纺织材料学 10 纤维力学性能

第七章纺织纤维和纱线的力学性质讨论纺织纤维与纱线的拉伸性质及其对时间依赖性、纤维基本力学模型，纤维弹性、动态力学性质及疲劳，以及纤维的弯曲、扭转、压缩等力学性能。

第一节纤维的拉伸性质一、纤维的拉伸曲线与性能指标1．拉伸曲线纤维的拉伸曲线有两种形式，即负荷p－伸长△l 曲线和应力σ－应变ε曲线。

2．拉伸性能指标（1）强伸性能指标强伸性能是指纤维断裂时的强力或相对强度和伸长(率)或应变。

图7-1 纺织纤维的拉伸曲线a．强力P：又称绝对强力、断裂强b力。

它是指纤维能承受的最大拉伸外力，或单根纤维受外力拉伸到断裂时所需要的力，单位为牛顿(N)。

b．断裂强度(相对强度) Pb：简称比强度或比应力，它是指每特(或每旦)纤维能承受的最大拉力，单位为N/tex，常用cN/dtex（或cN/d）。

c．断裂应力σb：为单位截面积上纤维能承受的最大拉力，标准单位为N/m2(即帕)常用N/mm2(即兆帕Mpa)表示。

：纤维重力等于其断d．断裂长度Lb裂强力时的纤维长度，单位为km。

（2）初始模量初始模量是指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，即σ- ε曲线在起始段的斜率。

(5-10)初始模量的大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚性。

（3）屈服应力与屈服伸长率图7-2 纤维屈服点的确定纤维在屈服以前产生的变形主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子链间次价键的剪切，所以基本上是可恢复的急弹性变形。

而屈服点以后产生的变形中，有一部分是大分子链段间相互滑移而产生的不可恢复的塑性变形。

（4）断裂功指标a．断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量。

b．断裂比功Wv ：一是拉断单位体积纤维所需作的功Wv，单位为N/mm2。

另一定义是重量断裂比功Ww，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功。

c．功系数η：指纤维的断裂功与断裂强力(Pb)和断裂伸长(Δlb)的乘积之比。

纤维（fiber ）的定义纤维是纺织品的基本原料，是构成服装功能的基础。

纤维 1 具有足够的细度（直径≤100 um ）；2 足够的长径比（长度／直径＞500）；3 具有一定的柔韧性；纺织纤维 1 具有可纺性：长度＞10 mm ；2 具有服用性：强度、柔软性、吸湿性、抗皱性；纺织纤维的分类：天然纤维 化学纤维 合成纤维一、纤维的力学性质宏观上指在拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转等作用下所表现出的各种行为；微观上可视为在力场中分子运动的表现。

纤维的力学性质是纺织服装加工中选择纤维材料的主要依据之一。

1、断裂强度 是指纤维受力被拉伸至断裂时所能承受的最大外力。

常用单位有［N ／tex ］、［CN ／dtex ］。

2、断裂延伸度（断裂伸长率）是指断裂时的伸长与纤维原长之比的百分数即式中： L0－纤维的原长； L －纤维伸长至断裂时的长度；3、抗弯刚度 是指纤维抵抗弯曲变形的能力。

弯曲刚度小的纤维易于弯曲，形成的织物手感柔软，垂感好；4、弹性 是指纤维在外力作用下发生形变，撤消外力后，恢复形变的能力。

弹性好的织物做成的服装不易形成折皱，外观保型性好。

二纤维的吸湿性纺织纤维放置在大气中会不断和大气进行水分的交换，这种吸收和放出水分的性能称为纺织纤维的吸湿性（hygroscopicity ）。

1、回潮率（moisture regain ）G G W%100%G ⨯00－回潮率＝L L 100%L⨯00－断裂伸长率＝2、含水率（water content ）G G M%100%G0－含水率＝式中：G －表示纤维的湿重；G ｏ－表示纤维的干重；1）标准回潮率 指在规定的标准大气压下，温度为200C ，相对湿度为65%，将纤 维放置一定时间所测得的回潮率。

2）实际回潮率 纤维在实际所处环境条件下具有的回潮率。

其值和公定回潮率相近。

三、纤维的细度及其表征方法长度与细度是衡量纤维品质的重要指标，也是影响成纱质量和最终产品性能的重要因素。

第三章纤维的力学性质第一节纤维的拉伸性质纺织纤维在纺织加工和纺织品的使用过程中，会受到各种外力的作用，要求纺织纤维具有一定的抵抗外力作用的能力。

纤维的强度也是纤维制品其他物理性能得以充分发挥的必要基础，因此，纤维的力学性质是最主要的性质，它具有重要的技术意义和实际意义。

纺织纤维的长度比直径大1000倍以上，这种细长的柔性物体，轴向拉伸是受力的主要形式，其中，纤维的强伸性质是衡量其力学性能的重要指标。

一、拉伸曲线及拉伸性质指标1．纤维的拉伸曲线特征纤维的拉伸曲线由拉伸试验仪得到，图3-1是一试样长度为20cm，线密度为0.3 tex，密度为1．5R/cm3的纤维在初始负荷为零开始一直拉伸至断裂时的一根典型的纤维拉伸曲线。

它可以分成3个不同的区域：A为线性区(或近似线性区)；B为屈服区，在B区负荷上升缓慢，伸长变形增加较快；C为强化区，伸长变形增加较慢，负荷上升较快，直至纤维断裂。

