌性行為，體現為位移增量加大，伸長率增大；當高速拉伸時，分子鏈重排速度跟不上纖維變形速度，呈現脆性行為，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據的變異系數（CV），從圖中可以看出，變異系數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部存在缺陷，應力集中和內部的微裂導致內部的變形集中，出現數據大小不一的情況。

2.1.2 拉伸速度對拉伸強度和模量的影響

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

圖4 拉伸速度對拉伸強度(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度呈現增加后減小趨勢，玄武巖纖維的轉折點出現得更早，在2mm/min時出現，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，纖維來不及恢復而更快斷裂，拉伸強度變低。

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，纖維拉伸過程表現為脆性行為，即剛需可能增加，體現為模量升高。圖4（b）和圖5（b）為拉伸強度和模量的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據，而玻璃纖維和碳纖維則適合在低速進行拉伸測試。

綜上所述，在高速拉伸下無機高性能纖維的內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 標距對高性能單纖維拉伸性能的影響

標距即纖維進行拉伸時的初始長度，固定拉伸速度和紙卡的規格，探究標距對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（CV）、位移增量、模量以及拉伸強度，并對此進行分析。

2.2.1 標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。說明隨著標距的增長，纖維的韌性行為得到延長，纖維發生變形也增大。從圖6（b）和圖7（b）的數據變異系數也可看出，隨著標距的增大，玻璃纖維和玄武巖纖維的數據均勻性得到改善，而碳纖維的數據均勻性則逐漸減小。

圖6 標距對伸長率（a）及其CV值（b）的影響

圖7 標距對位移增量（a）及其CV值（b）的影響

2.2.2 標距對拉伸強度和模量的影響

圖8和圖9 分別為標距對拉伸強度和模量的影響。從圖8（a）可知，碳纖維和玻璃纖維的拉伸強度隨著標距的變大，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這個規律。

圖8 標距對拉伸強度（a）及其CV值（b）的影響

圖9 標距對模量（a）及其CV值（b）的影響

根據無機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，這些缺陷的附近產生應力集中現象，當應力達到一定程度時，裂紋開始擴展而導致斷裂。假設這些缺陷是隨機分布的，當纖維的長度增長時，缺陷出現的概率增加，材料尺寸效應增大。根據上述分析結果，為了降低尺寸效應帶來的因素干擾，得到一組較為均勻且能體現材料本身性能的數據，標距建議選擇在40mm以下。

2.3 紙卡規格對高性能單纖維拉伸性能的影響

固定拉伸速度和標距，探究紙卡規格對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格條件均取得了20個有效值，并對其取平均值，所得結果如圖10所示。

圖10 紙卡規格對高性能纖維單絲拉伸性能的影響

從圖10可以看出，隨著紙卡的規格變大，碳纖維和玻璃纖維的拉伸強度逐漸降低，而玄武巖纖維的拉伸強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先增大后減小的趨勢。從圖10還可看出，當紙卡為60g/m、70g/m和80g/m時，拉伸強度、模量和伸長的數據變化不大；295g/m時，其各項數據均低于80g/m以下的紙卡，主要是因為規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，使得其各項性能的數據不能很好體現纖維本身的性能，因此在做高性能纖維測試時，建議選擇70g/m以下的卡紙規格。

3 結論

測試了碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維在不同的拉伸速度、標距和紙卡規格下伸長率、位移增量、拉伸強度和模量后得出以下結論：

（1）為了降低高速拉伸下，無機高性能纖維的內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）為了降低尺寸效應帶來的因素干擾，得到一組較為均勻且能體現材料本身性能的數據，標距建議選擇在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果和測試成功率，建議選擇70g/m以下的紙卡。