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Liberec技術(shù)大學(xué)(捷克共和國)

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幾種無機(jī)纖維的性能對比

Liberec技術(shù)大學(xué)(捷克共和國)

介紹了玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維及其性能，主要目的是對這些纖維性能進(jìn)行測試與對比，并對測試結(jié)果進(jìn)行比較。

玄武巖纖維；玻璃纖維；碳纖維；性能；測試

盡管人們也許還沒意識到無機(jī)纖維已成為日常生活的一部分，但毫無疑問的是，由于其優(yōu)良的物理性能，無機(jī)纖維已應(yīng)用在許多領(lǐng)域，有時(shí)也許是意料之外的一些人類活動的領(lǐng)域。本文主要介紹幾種應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域的無機(jī)纖維——碳纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維。試驗(yàn)部分主要介紹試驗(yàn)材料、制造商所提供的纖維束中纖維數(shù)量的確定，以及采用Vibroscope對纖維直徑的測試，也驗(yàn)證了所述纖維的一些性能，并對強(qiáng)力、伸長進(jìn)行比較。采用Vibroscope 400和Vibrodyn 400 對這些特性進(jìn)行測試，并完成了對試驗(yàn)室設(shè)備的對比分析。在結(jié)論部分，本文評估了Liberec技術(shù)大學(xué)用上述設(shè)備和方法對纖維的強(qiáng)度測試結(jié)果，并進(jìn)行對比。

1　試驗(yàn)材料

表1所列為供應(yīng)商提供的纖維參數(shù)。

2　測試方法和性能驗(yàn)證

2.1Lanameter——纖維截面直徑測量

如纖維截面為圓形，則可采用Lanameter(圖1)測試?yán)w維的平均投影。將待測纖維試樣放置在Lanameter顯微鏡的操作臺上，纖維被投影到裝有旋轉(zhuǎn)撥盤的對焦屏上，分幾部分對纖維直徑進(jìn)行測試。使用20倍的鏡頭時(shí)，1個(gè)刻度代表2 μm。

表1　供應(yīng)商提供的纖維參數(shù)

圖1　Lanameter

2.2纖維束中纖維數(shù)量的測定

纖維數(shù)量是以纖維束中長度不小于10 cm的纖維的數(shù)量進(jìn)行表征的。纖維束中長度小于10 cm的纖維需分開單獨(dú)測量，并記錄纖維數(shù)。測試5組樣品，取平均值。單根纖維的質(zhì)量通過纖維束的質(zhì)量除以纖維根數(shù)獲得，結(jié)果四舍五入取值。

2.3Vibroscope 400 和 Vibrodyn 400

纖維線密度采用根據(jù)纖維振動原理進(jìn)行測試的Vibroscope 400(EN ISO 1973)，根據(jù)纖維振動頻率和線密度偏差可自動讀取線密度(dtex)。纖維強(qiáng)度采用Vibrodyn 400(EN ISO 5079)，利用恒速變形的測力器進(jìn)行測試(圖2)。

圖2　Vibroscope 和 Vibrodyn

將Vibroscope 400與Vibrodyn 400進(jìn)行連接,并連接到電腦上，可利用軟件對線密度、強(qiáng)力、伸長率和強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評估，并同時(shí)顯示纖維的工作曲線。采用Vibroscope測試時(shí)，從纖維束中取出單根纖維并預(yù)加150 mg的力，纖維拉直后進(jìn)行線密度測試。每種纖維進(jìn)行50次采樣測試。測試過程中發(fā)現(xiàn)，無法采用Vibroscope測試碳纖維的線密度，這是因?yàn)樘祭w維導(dǎo)電，夾緊碳纖維時(shí)容易形成電弧并斷裂。因此，碳纖維的線密度是根據(jù)供應(yīng)商提供的產(chǎn)品參數(shù)(24 000根纖維線密度為1 600 tex)計(jì)算得到的，即碳纖維的線密度為1 600/24 000=0.067 tex，其強(qiáng)度也是由計(jì)算獲得的。

