項(xiàng)目 紡織纖維的力學(xué)性質(zhì)

1、項(xiàng)目 紡織纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維材料的力學(xué)性質(zhì)是表征纖維加工和使用性能極為重要的內(nèi)容。宏觀方面，纖維的力學(xué)性質(zhì)是指纖維在各種外力（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)等）作用下的種種行為；微觀方面，纖維的力學(xué)性質(zhì)則可視為纖維在力場(chǎng)中分子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。由于纖維高聚物分子運(yùn)動(dòng)的粘彈性質(zhì)，纖維材料對(duì)外界作用的響應(yīng)頗為復(fù)雜。本章重點(diǎn)討論紡織纖維的拉伸性質(zhì)及其對(duì)時(shí)間依賴性、纖維基本力學(xué)模型，纖維彈性、動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)及疲勞，以及纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓縮等力學(xué)性能。8-1 紡織纖維的拉伸性質(zhì)纖維材料在外力作用下遭到破壞時(shí)，主要的和基本的方式是纖維材料被拉斷。表示纖維拉伸特征的指標(biāo)有很多。一、紡織纖維的拉伸曲線（負(fù)

2、荷伸長(zhǎng)曲線）的基本特征1、拉伸性能指標(biāo)（1）強(qiáng)力（絕對(duì)強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力）：它是指纖維能承受的最大拉伸外力，或單根纖維受外力拉伸到斷裂時(shí)所需要的力，單位為牛頓(N)。強(qiáng)力與纖維的粗細(xì)有關(guān)，對(duì)不同粗細(xì)的纖維強(qiáng)力沒有可比性。（2）相對(duì)強(qiáng)度a斷裂應(yīng)力：指纖維單位截面上纖維能承受的最大拉力，標(biāo)準(zhǔn)單位為N/m2(即帕)常用N/mm2(即兆帕Mpa)表示。b斷裂強(qiáng)度(相對(duì)強(qiáng)度)：簡(jiǎn)稱比強(qiáng)度或比應(yīng)力，它是指每特(或每旦)纖維能承受的最大拉力，單位為N/tex，常用cN/dtex。c斷裂長(zhǎng)度Lb：纖維重力等于其斷裂強(qiáng)力時(shí)的纖維長(zhǎng)度，單位為km。（3）斷裂伸長(zhǎng)率：纖維拉伸時(shí)產(chǎn)生的伸長(zhǎng)占原來長(zhǎng)度的百分率稱為伸長(zhǎng)。纖維

3、拉伸至斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率稱為斷裂伸長(zhǎng)率，它表示纖維承受拉伸變形的能力。2、拉伸曲線圖（如P199圖8-1）負(fù)荷伸長(zhǎng)曲線圖：表示纖維在拉伸過程中的負(fù)荷和伸長(zhǎng)的關(guān)系曲線。OO：未伸直的纖維由卷曲拉伸至伸長(zhǎng)；OM：纖維中大分子間連接鍵的伸長(zhǎng)變形，此變形纖維需要的外力較大，模量增高；Q：屈服點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力；QS：纖維中大分子的空間結(jié)構(gòu)開始改變，大分子內(nèi)/間的化學(xué)鍵開始斷裂，使結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)中的大分子逐漸產(chǎn)生錯(cuò)位滑移，變形顯著；SA：錯(cuò)位滑移的大分子基本呈伸直平行狀態(tài)；A：斷裂點(diǎn)。幾類拉伸曲線圖：（1）強(qiáng)力高而伸長(zhǎng)率很小：棉、麻。聚合度、結(jié)晶度、取向度較高，大分子鏈屬剛性分子鏈。（2）強(qiáng)力不高而

4、伸長(zhǎng)率很大：羊毛、氨綸。聚合度雖然不低，但分子鏈柔曲性高，結(jié)晶度與取向度較低，分子間不能形成良好的排列，過長(zhǎng)的分子反而增加了自身的卷曲，因此纖維分子空間結(jié)構(gòu)改變的過程比較長(zhǎng)，分子間滑脫比例較高。（3）強(qiáng)力與伸長(zhǎng)介于前兩類之間：蠶絲、錦綸、滌綸。分子鏈柔曲性比較大的錦綸與剛性分子鏈的滌綸相比，滌綸的初始模量大，故滌綸的曲線在錦綸之上。幾種常見纖維的拉伸曲線圖： 圖8-1 不同纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖8-2 產(chǎn)業(yè)用纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線二、表示纖維在拉伸全過程中的性質(zhì)指標(biāo)表示纖維在拉伸全過程中的性質(zhì)指標(biāo)是初始模量、屈服應(yīng)力與屈服伸長(zhǎng)率、斷裂功、斷裂比功和功系數(shù)，以及纖維柔順性系數(shù)。1、初始模量（如P

