芳纶编织绳与加捻绳的拉伸曲线比较分析.pdf

２０１１年第４期玻璃钢／复合材料１７芳纶编织绳与加捻绳的拉伸曲线比较分析昝修平，杨彩云（１．昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明６５００９３；２．天津工业大学纺织学院，天津３００１６０）摘要：用芳纶纤维制备了编织绳和加捻绳，测试拉伸性能，对拉伸曲线进行分析。结果表明，编织绳和加捻绳的栽荷一位移曲线明显不同，前者在断裂前出现小锯齿状，后者在断裂后出现大锯齿状，二者断裂之前的载荷一位移曲线之间有很大的空白地带，表明编织绳的拉伸初始模量远远高于加捻绳。关键词：芳纶绳；编织绳；加捻绳；拉伸载荷一位移曲线中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１１）０４００１７０３自然界和现实生活中绳系应用与现象随处可见，如用绳拴牛马、放风筝等。空间绳系技术的应用早期起因于宇航救生、微重力实验及外空辐射测量等方面的需要，后来随着研究的开展与深入，科学家们逐渐发现这种航天系统还具有其它许多新颖独特的应用，这种新应用的发现又促进了空间绳系技术的研究与发展Ｊ。空间绳系技术是一种全新的航天技术，是当代空间技术的一个新的领域。空间绳系技术已成为欧、美等国航天研究的热点之一。空间绳系中的绳材料设计、选择对整个绳系的性能、功能至关重要。芳纶绳可以作为空间绳系中的绳材料之一＿３。芳纶绳的结构可以是多股芳纶长丝的加捻集合体，也可以是多股芳纶长丝彼此之间的交织体＇。本文对不同结构的芳纶绳的拉伸性能进行了比较分析，为合理选用绳结构提供依据。１试验材料—芳纶绳的纤维原料是荷兰产品，型号为ＴｗＡＲＯＮ．ＳＥ．１６一ｔｙｐｅ１１１１，细度为４２０ｄｔｅｘ，属中模量对位芳纶类Ｊ。设计两种绳的结构，分别为编织绳和加捻绳，二者均采用８束４２０ｄｔｅｘ的芳纶丝制备，编织绳的编织纱和芯纱分别为６束和２束，沿绳的纵向每厘米有７．２个花节。加捻绳的捻度为２００桫米。二者的单重差异不大，分别为０．３９５ｇ／Ｉｎ和０．３８２ｇ／ｍ，如表１所示。芳纶绳样品在天津工业大学加工制备，如图１所示，编织绳和加捻绳分别位于图１的上、下位置。图１芳纶绳样品照片Ｆｉｇ．１ＳａｍｐｌｅｓｐｈｏｔｏｓｏｆＫｅｖｌａｒｓｔｒｉｎｇ２试验方法芳纶纤维不同于传统的纺织纤维，其拉伸强度、拉伸模量相对较高，用常规的纱线测试方法夹持试样，纤维极易从钳口拔出，无法获得断裂强度。参照ＧＪＢ５５１０－２００５（（军用芳纶绳、线规范》，考虑到本试验材料呈线形，故本研究选用绞盘式夹持装置，具体测试条件如下：拉伸测试仪器：ＩＮＳＴＲＯＮ３３６９，夹持装置如图２所示；夹间距：７６０ｒａｍ，以绳两端的实际握持点间的长度为准；测试速度：２０ｍｍ／ｍｉｎ；测试温湿度：２５ｏＣ，６５％。—收稿日期：２０１０１２－０２作者简介：昝修平，男。通讯作者：杨彩云，女，博士，教授，主要从事复合材料性能方面的研究。／＆ｎｏ．４１８芳纶编织绳与加捻绳的拉伸曲线比较分析图２夹持装置Ｆｉｇ．２Ｇｒｉｐｐｉｎｇｄｅｖｉｃｅ３测试结果及分析表１给出了两种结构芳纶绳的拉伸断裂强力和断裂伸长率。图３所示为二者典型的拉伸．位移曲线。表１结构参数及拉伸测试结果Ｔａｂｌｅ１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｍｍ图３芳纶绳拉伸一位移曲线—Ｆｉｇ．３ＬｏａｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆＫｅｖｌａｒｓｔｒｉｎｇ从表１和图３可以看出，芳纶编织绳和加捻绳的断裂强力很接近，均在４５０Ｎ上下，加捻绳的略高Ｆ，Ｑ｜ｌ：Ｎｏ￣一点，二者的断裂伸长率差异较大，分别为５．２１５％和６．５３９％。芳纶编织绳和加捻绳二者所用原料完全相同，单位长度的重量也十分接近，但二者的拉伸断裂一位移曲线却有着很大的差异。