图3-1 纤维的拉伸曲线纤维的拉伸曲线可以是负荷-伸长曲线，也可以将它转换成应力-应变曲线，图形完全相同，仅坐标标尺不同而已。

纤维拉伸曲线3个不同区域的变形机理是不同的。

当较小的外力作用于纤维时，纤维产生的伸长是由于分子链本身的伸长和无定形区中缚结分子链伸展时，分子链间横向次价键产生变形的结果。

所以，A区的变形是由于分子链键长(包括横向次价键)和键角的改变所致。

变形的大小正比于外力的大小，即应力-应变关系是线性的，服从虎克定律。

当外力除去，纤维的分子链和横向连接键将回复到原来位置，是完全弹性回复。

由于键的变形速度与原子热振动速率相近，回复时间的数量级是10-13s，因此，变形的时间依赖性是可以忽略的，即变形是瞬时的。

当施加的外力增大时，无定形区中有些横向连接键因受到较大的变形而不能承受施加于它们的力而发生键的断裂。

这样，允许卷曲分子链伸直，接着分子链之间进行应力再分配，使其他的横向连接键受力增加而断裂，分子链进一步伸展。

在这一阶段，纤维伸长变得较容易，而应力上升很缓慢。

纤维材料的力学性能与应用研究随着科学技术的不断进步，纤维材料在现代工程领域中得到广泛应用。

纤维材料的力学性能对其应用性能起着至关重要的作用。

本文将介绍纤维材料的力学性能以及其在不同领域的应用研究。

一、纤维材料的力学性能1. 强度：纤维材料的强度是指材料能够承受的最大外力。

常见的纤维材料如碳纤维、玻璃纤维等具有较高的强度，能够在应力作用下保持较好的稳定性。

2. 刚度：纤维材料的刚度是指材料对变形的抵抗能力。

刚度较高的材料具有较低的变形能力，适用于需要保持形状稳定的结构和设备。

3. 韧性：纤维材料的韧性是指材料在受力后能够发展出的塑性变形能力。

相比于脆性材料，具有较高韧性的纤维材料更能够抵抗外界冲击和振动。

4. 耐磨性：纤维材料的耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。

一些纤维材料具有较好的耐磨性，适用于摩擦和磨损较为频繁的场合。

二、纤维材料的应用研究1. 汽车工业：汽车制造行业对材料的强度和刚度要求较高。

纤维材料的高强度和轻质特性使其成为汽车制造的重要材料。

例如，碳纤维复合材料被广泛应用于汽车车身和零部件的制造，提高了汽车的整体性能和燃油经济性。

2. 航空航天工业：航空航天领域对材料的强度、刚度和轻量化要求极高。

纤维材料的独特性能使其成为航空航天工业的研究热点。

例如，玻璃纤维增强塑料在航空航天结构中的应用有助于提高飞机的安全性和飞行效率。

3. 建筑领域：纤维材料在建筑领域中具有广泛的应用前景。

纤维增强混凝土和玻璃纤维增强塑料等材料被用于加固和增强建筑结构，提高其抗震性能和使用寿命。

4. 医疗领域：纤维材料在医疗领域也有重要的应用。

例如，某些生物可降解的纤维材料被用于制造缝合线和植入物，具有良好的生物相容性和组织再生能力。

5. 环境工程：纤维材料在环境工程中的应用主要体现在过滤材料和污水处理等方面。

纤维材料的高表面积和过滤效率使其成为处理废水和废气的有效材料。

三、结论纤维材料的力学性能是其在不同领域应用研究的基础。

纤维材料的力学性能分析及优化纤维材料的力学性能是指材料在受到外力作用下，表现出的强度、刚度、韧性等性能。

近年来，随着人们对材料的需求不断提升，纤维材料在各个领域得到了广泛应用。

然而，纤维材料的力学性能是决定材料是否能够满足需求的重要因素之一。

因此，对纤维材料的力学性能进行分析和优化至关重要。

一、纤维材料的强度分析纤维材料的强度是指纤维材料在受到外力作用下，能够承受的最大应力值。

强度与材料的化学成分、微观结构、制备工艺等因素密切相关。

纤维材料的强度分析可以通过实验、理论计算等手段进行。

实验方法：常用的实验手段有单轴拉伸、双轴拉伸、剪切等。

在实验过程中，可以通过应变仪、应变片、数字图像处理等手段，来测量材料在加载过程中的应变应力变化，进而得到强度。

理论计算方法：常用的理论计算方法有轴对称假设、中心裂纹假设、微损伤理论等。

其中，中心裂纹假设往往更适合纤维材料的强度分析。

中心裂纹假设认为，纤维材料中心存在一个微小的裂纹，当外力作用超过一定值时，材料发生破坏，这时的外力就是材料的强度。

二、纤维材料的刚度分析纤维材料的刚度是指纤维材料在受到外力作用下，相应的应变与应力的比值。

刚度直接决定着材料在实际使用中的性能，在很多应用中是至关重要的。

刚度的分析过程与强度分析类似，也可以通过实验和理论计算来得出。

在实验过程中，常用的测试方法有单轴拉伸、三点弯曲等。

通过测量应变与应力的变化，进而得出材料的刚度值。

在理论计算方面，常用的有弹性力学理论、有限元理论等。

这些理论方法计算出的刚度不仅可以用于分析材料的力学性能，还可以为材料的优化设计提供重要依据。

三、纤维材料的韧性分析纤维材料的韧性是指纤维材料在受到外力作用下，承受能力以及抵抗裂纹扩展的能力。

它是材料承载能力的衡量标准之一，也是材料应用中需要考虑到的重要性能。

韧性的分析主要是通过断裂韧性进行。

断裂韧性是指纤维材料在断裂之前承受应变的能力。

在实验中，可以通过双轴试验或三点弯曲试验来测量纤维材料的断裂韧性。