基于定點(diǎn)握持彎曲疲勞的高性能纖維彎曲疲勞性能表征

蔡光明，于偉東,2

(1.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.東華大學(xué) 紡織材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

高性能纖維雖然有較好的拉伸力學(xué)性能，然而在切向力作用下會(huì)發(fā)生沿軸向劈裂破壞，如Kevlar纖維在反復(fù)彎曲的作用下，纖維受到剪切作用而劈裂破壞，甚至?xí)l(fā)生原纖抽拔斷裂[1-2].歷史上,對于這類劈裂破壞形態(tài)特征的分析較多集中于拉伸疲勞斷裂形態(tài)[3-5].由于彎曲疲勞測量存在不足[6-7]，雖有測量結(jié)果但因影響因素眾多而存在差異，不過在破壞形態(tài)上具有相近性.Herale等[8]研究得到了Kevlar纖維的破壞歸因于原纖劈裂，其破壞性能表現(xiàn)為原纖分裂.Tanaka等[9-10]研究了Kevlar 49在空氣、真空及濕環(huán)境下的彎曲疲勞破壞形態(tài),其破壞的主要形態(tài)為原纖化劈裂,在真空和濕環(huán)境中破裂點(diǎn)原纖劈裂得更長.Sengonul等[11]研究了高強(qiáng)聚乙烯纖維的彎曲疲勞破壞形態(tài)，劉曉艷等[12]研究了幾種高性能纖維的彎曲疲勞性能.基于上述事實(shí)，對5種高性能纖維作定點(diǎn)彎曲疲勞的測量與比較，主要集中在其破壞形態(tài)特征上,以證實(shí)定點(diǎn)的有效性和各纖維疲勞破壞的主要特征.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為Kevlar 49，Kevlar 129，PBO，Nomex，高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，纖維的細(xì)度分別為2.2 dtex，1.68 dtex，4 dtex，2.2 dtex和6 dtex.在實(shí)驗(yàn)中使用的纖維有效的加持長度為6 cm.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器為東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的柔性材料彎曲疲勞測試裝置(FiBFAN).

1.3 測試儀器

定點(diǎn)握持彎曲疲勞儀的結(jié)構(gòu)見圖1，從圖中可以看出該儀器主要由以下幾部分組成：傳感器用來給纖維施加預(yù)加應(yīng)力和測量彎曲過程中纖維所受的循環(huán)應(yīng)力；上下夾頭用來夾持纖維；定位針用來握持纖維，保證纖維定點(diǎn)彎曲；數(shù)字化觀察部分由光源、顯微鏡和CCD組成，能夠?qū)崟r(shí)拍攝纖維的彎曲疲勞過程，觀察材料彎曲疲勞破壞過程和彎曲疲勞斷裂端形貌；控制部分連接電腦和儀器，用來設(shè)定測量中的各參數(shù)如預(yù)加應(yīng)力、彎曲角度與彎曲頻率，以保證儀器的正常運(yùn)行.

圖1 定點(diǎn)握持彎曲疲勞儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure sketch of fixed bending fatigue equipment

2 結(jié)果和討論

2.1 Kevlar 49纖維彎曲疲勞破壞特征分析

Kevlar 49纖維的彎曲疲勞斷裂形貌如圖2所示，其中圖a，b為在相同的預(yù)加應(yīng)力和彎曲角度條件下的彎曲疲勞斷裂圖，在相同的初始條件下，圖a的彎曲疲勞斷裂次數(shù)小于圖b.圖a中纖維有明顯的原纖分離，但各原纖斷裂長度差別不大，形成典型的“毛筆狀”斷裂形態(tài)，而圖b不僅有明顯的原纖分裂，并且各原纖斷裂的長度相差較大，形成軸向抽拔式破壞，疲勞壽命更長；圖c為典型的摩擦斷裂，當(dāng)預(yù)加應(yīng)力和彎曲角度均較小時(shí)，纖維在彎曲點(diǎn)受到摩擦作用，沒有形成明顯的原纖分裂，而是由于摩擦而斷裂，所以疲勞壽命較長；圖d中有大量的原纖分裂，圖e，f中也可以看到明顯的原纖分裂，故高強(qiáng)芳綸纖維彎曲疲勞斷裂的主要特征表現(xiàn)為原纖化劈裂狀破壞形態(tài)，這也正好驗(yàn)證了以往研究者所得到的芳綸纖維彎曲疲勞破壞的形態(tài)特征——因側(cè)向作用力小而形成的原纖化破壞端.這也與Kevlar纖維一次拉伸斷裂頭端一致，說明Kevlar纖維的側(cè)向作用力確實(shí)很弱.