３．１拉伸初始模量的差异拉伸．位移曲线的切线即为拉伸模量。从图３中可以明显地看出，编织绳和加捻绳二者的载荷一位移曲线形成一个封闭的区域，前者的曲线明显高于后者的曲线，假设二者均承受２５０Ｎ的载荷作用，那么，前者的伸长变形远远小于后者，这表明编织绳的拉伸初始模量明显大于加捻绳。这种特性是由它们各自的结构决定的。尽管两种芳纶绳有着诸多的相似之处，但结构上的差异带来了性能上的很大变化。编织绳中的编织纱围绕着绳的轴向呈螺旋线状分布，加捻绳同样围绕着绳的轴向呈螺旋线状分布。因二者直径相同，故通过比较单位长度内纱束围绕绳的轴线绕过的圈数即可知各自螺旋线升角的大小，圈数越多，螺旋线升角越小。从表１可以看出，编织绳有６根编织纱，每厘米的花节数为７．２，则每根编织纱在每米范围内转过的圈数可按下式计算：７．２÷６×１００＝１２０圈（１）而加捻绳中每根纱束在每米范围内转过的圈数就是它的捻度，即２００圈。因此可知加捻绳的螺旋线升角小于编织绳的螺旋线升角。螺旋线升角小，表明绳中的纱束与编织绳的轴线平行度差，不利于发挥纱束的固有性能；螺旋线升角大，表明绳中的纱束与编织绳的轴线平行度高，利于发挥纱束的固有性能。拉伸的初期，绳中呈螺旋线状的纱束趋于伸直，表现为低载荷下的急剧伸长，加捻绳在低载荷区比编织绳的伸长量大，拉伸初始模量相对较小。３．２断裂强力的差异编织绳中有６根编织纱，它们具有相同的螺旋线升角，同时还有２根芯纱，它们在绳的中心保持伸直状态，因此，拉伸过程中最先达到伸长极限的是芯纱，最后一起断裂的是６根编织纱。而加捻绳则不然，８根纱束具有完全相同的螺旋线，随着绳的不断伸长，它们必然同时达到断裂极限，因此最终的断裂强力是８根纱束的共同作用结果。所以加捻绳的最终断裂强力大于编织绳的最终断裂强力。３．３锯齿状曲线的差异如前所述，随着拉伸的进行，编织绳中的芯纱发２０１１年第４期玻璃钢／复合材料１９生部分断裂，在曲线上出现一个小锯齿，芯纱共分为多少次断裂，就会在曲线上有多少个小锯齿，最终６根编织纱同时断裂。加捻绳则有其独特的地方，其绳中所有纱束共同承载，直到达到最大强力值，此时部分纱束仍未断裂，但这部分纱束不足以承担最大载荷，必然发生载荷的急剧下降，随着钳口的继续上移，又有一部分纤维束断裂，剩余的纤维束只能承载更小的载荷，如此反复，出现了曲线上强力达到极值之后的大锯齿状。编织绳的拉伸．位移曲线是在断裂发生前出现的小锯齿状，加捻绳的拉伸一位移曲线是在断裂发生后出现的大锯齿状，为什么编织绳没有发生断裂后也出现大锯齿状呢？这同样是由他们各自特定的结构决定的。编织绳中的编织纱纱束之间是交织在一起的，随着承载的逐步加大，交织阻力随之加大，整体性增强，因而发生同期断裂，不再出现大锯齿。而加捻绳则不然，绳中的纱束彼此没有交织，只是相互平行地集合在一起，靠加捻形成一个整体，这样相互之间的摩擦力必然小于编织纱之间的摩擦力，因此发生了达到载荷极限之后，仍有部分纱束没有断裂而继续承载，又发生相继断裂的大锯齿现象。４结论芳纶绳作为空间绳系中的绳材料之一，其结构常用的有编织绳和加捻绳。通过测试二者的拉伸性能、分析二者的拉伸曲线，可知：（１）编织绳的拉伸初始模量高于加捻绳；（２）加捻绳的断裂强力高于编织绳；（３）编织绳在达到断裂极限之前发生了芯线的逐步断裂，而后所有编织纱同时断裂；加捻绳则同时到达断裂极限，之后，仍有部分纤维继续承载，其中的一部分又发生断裂，这样载荷逐步减小，因此，在编织绳和加捻绳的拉伸．位移曲线上出现了先有锯齿与后有锯齿的区别。参考文献［１］李强．空间绳系卫星系统动力学建模及仿真研究［Ｄ］．湖南长沙：国防科学技术大学，２００７．［２］崔本廷．空间绳系的控制与应用［Ｄ］．湖南长沙：国防科学技术大学，２００６．［３］武玉芬，张博明．碳纤维拉伸强度的离散性分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（３）：２９－３１．