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非织造材料的强度与疲劳性能研究在现代材料科学领域，非织造材料因其独特的结构和性能，在众多应用中发挥着日益重要的作用。
非织造材料的强度和疲劳性能是评估其质量和适用性的关键指标，对于其在各个领域的成功应用具有至关重要的意义。
非织造材料是一种由纤维通过定向或随机排列，经过物理、化学或机械方法加固而成的片状材料。
与传统的织造材料相比，非织造材料具有生产流程短、成本低、性能多样化等优点。
然而，其强度和疲劳性能的特点及影响因素却相对复杂。
从强度方面来看，非织造材料的强度主要取决于纤维的性质、纤维之间的结合力以及材料的结构。
纤维的强度和模量是影响非织造材料强度的基础因素。
一般来说，高强度和高模量的纤维能够赋予非织造材料更好的强度性能。
例如，采用高性能的合成纤维如芳纶、碳纤维等，可以显著提高非织造材料的强度。
纤维之间的结合力对于非织造材料的强度同样至关重要。
结合力的大小和形式直接影响着材料在受力时纤维之间的协同作用。
常见的纤维结合方式包括化学粘合、热粘合和机械针刺等。
化学粘合通过使用胶粘剂将纤维粘结在一起，其结合强度取决于胶粘剂的性能和用量。
热粘合则利用纤维的热熔性，在加热条件下使纤维相互融合，形成结合点。
这种结合方式的强度与加热温度、时间和纤维的热性能密切相关。
机械针刺通过将纤维互相穿插，形成缠结结构，从而增加纤维之间的摩擦力和抱合力。
针刺密度和深度对非织造材料的强度有着显著影响。
非织造材料的结构也是影响强度的重要因素。
结构包括纤维的排列方向、分布均匀性和孔隙率等。
如果纤维排列方向一致，在该方向上材料的强度通常较高，但在垂直方向上强度可能较弱。
纤维分布均匀的非织造材料，其强度性能相对更稳定。
孔隙率的大小会影响材料的密实程度，孔隙率过高往往导致强度降低。
在疲劳性能方面，非织造材料的表现同样值得关注。
疲劳是指材料在反复加载和卸载的作用下，性能逐渐劣化直至失效的过程。
非织造材料的疲劳性能受到多种因素的综合影响。
首先，加载条件是一个关键因素。
国产高性能纤维检测标准现状及分析发布时间：2022-10-11T06:11:43.572Z 来源：《城镇建设》2022年第10期第5月作者：马珂佳李盛仙[导读] 工业与材料行业的不断发展促进纤维弃旧出新，其具有传统材料所不具备的硬度与韧马珂佳李盛仙国家棉花及纺织服装产品质量检验检测中心河南省郑州市 450000摘要：工业与材料行业的不断发展促进纤维弃旧出新，其具有传统材料所不具备的硬度与韧性受到更多领域欢迎，但随着应用面逐渐拓展，更多材料生产厂家投入纤维生产进程中，以达成既定经济效益。
但我国对于高性能纤维领域仍处在不断探索方面，相关检测技术不够成熟，缺乏具有关键意义检测指标构建，因此本文将从国产高性能纤维检测现状出发，分析我国检测方式存在不足，并提升促进检验技术发展的针对性对策，为促进高性能纤维行业发展献言献策。
关键词：高性能纤维；检测技术；现状与分析引言：高性能纤维材料具有质量轻、韧性好以及对抗外界热、电、光等物理结构具有特殊耐受性能，其广泛用于航空航天的、船舶重工以及车辆制造等工业行业，常见的高性能纤维有碳纤维与超高分子质量乙烯纤维，其制造工序过程相对繁琐，同时利润可观，但大多高性能纤维材料无法从肉眼分辨出其功能是否达到实际使用标准，在使用过程中纤维帘布是否会由于无法承受既有拉力产生脆断,这一切需经过专用检测仪器进行综合性检验。
在第十一个五年计划进行之前，我国高性能纤维领域发展相对缓慢，更多高新技术型、具有独立自主产权的高性能纤维大多只能采用进口方式获取，在发现不足后我国将高性能纤维列入十一五发展重点，加大高新技术材料领域投入，在更多具有高水平大学内开设纤维学专业，促进行业发展同时，提升我国综合实力。
此后的多个五年计划中，高性能纤维材料一直是我国重点发展的目标，在实经历十余年发展，我国在绝大多数高性能纤维材料领域俨然能实现自我研发、自我攻关、自我生产总体目标，但我国在检测仪器精准度方面仍有很长的路要走。
碳纤维复合材料的失效机理研究碳纤维复合材料是一种应用广泛的高性能材料，具有轻质、高强度和高刚度的特点。
它经常被用于航空航天、汽车和体育器材等领域。
