纤维及其复合材料力学性能和断裂过程中结构变化的研究.pdfVIP

国外化纤技术 New Technology 纤维及其复合材料力学性能和断裂过程中结构变化的研究 盐谷正俊 纤维及其复合材料的力学特性是材料各层次 结构的反映，如构成其分子级水平的结构，结晶、 非晶、原纤、空隙等有关结构 ，复合材料中填料和 纤维的分散集合状态有关的宏观结构等。不仅是初 目目■ 始结构，变形过程中的结构变化对力学特性都有很 大影响。为创造具有优良力学性能的材料，重要的 是了解这些各种级别的结构和材料性能的关系。随 着新材料的开发，会发生现有评估和解析方法不适 用的情况。我们曾以碳纤维及其复合材料为研究对 象，针对这种情况确立新的结构解析法和力学性能 ■■■ _圈 评估法。近年来一般用户已具备利用发射高辉度 X一射线的条件 ，对材料变形及破坏过程中的结构 (d) (e) 变化加以追踪，尽量抑制短时间内松弛的影响。本 图1PET纤维 (a—d)及非结晶PET薄膜 (e)的拉伸变形断裂过 文以高分子纤维和分散纳米填料的高分子材料为中 程中测定的SAXS图形 心，探讨拉伸变形破坏过程中的结构变化和力学性 (纤维轴及薄膜拉伸方向是图的上下方向，纤维的形变按 d顺序 能间的关系。 变大) 1 PET纤维拉伸形变过程中的结构 未形变时呈四点散射的散射图形，在纤维微 小变形时变成层线状散射，散射强度集中在子午线 变化 上。迄今的研究认为，四点散射及层线状散射由倾 高强度纤维可由刚性高分子取得，也可由聚 斜长周期结构、结晶／非晶界面倾斜的长周期结构、 乙烯那样的柔性高分子取得。但是聚对苯二甲酸乙 界面倾斜变宽分布的长周期结构的集合来解释。但 二酯 (PET)那样由中间刚性高分子制成的纤维， 用这些模型解释这次测定的散射图形的变化，需要 现在达到的强度相对于理论强度的比率较低，可以 有相当特定的假定。我们设想有强散射长周期结构 将提高这种通用高分子纤维强度作为研究课题。决 的线束构成结构模型，发现散射强度的少量变化， 定纤维强度的缺陷因素不仅与化学结构，也和成形 测得散射图形变化有很好的重现性。用这种模型可 方法及环境条件有关。某些缺陷因素除去后，次要 以重现高分子纤维中所见到的各种SAXS图形。值 的缺陷因素又决定着强度。利用放射性小角x一射 得一提的是，结构散射很强时，所谓 0．5次的散 线散射 (SAXS)探讨了断裂伸长较大的PET纤维 射，产生悬垂状散射和四点散射。以此作为一次散 的空隙形成和断裂韧性的关系。针对拉伸强度较高 射，适用于Bragg式，需要注意得到的是真实值的 而断裂伸长较低的PET纤维，根据拉伸强度分布 二倍值的结构周期。 对变形速度相关性探讨了缺陷的特点，推断了除去 进行拉伸变形，在应力一应变曲线的斜率变小 缺陷后能达到的强度。 的区域，如图1(a)所示，产生很强的赤道条纹。 PET纤维的拉伸形变过程SAXS图形变化如图 这是形成纤维内部的空隙引起的散射。根据拉伸过 1所示。该纤维是在低速下经熔融纺丝分批拉伸制 程中长周期的变化及除去负荷过程中散射图形的变 成，纤维直径 130 m，拉伸强度0．75GPa，断裂 化