［４］申明霞，费传军，夏涛等．芳纶纤维表面涂覆层组成及其力学性能关系研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００６，（４）：２０－２２．［５］田国芝，赵树青，王有志等．芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料的界面行为的分子力学计算研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（６）：３－４，１６．［６］陈平，李虹，王静等．等离子体技术对高性能有机纤维表面改性的研究［Ｊ］．纤维复合材料，２００８，２５（３）：２１－２６．［７］姚穆．纺织材料学［Ｍ］．北京：中国纺织出版社，２００４．［８］赵渠森．先进复合材料手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３：３４５－３５５．ＣＯＭＰＡＲＡＴｌＶＥＡＡＬＹＳＩＳＯＮＳＴＲＥＴＣＨＩＮＧＣＵＲＶＥＳｏＦＫＥＶＬＡＲＢＲＡＩＤＩＮＧＳＴＲＩＮＧＡＮＤＴＷＩＳＴＩＮＧＳＴＲＩＮＧ——ＺＡＮＸｉｕｐｉｎｇ，ＹＡＮＧＣａｉｙｕｎ（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５００９３，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｅｘｔｉｌｅＣｏｌｌｅｇｅ，ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６０，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｋｅｖｌａｒｂｒａｉｄｉｎｇｓｔｒｉｎｇａｎｄｔｗｉｓｔｉｎｇｓｔｒｉｎｇｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｐｒｏｐ—ｅｒｔｉｅｓｏｆｂｏｔｈｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｒｌｏａｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｆｏｒｍｅｒｅｘｉｓｔｓｓｏｍｅｓｍａｌｌｚｉｇｚａｇｓｂｅｆｏｒｅｒｕｐｔｕｒｅｗｈｉｌｅｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｌａｔｅｒｅｘｉｓｔｓｓｅｖｅｒａｌｂｉｇｚｉｇｚａｇｓａｆｔｅｒｒｕｐｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｉｓａｌａｒｇｅｂｌａｎｋａｒｅａｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｃｕｒｖｅｓ，ｗｈｉｃｈｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈｅｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｉｎｉｔｉａｌｍｏｄｕｌｅｏｆｂｒａｉｄｉｎｇｓｔｒｉｎｇｉｓｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｔｗｉｓｔｉｎｇｓｔｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｋｅｖｌａｒｓｔｒｉｎｇ；ｂｒａｉｄｉｎｇｓｔｒｉｎｇ；ｔｗｉｓｔｉｎｇｓｔｒｉｎｇ；ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅ｜｜麓。撇｜｜