然而，由于其复合结构的特殊性，碳纤维复合材料也存在失效机理的问题。
本文将深入探讨碳纤维复合材料的失效机理。
首先，我们需要了解碳纤维复合材料的组成结构。
它是由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。
碳纤维是主要的载荷传递成员，而树脂基体则起着粘合和保护纤维的作用。
由于这两种成分的不同特性和材料接触面的存在，碳纤维复合材料在外部力作用下会产生各种失效，主要包括纤维破坏、界面剥离和树脂基体失效。
碳纤维的破坏是碳纤维复合材料最常见的失效形式之一。
由于碳纤维是高强度材料，能够承受较大的拉伸和压缩力。
但在实际应力环境中，碳纤维容易发生断裂，尤其是受到冲击或者扭转力的作用下。
碳纤维的断裂会导致整个材料的强度和刚度丧失，进而影响到整个结构的使用性能。
界面剥离是碳纤维复合材料另一个常见的失效形式。
碳纤维和树脂基体之间的黏附力是衡量复合材料性能的重要指标之一。
当复合材料遭受外界力的作用时，碳纤维和树脂基体之间的黏附力容易发生损伤，形成界面剥离的情况。
界面剥离会导致材料结构变得脆弱，从而降低材料的强度和刚度。
树脂基体失效是碳纤维复合材料另一个重要的失效形式。
树脂基体在实际应用中承受着大量的压力和温度变化。
由于其化学性质和性能的限制，树脂基体容易发生变形、老化和破裂等失效。
特别是在高温环境下，树脂基体的失效频率更高。
树脂基体的失效会影响整个材料的强度和刚度，从而降低其可靠性和耐久性。
综上所述，碳纤维复合材料的失效机理主要包括碳纤维破坏、界面剥离和树脂基体失效。
这些失效形式的发生往往是相互影响和共同作用的结果。
为了提高碳纤维复合材料的可靠性和耐久性，我们需要深入研究这些失效机理，并采取相应的改进措施。
在碳纤维复合材料的制备过程中，我们可以通过选择合适的纤维和树脂，以及优化制备工艺来降低材料的失效风险。
S25 PBO纤维的光降解及稳定化研究宋波 傅倩 刘小云 庄启昕 韩哲文 （特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室，华东理工大学，上海 200237） 摘要：作为综合性能最高的有机纤维，PBO纤维由于光稳定性不佳，其应用受到很大限制。
本文研究了聚对亚苯基苯并二噁唑（PBO）纤维的光老化行为，并对PBO纤维的防光老化做了初步的研究。
研究结果表明：PBO纤维的光降解过程分为两个阶段。
第一阶段主要表现为水分子向纤维内部的渗透，引起纤维缺陷大小和数量的增加导致了强度的缓慢下降；第二阶段表现为PBO分子的化学降解，表现为分子的开环和断链，导致纤维皮层和结晶结构遭到严重的破坏，纤维强度快速降低。
另外，本文还对比使用了纳米粒子涂层以及光稳定剂，对提高PBO纤维的光稳定性进行了初步研究，发现使用纳米粒子涂层的效果有限，而紫外光吸收剂UV-326和受阻胺770并用时可显示较好的协同作用，纤维的耐光老化性有一定的提高。
关键词：PBO纤维；光降解；机理；防老化Investigation on photodegradation and stabilization ofPBO fiberSong Bo, Fu Qian, Liu Xiaoyun, Zhuang Qixin, Han Zhewen（The Ministry of Education Key Laboratory of Special functional polymer materialsand related technology, East China University of Science and Technology, Shanghai,200237, China）Abstract:AS a high performance fiber, poly-p-phenylene benzobisoxazole (PBO) fiberhas high strength, high modulus, and remarkable thermal stability. However, the applicationof the PBO fiber is subject to greatly influence of