注：(a)為預(yù)加應(yīng)力7 cN/dtex，彎曲角度45°，彎曲疲勞次數(shù)7 145次；(b)為預(yù)加應(yīng)力7 cN/dtex，彎曲角度45°，彎曲疲勞次數(shù)8 385次；(c)為預(yù)加應(yīng)力4 cN/dtex，彎曲角度45°，彎曲疲勞次數(shù)35 254次.圖2 Kevlar 49 纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài) Fig.2 The fracture morphology of Kevlar 49 fiber

2.2 Kevlar 129纖維彎曲疲勞破壞特征分析

Kevlar 129纖維的彎曲斷裂形態(tài)見圖3，從圖中可以看出，Kevlar 129纖維的彎曲斷裂形態(tài)主要表現(xiàn)為原纖劈裂.與Kevlar 49纖維類似，對位芳綸纖維具有高取向度、結(jié)晶度、原纖化、剛性鏈結(jié)構(gòu)特征以及較低的分子鏈間作用力，當(dāng)纖維受到反復(fù)彎曲作用時(shí)，彎曲點(diǎn)處的纖維由于受到反復(fù)拉伸和壓縮作用而產(chǎn)生原纖劈裂破壞，可以看到Kevlar 129纖維劈裂的原纖較短，所以它的彎曲疲勞壽命較Kevlar 49纖維長.

圖3 Kevlar 129 纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài)Fig.3 The fracture morphology of Kevlar 129 fiber

2.3 PBO纖維彎曲疲勞破壞特征分析

圖4為PBO纖維彎曲疲勞斷裂端典型形態(tài)圖，可以看出類似對位芳綸纖維斷裂端結(jié)構(gòu)，斷裂端表現(xiàn)為明顯的原纖劈裂.其中圖a中有較為明顯的原纖劈裂，這主要是由于PBO纖維為原纖化結(jié)構(gòu)，在彎曲過程中受到反復(fù)拉伸壓縮作用后原纖發(fā)生軸向分裂，斷裂處原纖長度的差別不大，纖維的彎曲壽命較短.而圖b中纖維的原纖化并不明顯，纖維的斷頭較為整齊，纖維的疲勞壽命較圖a長.圖c中纖維的原纖化明顯，并且原纖斷裂長度的差別較大，各原纖不是同時(shí)斷裂，纖維的彎曲疲勞壽命更長.圖d，e，f也為原纖化劈裂斷裂形式，其主要原因是PBO纖維大分子沿著纖維軸向高度的取向，同時(shí)纖維大分子鏈間的作用力較小，當(dāng)纖維發(fā)生彎曲時(shí)，纖維大分子鏈會(huì)發(fā)生原纖劈裂破壞.因此，與Kevlar纖維的破壞類似，PBO纖維同樣表現(xiàn)為原纖劈裂破壞.

注：(a)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex，彎曲角度45°，彎曲疲勞次數(shù)7 046次；(b) 為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex，彎曲角度45°，彎曲疲勞次數(shù)8 787次；(c)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex，彎曲角度45°，彎曲疲勞次數(shù)為 9 645次.圖4 PBO纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài) Fig.4 The fracture morphology of PBO fiber

