热湿作用下高性能纤维扭转疲劳性能的表征

摘要

高性能纤维(Highperformancefibers)因其高强、高模、耐高温性能，在军事、航天、电子通讯、汽车制造业等领域得到广泛应用。但这种高性能多是指在静态拉伸作用或冲击作用条件下，或是在不变的环境条件下。在实际工业应用中，纤维还会受到压缩、弯曲、扭转等作用。对纤维的弯曲和压缩性能已有一些较为成熟的研究方法，对于纤维的扭转性能的研究却相对较少。但在实际应用时与纤维扭转性能有关的破坏现象却并不少见，如传送带中纤维在传送带连续运动时将受到重复的拉、压、弯曲和扭转作用;短纤维在加捻成纱的过程中受到了重复扭转作用。研究高性能纤维的扭转疲劳对其力学性质的完善与生产使用指导具有重要意义。而现有的高性能纤维扭转疲劳研究仅局限于在常温常湿的环境条件，而对热湿作用下扭转疲劳性能研究较少。
　　 本课题以PBO、Nomex(R)和Kevlar49(R)三种高性能纤维作为研究对象，对它们在常态与热湿状态下的扭转疲劳性能进行了表征，并对纤维扭转疲劳的微观破坏机理进行了讨论和分析。具体内容如下:
　　 (1)在三种高性能纤维的一次扭转断裂实验中可以发现:分子链柔性最好的Nomex(R)纤维断裂扭转角较大，抗扭转性能较好;Kevlar49(R)纤维的断裂扭转角大于PBO纤维的断裂扭转角。
　　 (2)纤维疲劳寿命的离散性很大，从不足10到几百;在相同条件下，随着预加张力的增加，纤维的疲劳寿命缩短，其扭转疲劳断裂循环周期的自然对数与预加张力之间存在较好的线性关系;在预加张力一定的条件下，纤维的疲劳寿命随着温度和相对湿度的增大而减小，且纤维扭转疲劳断裂循环周期与温度之间存在较好的指数衰减关系;在预加张力、温度和相对湿度三个条件中，预加张力对扭转疲劳寿命的影响最大，湿度对扭转疲劳寿命的影响最小。
　　 (3)在纤维直接扭断及反复扭转疲劳断裂的实验中发现，绝大多数纤维在靠近纤维的主动扭转端发生断裂，约占纤维总数的56％，这是由于靠近纤维的主动扭转端，纤维单位长度上分布的捻回数相对较为集中，纤维所受到的扭应力较大，从而产生纤维结构的破坏较为剧烈，致使纤维发生扭转破坏。
　　 (4)从实验中所得的SEM照片可以看出:PBO纤维和Kevlar49(R)纤维的直接扭转断裂与扭转疲劳断裂均呈现出明显的原纤劈裂特征，这是由于PBO纤维和Kevlar49(R)纤维所具有高各向异性结构，其剪切性能相当差，扭转作用主要是剪切力的作用。当纤维扭转时，首先发生原纤间分离，随后个别原纤或原纤束先后断裂，直至发生严重的纵向劈裂原纤化;Nomex(R)纤维的扭转断裂端口的原纤劈裂没有PBO纤维和Kevlar49(R)纤维那样明显，扭转后纤维表面存在着裂纹。通过扭转断裂端的对比发现:一次扭转断裂端与疲劳扭转断裂端相比，疲劳断裂原纤化劈裂更明显，而对于Nomex(R)纤维，疲劳破坏造成的空洞和裂纹比一次破坏更加明显;随着温度的增加，原纤沿纵向劈裂的长度会增加。
　　 (5)在实验条件范围内，三种高性能纤维的疲劳寿命相比:Nomex(R)＞PBO＞Kevlar49(R)。

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摘要

第一章 绪论

1．1 问题的引出

1．2 高性能纤维简介

1．3 高性能纤维的扭转疲劳

1．4 本课题研究的意义及主要内容

第二章 三种高性能纤维的一次扭转破坏评价

2．1 纤维一次扭转破坏的描述

2．2 纤维一次扭转断裂实验

2．3 结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 高性能纤维在常态下的扭转疲劳

3．1 扭转疲劳破坏的描述

3．2 扭转疲劳实验

3．3 PBO纤维的结果与分析

3．4 Nomex纤维的结果与分析

3．5 Kevlar49纤维的结果与分析

3．6 三种纤维疲劳特征比较

3．7 疲劳与一次破坏的对比

3．8 本章小结

第四章 热湿作用对纤维扭转疲劳的影响分析

4．1 实验方法

4．2 PBO纤维常态与热湿态结果对比分析

4．3 Nomex纤维常态与热湿态结果对比分析

4．4 Kevlar49纤维常态与热湿态结果对比分析

4．5 三种纤维的对比分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 结论

5．2 课题展望

参考文献

致谢

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附录