the decrease of mechanical properties dueto the photo aging. In this work, photodegradation of PBO fibers exposed to the condition ofUV-visible light, oxygen and moisture were investigated. In addition, the attempt to improvethe photo aging resistance of PBO fiber was studied. It is found that the photodegradation of PBO fiber included two development stages. In the first stage, the main character was the plasticization of water molecules penetrating into crystallite slippage and swelling of the fibers, which resulted in the increase of the number and size of defects. The second stage mainly behaved as benzoxazole ring opening and chain scission of PBO molecule, which resulted in the seriously damage of skin and crystal structure of PBO fibers, led to the sharp reduction in strength of PBO fibers. In this study, some anti-aging agent was also used to improve the photo stabilization of PBO fibers.Keywords: PBO fiber, photodegradation, mechanism, aging resistance基金项目：国家自然科学基金项目（50703010和50973028）作者简介：宋波，男，在读博士，研究方向：高性能高分子材料；通讯联系人：刘小云， Email:********************.cn作为一种直线型聚芳杂环刚性棒状液晶聚合物分子, 聚对亚苯基苯并二噁唑（PBO）具有优异的热稳定性和化学稳定性[1-3]，其分子结构式见图1。
金属基复合材料的失效机理研究随着工程技术的快速发展，金属基复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备、能源等领域的应用越来越广泛。
然而，在使用过程中，金属基复合材料也会面临一些失效问题，这对于安全性和可靠性都是巨大挑战。
因此，深入研究金属基复合材料的失效机理具有重要的理论和实践意义。
首先，我们来探讨金属基复合材料的基本结构和特性。
金属基复合材料由金属基体和增强相材料组成，其中金属基体可以是铝合金、镁合金等，而增强相材料可以是碳纤维、陶瓷颗粒等。
这种复合材料具有较高的强度、刚度和韧性，能够在极端条件下保持结构稳定性，同时还具备较好的导热性和导电性能。
然而，金属基复合材料的失效机制主要包括胶接失效、疲劳失效和蠕变失效等。
首先是胶接失效，当金属基体与增强相材料之间的胶接面存在一定的缺陷，例如气孔、夹杂物等，会导致复合材料出现胶接失效。
这种失效通常表现为胶层剥离、裂纹扩展等现象，造成复合材料失去结构完整性和功能性。
疲劳失效是金属基复合材料使用过程中最常见的失效模式之一。
复合材料在交变应力作用下，由于材料内部缺陷或者载荷集中等原因，将产生应力集中，随着应力循环次数的增加，会逐渐积累起微观缺陷，最终导致裂纹的扩展和材料的疲劳失效。
蠕变失效则是由于金属基复合材料在高温环境下受到长时间连续加载，造成材料的快速变形和失效。
接下来，我们来详细探讨这些失效机制的具体原因和影响因素。