2.4LabTest

LabTest 2010型纖維強(qiáng)度和伸長率測試儀(圖3)裝有一對夾頭，其中一個(gè)夾頭固定，另一個(gè)夾頭在測試過程中以一定的速度移動，測試系統(tǒng)中不會發(fā)生纖維彎折。纖維束內(nèi)的纖維分離后，黏在尺寸為10 mm×10 mm的框架上，夾距設(shè)置為10 mm，拉伸速度為50 mm/min,偏差在0.5 cN/tex左右。每種纖維都進(jìn)行50次取樣測試。強(qiáng)度和伸長率的最終測試結(jié)果按照DIN EN 10002由LabTest計(jì)算機(jī)計(jì)算后輸出。

圖3　Labtest

2.5強(qiáng)度測試方法的比較

測試結(jié)果表明，玄武巖纖維的斷裂伸長最大，碳纖維的斷裂伸長最??；玄武巖纖維的斷裂強(qiáng)力也最大，碳纖維的斷裂強(qiáng)力同樣也最小。本測試中碳纖維的強(qiáng)力之所以低是由于所測碳纖維的直徑僅為所測玻璃纖維和玄武巖纖維的一半左右。

玻璃纖維的線密度和強(qiáng)度最大，而碳纖維的線密度(該值無法測得，是通過計(jì)算獲得的)僅為玻璃纖維和玄武巖纖維的1/7。玄武巖纖維和玻璃纖維的斷裂伸長率幾乎相同，碳纖維的斷裂伸長率最小。強(qiáng)度是所有性能中最重要的性能，碳纖維的強(qiáng)度最高，玄武巖和玻璃纖維的強(qiáng)度僅為碳纖維的1/4左右?？傊?，玄武巖纖維和玻璃纖維的測試結(jié)果都很相似。

由圖4和圖5可見，對于玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維3種纖維而言，采用Vibroscope和Vibrodyn測得的平均強(qiáng)度(cN/dtex)與根據(jù)已知的強(qiáng)力(cN)和線密度(dtex)插值計(jì)算所得的數(shù)據(jù)都很一致，也通過LabTest所得數(shù)據(jù)用插值法得到強(qiáng)力的最大值和最小值。玄武巖纖維的測試結(jié)果與插值法所得結(jié)果一致性最好。玻璃纖維的測試數(shù)據(jù)與插值法所得數(shù)據(jù)差異最大，僅有很低程度上的重疊。與玄武巖纖維和玻璃纖維相比，碳纖維測試數(shù)據(jù)的方差最大。

圖4　平均強(qiáng)度

圖5　平均斷裂伸長

3　小結(jié)

本研究的目的在于介紹玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維3種纖維的性能。對這3種用于制備復(fù)合材料的無機(jī)纖維所需的性能進(jìn)行了測試。采用Lanameter測試?yán)w維直徑。纖維束中纖維根數(shù)需人工計(jì)數(shù)，由于纖維束中含有大量的細(xì)小纖維，增加了這項(xiàng)工作的難度。

本文所用的另一種測試?yán)w維性能的方法是采用Vibroscope 和 Vibrodyn 測定纖維的線密度(細(xì)度)、強(qiáng)力、韌性和纖維強(qiáng)度，并用LabTest 2010測試了單根纖維的強(qiáng)力和韌性。通過對比可知，雖然Vibroscope和Vibrodyn的操作不簡單，但由于纖維斷裂的概率低，因而是一種更好的測試方法。LabTest是在拉伸過程中持續(xù)拍攝，通過所得圖片計(jì)算得到數(shù)據(jù)，初始夾距為1 cm,系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測夾距，直到夾頭回到原始位置。夾持纖維拉伸時(shí)，纖維(尤其是碳纖維)很容易斷裂。而當(dāng)采用Vibroscope和Vibrodyn進(jìn)行測量時(shí)，由于碳纖維導(dǎo)電，夾持后便產(chǎn)生電弧并斷裂，無法測出碳纖維線密度，因此需要計(jì)算獲得碳纖維的線密度。

不能一概而論地認(rèn)定哪種測試方法更好，測試技術(shù)被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，測試技術(shù)也正在持續(xù)不斷地發(fā)展。

陳玉偉 譯王依民 校

Comparison properties of selected inorganic fibers

Technical University of Liberec,Liberec/Czech Republic

Basalt,glass and carbon fibers and their properties were introduced.The aim of this work was measurement and comparison of the fiber properties and result comparison.

basalt fiber; glass fiber; carbon fiber; property; measurement