3 纖維和纖維繩纜的強(qiáng)度

以超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維為例，其強(qiáng)度在3.0～3.5 GPa范圍，是其分子鏈理論極限強(qiáng)度的百分之幾。而用這些直徑為φ 20～30 μm 的纖維制成直徑在幾十毫米的繩纜后，繩纜的強(qiáng)度比原材料纖維的強(qiáng)度又要降低，即從原材料到繩纜產(chǎn)品的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化效率在大多在50%～75%之間，由纖維種類、繩纜結(jié)構(gòu)和制造工藝等決定。可見(jiàn)，從高分子到纖維再到繩纜制品的過(guò)程中，尺寸增加強(qiáng)度降低，與其它工程材料和制品的情況相似，因?yàn)樵诔叽缭黾拥倪^(guò)程中引入了缺陷和薄弱環(huán)節(jié)而降低了強(qiáng)度。

高性能纖維材料相對(duì)鋼鐵等傳統(tǒng)材料要年輕得多，高性能纖維單根絲本身的顯微結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完全搞清楚。有資料認(rèn)為一根單絲由約150 個(gè)的大原纖（macro fibrils）組成、一個(gè)大原纖由約2 500 個(gè)微原纖（micro fibrils）組成、每個(gè)微原纖再由約1 800 個(gè)分子組成。一根單絲中的高分子鏈數(shù)量約為6.75×108 個(gè)，假設(shè)用一個(gè)刀片把一根單絲切斷，數(shù)一下兩個(gè)斷口的高分子的頭數(shù)，總和與我國(guó)人口數(shù)量接近。繼續(xù)下分，以超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維為例，其相對(duì)分子質(zhì)量在3.5×106～7.5×106之間，因此一個(gè)相對(duì)高分子量聚乙烯分子含有1.3×105～2.7×105個(gè)乙烯單體，亦即2.6×105～5.4×105 個(gè)碳原子和5.2×105～1.08×106 個(gè)氫原子。因?yàn)榫垡蚁┓肿渔湹目臻g幾何結(jié)構(gòu)通過(guò)X射線等測(cè)試知道，因此可以算出一個(gè)典型聚乙烯高相對(duì)分子鏈如果是伸直的（但相鄰碳鍵仍保持109.5 度夾角），其長(zhǎng)度在31～67 μm間。有研究報(bào)道微原纖的長(zhǎng)度是100～1000 nm亦即0.1～1 μm，因此假設(shè)聚乙烯相對(duì)高分子在微原纖中是直的，而且聚乙烯相對(duì)高分子在微原纖中不折疊，那么一個(gè)聚乙烯高分子將穿越幾十到幾百個(gè)微原纖。研究證明高分子在微原纖中折疊，如果折疊10 次，那么一個(gè)聚乙烯相對(duì)高分子質(zhì)量將穿越幾個(gè)到幾十個(gè)微原纖。定量表征未見(jiàn)報(bào)道，因此只能定性地說(shuō)，高分子在微原纖中是折疊的，一個(gè)高分子將分布在多個(gè)微原纖中。

由上述討論可見(jiàn)高性能纖維材料即使是單體分子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的聚乙烯，其微觀結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。

4 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維:在拉力作用下的失效機(jī)理

在超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維被研制成功后的40多年來(lái)，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、變形特點(diǎn)和機(jī)理的研究是相隨進(jìn)行的。有關(guān)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯單絲的變形過(guò)程和拉應(yīng)力下失效的微觀機(jī)理的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：?jiǎn)谓z斷裂的主要微觀機(jī)制是分子鏈（C-C鍵）斷裂？還是超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯分子之間或微原纖等更大的組織之間的相對(duì)滑動(dòng)和脫落？

Smook（1984）及其同事報(bào)道，低于100 ℃的超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的斷裂是分子的斷開(kāi)（chain scissioning/scission）和分子之間橫向結(jié)合（lateral bonds，范德華力結(jié)合）斷裂的混合過(guò)程。斷裂過(guò)程是從諸如扭結(jié)帶（kink bands）等的表面異常（缺陷）處引發(fā)的，導(dǎo)致具有原纖化斷裂表面的裂紋的形成。分子相對(duì)滑動(dòng)也是由原纖化結(jié)構(gòu)引起的，因?yàn)榱鸭y沿著這種微原纖的邊界生長(zhǎng)。單個(gè)微原纖的斷裂可能是分子鏈斷裂（如那些束縛和糾纏在一起的分子）和分子鏈滑動(dòng)的綜合。Smook等的觀點(diǎn)就是分子鏈自身的斷開(kāi)和分子鏈之間的滑動(dòng)兩種微觀機(jī)制共存。

然而在1991年，Werff和Pennings提出異議，他們認(rèn)為“凍膠紡絲制作的超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維在拉伸變形直到纖維斷裂之前的變形能太小（所以很難測(cè)量到），不足以破壞聚乙烯高分子的化學(xué)鍵”，表明Smook等1984年提出的分子鏈斷裂不太可能是一種微觀斷裂機(jī)制。其實(shí)在Werff和Pennings （1991）之前，Dijkstra曾建議：在較高溫度下，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的拉伸強(qiáng)度取決于應(yīng)力誘發(fā)的斜方晶-六方晶相變?cè)斐傻姆肿渔溁瑒?dòng)。后來(lái)又有Govaert和Peijs通過(guò)比較在不同溫度下進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)得到的活化能值與聚乙烯中C-C鍵的鍵能，進(jìn)一步證實(shí)高性能聚乙烯纖維的失效過(guò)程在很大程度上由分子鏈滑動(dòng)機(jī)制主導(dǎo)。因此可以得出結(jié)論，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維在拉力下的主要失效機(jī)理是分子或分子集團(tuán)（微原纖）的滑動(dòng)，而不是分子鏈的斷裂（破斷）。而分子或分子集團(tuán)之間的結(jié)合力是較弱的范德華力，即纖維中存在這些薄弱環(huán)節(jié)，所以纖維的實(shí)際強(qiáng)度比理論極限強(qiáng)度低很多。

后續(xù)詳見(jiàn)纖維材料強(qiáng)度和失效機(jī)理及其繩纜發(fā)展趨勢(shì)（三）

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