胶接失效的原因主要有两个方面，一是制备过程中的胶层不均匀或者存在缺陷，二是使用过程中的高温、潮湿等环境条件，导致胶层的老化和破坏。
因此，提高胶接面质量和优化胶接层的设计是预防胶接失效的关键。
对于疲劳失效而言，复合材料的微观结构和缺陷将对其寿命和强度产生显著影响。
合理设计和控制复合材料的力学性能，降低缺陷的生成和扩展速率，是预防疲劳失效的重要手段。
而对于蠕变失效，金属基复合材料在高温下会出现组织结构的变化以及相应的力学性能下降。
因此，降低温度和应力对复合材料的影响，选择适合的材料和合金，以及优化材料的热处理工艺，都是预防蠕变失效的有效措施。
纤维原料的抗裂与抗疲劳技术在现代材料科学领域，纤维原料的抗裂与抗疲劳技术是研究的重要方向。
纤维作为增强相，其在复合材料中的应用已经非常广泛，例如在航空、航天、汽车、建筑等领域的材料中，纤维都起到了提高材料性能的重要作用。
然而，纤维材料的抗裂与抗疲劳性能一直是影响其广泛应用的关键问题。
纤维的抗裂技术纤维的抗裂技术主要涉及到纤维的表面处理、纤维的排列方式以及纤维与基体的界面结合三个方面。
首先，纤维的表面处理可以提高纤维与基体的界面结合强度，从而提高材料的抗裂性能。
常见的表面处理方法包括涂覆法、化学处理法、熔融法等。
这些方法可以增加纤维表面的粗糙度，提高纤维与基体的粘结强度。
其次，纤维的排列方式也会影响材料的抗裂性能。
在复合材料中，纤维的排列可以采用随机排列、有序排列或者编织的方式。
不同的排列方式会使得材料在受到拉伸或者压缩时，应力分布不同，从而影响材料的抗裂性能。
最后，纤维与基体的界面结合是影响材料抗裂性能的关键因素。
良好的界面结合可以使得在材料受到外力作用时，应力能够有效地从基体传递到纤维上，从而提高材料的抗裂性能。
纤维的抗疲劳技术纤维的抗疲劳技术主要涉及到纤维的尺寸、纤维的分布以及纤维的疲劳性能。
首先，纤维的尺寸对材料的抗疲劳性能有重要影响。
纤维的直径、长度以及形状都会影响材料的疲劳性能。
研究表明，较粗的纤维可以提高材料的疲劳强度，而较长的纤维则有助于提高材料的疲劳寿命。
其次，纤维的分布也是影响材料抗疲劳性能的关键因素。
纤维的分布可以采用随机分布、有序分布或者编织的方式。
不同的分布方式会使得材料在受到循环载荷作用时，应力分布不同，从而影响材料的抗疲劳性能。
最后，纤维的疲劳性能也是影响材料抗疲劳性能的重要因素。
纤维的疲劳性能包括疲劳强度和疲劳寿命两个方面。
疲劳强度是指材料在循环载荷作用下的疲劳极限，而疲劳寿命是指材料在循环载荷作用下的失效时间。
以上内容为本文左右。
后续内容将详细讨论纤维原料的抗裂与抗疲劳技术在实际应用中的具体案例，以及未来发展趋势和挑战。
高性能纤维失效研究
纤维，尤其是高性能纤维，在体育器械、防护装甲和航空航天等方面应用非常广。
通过不同的成型工艺，在纤维拉伸过程中就形成了高度取向的分层结构，从而赋予这些纤维高的强度和刚度。
说到纤维的复杂结构，可以用三个尺度来衡量：①纳米纤维，其直径为10-50 nm；②纳米纤维束，直径100-500 nm；③全纤维，直径10μm。
虽然我们研究和使用纤维的历史非常悠久，但不得不承认的是，没有哪一个人工合成的纤维达到了理论强度。
纤维是怎么失效的?
图1. PPTA（a）和UHMWPE纤维（b）的拉伸断裂表面沿着纤维束界面发生了原纤化。
对断裂的纤维进行分析后发现存在广泛的原纤化现象，虽然纳米纤维的直径只有10 nm，但图1中的原纤化却宽得多，这表明纤维失效与纤维束尺度上的现象有关系。
采用聚焦离子束（FIB）铣削和纳米压痕技术研究了PPTA和UHMWPE纤维的失效机理。
对UHMWPE纤维在三种不同尺度下的分离能进行分析后，发现不同尺度下纤维的分离能符合幂律关系，随着纤维尺度的增加，分离能逐渐提高。
从微观角度出发，研究者认为正是由于纤维束之间的横向桥接的增加导致随着纤维尺度的增加，分离能的提高，而这种横向桥接的多少和大小对纤维的失效起到了决定性作用。
这一研究不仅解释了纤维的失效机理，
还为多尺度纤维模型的建立、高性能纤维的失效分析提供了实验支持，为开发高性能纤维提供了可能性。
纤维失效样品的制备和表征
图2. 采用FIB制备缺口样品示意图。
