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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(duì)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(duì)這些纖維性能進(jìn)行測(cè)試與對(duì)比，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

玄武巖纖維；玻璃纖維；碳纖維；性能；測(cè)試

盡管人們也許還沒意識(shí)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(dòng)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(duì)纖維直徑的測(cè)試，也驗(yàn)證了所述纖維的一些性能，并對(duì)強(qiáng)力、伸長進(jìn)行比較。采用Vibroscope 400和Vibrodyn 400 對(duì)這些特性進(jìn)行測(cè)試，并完成了對(duì)試驗(yàn)室設(shè)備的對(duì)比分析。在結(jié)論部分，本文評(píng)估了Liberec技術(shù)大學(xué)用上述設(shè)備和方法對(duì)纖維的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，并進(jìn)行對(duì)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(cè)試方法和性能驗(yàn)證

2.1Lanameter——纖維截面直徑測(cè)量

如纖維截面為圓形，則可采用Lanameter(圖1)測(cè)試?yán)w維的平均投影。將待測(cè)纖維試樣放置在Lanameter顯微鏡的操作臺(tái)上，纖維被投影到裝有旋轉(zhuǎn)撥盤的對(duì)焦屏上，分幾部分對(duì)纖維直徑進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)量，并記錄纖維數(shù)。測(cè)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(dòng)原理進(jìn)行測(cè)試的Vibroscope 400(EN ISO 1973)，根據(jù)纖維振動(dòng)頻率和線密度偏差可自動(dòng)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(cè)力器進(jìn)行測(cè)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(duì)線密度、強(qiáng)力、伸長率和強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估，并同時(shí)顯示纖維的工作曲線。采用Vibroscope測(cè)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(cè)試。每種纖維進(jìn)行50次采樣測(cè)試。測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，無法采用Vibroscope測(cè)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(cè)試儀(圖3)裝有一對(duì)夾頭，其中一個(gè)夾頭固定，另一個(gè)夾頭在測(cè)試過程中以一定的速度移動(dòng)，測(cè)試系統(tǒng)中不會(huì)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(cè)試。強(qiáng)度和伸長率的最終測(cè)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(cè)試方法的比較

測(cè)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?。恍鋷r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(cè)試中碳纖維的強(qiáng)力之所以低是由于所測(cè)碳纖維的直徑僅為所測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果都很相似。

由圖4和圖5可見，對(duì)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(cè)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(cè)試結(jié)果與插值法所得結(jié)果一致性最好。玻璃纖維的測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)試。采用Lanameter測(cè)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(cè)試?yán)w維性能的方法是采用Vibroscope 和 Vibrodyn 測(cè)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(cè)試了單根纖維的強(qiáng)力和韌性。通過對(duì)比可知，雖然Vibroscope和Vibrodyn的操作不簡(jiǎn)單，但由于纖維斷裂的概率低，因而是一種更好的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試方法更好，測(cè)試技術(shù)被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，測(cè)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