2.4 高強(qiáng)聚乙烯纖維彎曲疲勞破壞特征分析

高強(qiáng)聚乙烯纖維彎曲疲勞斷裂見圖5，其斷裂端形態(tài)主要表現(xiàn)為塑性斷裂和少量的原纖化.其中圖a，c明顯是塑性積累斷裂，圖b中纖維斷裂端的芯層有明顯的原纖化，但原纖劈裂所形成的絲束數(shù)目不多，尺寸相對較大.與Kevlar與PBO纖維明顯的原纖劈裂斷裂比較，高強(qiáng)聚乙烯纖維的斷裂形態(tài)表現(xiàn)為塑性積累斷裂和少量的原纖化，這主要是由于高強(qiáng)聚乙烯纖維分子間是氫鍵結(jié)合，當(dāng)纖維發(fā)生彎曲時(shí)容易發(fā)生塑性蠕變，產(chǎn)生塑性變形而斷裂.同時(shí)，高強(qiáng)聚乙烯纖維不僅具有大的拉伸強(qiáng)力，而且大分子鏈相對柔軟，所以當(dāng)纖維被彎曲時(shí)纖維容易發(fā)生塑性變形.由于高強(qiáng)聚乙烯纖維的玻璃化溫度較低，熔點(diǎn)較低，外力反復(fù)作用后溫度升高，尤其在彎曲點(diǎn)處受到反復(fù)的拉伸和壓縮，導(dǎo)致該點(diǎn)的溫度升高，使得它的塑性特征表現(xiàn)出來，這就是明顯的塑性積累疲勞破壞.

注：(a)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex，彎曲角度60°，彎曲疲勞次數(shù)9 426次；(b)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex，彎曲角度45°，彎曲疲勞次數(shù)10 487次；(c)為預(yù)加應(yīng)力8 cN/dtex，彎曲角度60°，彎曲疲勞次數(shù)11 413次.圖5 高強(qiáng)聚乙烯纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài)Fig.5 The fracture morphology of UHMW-PE fiber

2.5 Nomex纖維彎曲疲勞破壞特征分析

Nomex纖維彎曲疲勞斷裂形態(tài)見圖6，其中圖a，b為相同預(yù)加應(yīng)力和彎曲角度下的斷裂形態(tài)，可以看出Nomex纖維斷頭沒有原纖分離和劈裂現(xiàn)象，而是表現(xiàn)為舌狀的撕裂破壞，這主要是由于Nomex纖維不是原纖狀結(jié)構(gòu)，分子鏈較為柔軟，大分子鏈間作用力相對較大，原纖不易分裂.同時(shí)，由于纖維的斷裂伸長較大，纖維較為柔軟，在纖維彎曲過程中會(huì)發(fā)生伸長變形而產(chǎn)生的撕裂，所以疲勞壽命較長.圖c中部分原纖從纖維中脫落，這主要是由于Nomex纖維為皮芯結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層的伸長率不同，在彎曲疲勞過程中內(nèi)外層所受到力的大小也不同，導(dǎo)致內(nèi)外層斷裂的不同時(shí)性，所以先斷裂的部分原纖從纖維上脫落，疲勞壽命更長.

注：(a)為預(yù)加應(yīng)力1.5 cN/dtex，彎曲角度60°，彎曲疲勞次數(shù)12 016次；(b) 為預(yù)加應(yīng)力1.5 cN/dtex，彎曲角度60°，彎曲疲勞次數(shù)11 435次；(c)為預(yù)加應(yīng)力2 cN/dtex，彎曲角度45°，彎曲疲勞次數(shù) 14 145次.圖6 Nomex纖維彎曲疲勞斷裂破壞形態(tài) Fig.6 The fracture morphology of Nomex fiber

3 結(jié)論

利用定點(diǎn)彎曲疲勞儀測試了幾種高性能纖維的彎曲疲勞性能，獲得了它們的彎曲疲勞斷裂端照片，對它們的彎曲疲勞破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn) Kevlar和PBO纖維由于高的原纖化結(jié)構(gòu)，在彎曲過程中在彎曲點(diǎn)處受到反復(fù)拉伸和壓縮而導(dǎo)致原纖分裂，所以它們的彎曲疲勞破壞主要為原纖劈裂，斷頭形式表現(xiàn)為明顯的原纖化劈裂破壞，形成典型的“毛筆狀”斷裂形態(tài)；高強(qiáng)聚乙烯纖維由于分子鏈間的作用力較大，大分子鏈較為柔軟，其斷裂形式表現(xiàn)為塑性積累斷裂，沒有明顯的原纖分裂；Nomex纖維為皮芯結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層的伸長率不同，表現(xiàn)為舌狀的撕裂破壞端.同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，彎曲斷裂次數(shù)不同時(shí)，破壞形態(tài)也有所差別.

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