5、209表8-1）初始模量是指纖維負(fù)荷伸長(zhǎng)曲線上起始一段（纖維基本伸直后拉伸的一段）較直部分的伸直延長(zhǎng)線上應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即s - e 曲線在起始段的斜率。初始模量的大小表示纖維在小負(fù)荷作用下變形的難易程度，反映了纖維的剛?cè)嵝?。初始模量大，表示纖維在小負(fù)荷作用下不易變形，剛性較好，其制品較挺括；初始模量小，表示纖維在小負(fù)荷作用下容易變形，剛性較差，其制品較軟。2、屈服應(yīng)力與屈服伸長(zhǎng)率（1）屈服點(diǎn)：在拉伸曲線上，圖線的坡度由較大轉(zhuǎn)向較小時(shí)，表示材料對(duì)于變形的抵抗能力逐漸減弱，這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和伸長(zhǎng)率就是它的屈服應(yīng)力和屈服伸長(zhǎng)率。（2）作圖法求得屈服點(diǎn)（如P205表8-1）求

6、屈服點(diǎn)的作圖法有多種，最常用的是平行線法。連接拉伸曲線的起點(diǎn)O和終點(diǎn)A，然后作OA的平行線，使其與坡度轉(zhuǎn)變較大的部分相切于Y點(diǎn)，Y點(diǎn)即為屈服點(diǎn)。用此方點(diǎn)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷和伸長(zhǎng)就可以計(jì)算出屈服應(yīng)力和屈服伸長(zhǎng)率。（3）物理意義屈服點(diǎn)是纖維開始明顯產(chǎn)生塑性變形的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。一般而言，屈服點(diǎn)高（即屈服應(yīng)力和屈服伸長(zhǎng)率大）的纖維，不易產(chǎn)生塑性變形，拉伸彈性較好，其制品的抗皺性、抗起拱變形等也較好。纖維在屈服以前產(chǎn)生的變形主要是纖維大分子鏈本身的鍵長(zhǎng)、鍵角的伸長(zhǎng)和分子鏈間次價(jià)鍵的剪切，所以基本上是可恢復(fù)的急彈性變形。而屈服點(diǎn)以后產(chǎn)生的變形中，有一部分是大分子鏈段間相互滑移而產(chǎn)生的不可恢復(fù)的塑性變形。3、斷裂功、斷裂

7、比功和功系數(shù)（1）斷裂功W：是指拉伸纖維至斷裂時(shí)外力所作的功，也是纖維受拉伸到斷裂時(shí)所吸收的能量。 在拉伸圖（負(fù)荷伸長(zhǎng)）中，橫坐標(biāo)是拉伸伸長(zhǎng)量（mm），縱坐標(biāo)是拉伸力（cN）。曲線下陰影的面積就是拉斷這根纖維過程中外力對(duì)它做的功，也就是纖維材料抵抗外力破壞所具有的能量，叫做“斷裂功”。斷裂功的大小與式樣的粗細(xì)和長(zhǎng)度有關(guān)，所以對(duì)不同粗細(xì)的和長(zhǎng)度的纖維，沒有可比性。（同斷裂強(qiáng)力）（2）斷裂比功Wr ：是指拉斷單位線密度與單位長(zhǎng)度纖維材料所需的能量。斷裂比功在拉伸曲線中反映的是應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積，在纖維材料密度相同時(shí)，它對(duì)不同粗細(xì)和不同試樣長(zhǎng)度的纖維材料具有可 （3）功系數(shù)：指纖維的斷裂功與斷裂強(qiáng)力(Pb)和斷裂伸長(zhǎng)(lb)的乘積之比：斷裂功是強(qiáng)力和伸長(zhǎng)的綜合指標(biāo)，它可以有效地評(píng)定纖維材料的堅(jiān)牢度和耐用性能。（4）纖維柔順性系數(shù)C（如P207）：剛性和低延性的纖維，如玻璃纖維