（a）离子铣削的纤维定位示意图；（b）铣削成功的PPTA和（c）UHMWPE纤维T形缺口的FIB图像；（d）剥离过程示意图；（e）用于纳米压痕实验的样品示意图。
研究者针对两种纤维进行研究：PPTA（凯夫拉KM2，600旦）和UHMWPE（迪尼玛SK76，1350旦）。
为了制备测试样品，研究者将单根纤维放置在直径1厘米的玻璃小瓶的表面上，将两滴粘合剂滴在纤维上，相距约5毫米以固定纤维。
在粘合剂固化后，在纤维外部喷涂30 nm的Au-Pd 涂层，以防止在开槽过程中产生带电效应。
将纤维固定到45°的SEM台上，然后倾斜7°，并与FIB垂直。
随后使用Ga+离子（FEI Nano V600双光束）在纤维的上半部分铣入倒置的T形槽口，这样的结构有利于进行样品表面剥
离。
在制备好样品后，将玻璃小瓶放在光学显微镜载物台上，将扫描隧道显微镜（STM）的探针切断，探针边缘形成一个长的锥形，正好适合插入T形槽口的侧面。
通过调节载物台，将STM探针小心地插入槽口内，同时剥离纤维，这个操作要十分小心，以防止STM探针破坏产生的纤维内表面。
纳米压痕实验
图3. UHMWPE（正方形）和PPTA（菱形）纤维的归一化压痕能随着压入深度的变化。
（a）单个压痕结果；（b）重复压痕实验计算的能量差。
研究者采用纳米压痕实验进行研究了纤维的硬度、模量和最大载荷等力学指标。
发现在每个压痕深度，PPTA的归一化压痕能约为UHMWPE的两倍。
在压痕过程中，可能同时存在几种能量耗散机制：能量可以沿着纤维束界面的断裂而耗散，也可以因为探针尖端与样品的摩擦而耗散，因此可以分析同一位置重复压痕的结果来计算压痕过程中耗散的总能量，发现PPTA在每个压痕深度吸收的总能量也是UHMWPE的两倍。
这说明与UHMWPE纤维相比，分离PPTA纤维中的原纤维束需要消耗更多的能量。
纤维断裂形貌的分析
图4. UHMWPE（a）和PPTA（b）纤维断裂表面的原纤化。
与PPTA相比，UHMWPE中纳米原纤维束的分离长度更长。
为了研究纤维断裂过程的微观机理，研究者对单根纤维进行弯曲实验，在弯曲过程中，下方的纤维发生压缩，上部的纤维发生拉伸，最终在剪切变形下单根纤维发生了原纤化。
与PPTA相比，沿纤维长度方向UHMWPE中纳米原纤维束的分离更远。
研究者从微观角度分析了出现上述现象的原因。
虽然两种纤维都发生了原纤化，但随着UHMWPE纤维压缩应变的增加，其表观横截面积显著增加，这是由于纤维中出现了纳米空隙造成的，除此以外UHMWPE中原纤维网络还发生了大规模的重新取向，这些因素在PPTA中都没有观察到。
总之，刚性的PPTA单根纤维中的横向相互作用比柔性的UHMWPE纤维中的强，因此
发生断裂时，沿纤维长度方向UHMWPE中纳米原纤维束的分离长度更长。
图5. UHMWPE纤维中的总吸收能量和相应的开裂面积的幂律关系。
（a）单根纤维束中仅考虑500 nm深度的结果；（b）纳米原纤维开始分离过程中横向连接尺寸和频率的变化；（c）纤维束的分离；（d）全纤维开裂。
为了量化纤维中的横向相互作用，研究者在不同尺度上计算了吸收能，发现在纤维束尺度上，吸收能比纳米纤维要高1~2个数量级，在全纤维角度，吸收能更高，均符合幂律关系。
在不同纤维尺度上，吸收能量大小差别显著，这说明在不同尺度上有着不同的横向相互作用机制：在纳米尺度上，吸收能很低，不存在分子水平的横向连接；在纤维束尺度，吸收能显著增加，是由于纳米纤维束之间的裂纹处产
生了纳米纤维桥接，并且在压痕过程中一些纳米纤维发生了断裂；在全纤维
尺度，吸收能进一步增加，是由于纤维中裂纹尖端附近的纳米纤维桥接的数量和尺寸显著增加造成的。
为了揭秘纤维失效的原因，内布拉斯加大学林肯分校的Dzenis教授课题组与美国陆军实验室合作，采用聚焦离子束（FIB）铣削和纳米压痕技术研究了PPTA和UHMWPE纤维的失效机理。
与UHMWPE纤维相比，PPTA的吸收能是UHMWPE的两倍；与PPTA相比，沿纤维长度方向UHMWPE中纳米原纤维束的分离更长，这与PPTA单根纤维中的横向相互作用更强有关。
随着UHMWPE纤维尺度的增加，纳米纤维之间的横向作用（即纳米桥接）逐渐增加，造成了吸收能的增加，而这种纳米桥接大小与多少直接决定了纤维的失效与否。
研究者认为未来的研究重点是了解负载是如何跨越这些不同尺度进行转移的。
