纤维丝间摩擦和尺度效应对Kevlar纤维力学性能的影响

作     者：黄蒙影 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱德举

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Kevlar纤维 尺度效应 摩擦 力学特性 

摘      要：Kevlar纤维因高强度、高弹模、高强重比、耐酸、耐碱等优异特性而广泛应用在航空航天、军事、工程等各个领域,研究Kevlar纤维的力学特性对于最大限度发挥其优异性能至关重要。本文主要是考虑摩擦和尺度效应对于Kevlar纤维的影响,主要工作如下:利用MTI微型拉伸试验机对Kevlar 49、Kevlar 29纤维丝在不同标距下(12.5 mm、25.0 mm、40.0 mm)进行拉伸测试,结果表明,在一定范围内,Kevlar 49、Kevlar 29纤维丝拉伸强度、韧性、峰值应变均随标距的增加而降低,杨氏模量随标距的增加而增大。Kevlar 49与Kevlar 29结构相同,因此力学特性相近,但并不完全相同,这是由于二者的加工工艺不同引起的,同时对标距为25.0 mm的玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维单丝进行拉伸测试并分析其测试结果,Kevlar纤维丝的拉伸强度和杨氏模量均低于碳纤维丝,但碳纤维发生破坏时的变形小,玻璃纤维、玄武岩纤维的力学参数相似,这是其结构形式相近引起的。利用MTS万能试验机对不同标距(25.0 mm,50.0 mm,100.0 mm,200.0 mm)的Kevlar 49纤维束在处理(涂油润滑)和未处理两种情况下进行静态拉伸测试,采用Instron落锤冲击系统对标距为25.0 mm的单束纤维(处理和未处理)进行动态拉伸测试(应变率=40 s-1、80s-1、120 s-1、160 s-1);利用Weibull分布模型对试验数据进行统计分析,量化了纤维强度的离散性。结果表明:在一定范围内,随着标距的增加,无论是经过处理的Kevlar 49纤维束还是未经处理的Kevlar 49纤维束其拉伸强度、韧性、极限应变逐渐减小,杨氏模量逐渐增加,Kevlar 49纤维束具有明显的尺度效应,处理和未处理的纤维束静态拉伸强度、韧性、峰值应变及杨氏模量相近,即在静态拉伸作用下减小纤维丝之间的摩擦对不同标距下的纤维束力学性能影响不大;随着应变率增大,相对于未处理的纤维束,经过处理的纤维束强度逐渐降低,降低幅度呈递增趋势,表明在高应变率作用下纤维丝之间的摩擦对纤维束的力学性能影响显著。根据测试结果对Kevlar 49进行不同标距下的尺度效应、结构尺度效应分析,分析结果表明,在一定范围内,Kevlar49纤维丝拉伸强度、韧性、峰值应变均随标距的增加而降低,杨氏模量随标距增加而增大;在一定范围内,Kevlar49(处理)纤维束随标距增加拉伸强度、韧性、极限应变降低,杨氏模量增加,Kevlar 49纤维丝和纤维束随标距增加力学参数变化趋势一致,即在不同的标距下纤维具有明显的尺度效应。从结构尺度方面对比分析Kevlar 49纤维丝、束、布的力学参数,可以发现,纤维丝的拉伸强度大于纤维束,纤维束的拉伸强度大于纤维布。具体来说,Kevlar 49纤维丝、束、布的强度、杨氏模量是依次降低,韧性及极限应变是先降低再升高即纤维束的韧性、极限应变低于纤维丝及纤维束,纤维具有明显的结构尺度效应。