文献ℱ结晶域取向对芳纶纤维的模量和强度的限制作用

研究内容

该团队研究了机械加载下芳纶纤维的晶体取向与机械性能的演变规律，初始晶体取向在16.7°-9.7°，拉伸强度在3.5-4.0GPa的窄范围内可导致66GPa和119GPa之间的宽范围的纵向模量。

在纤维拉伸强度的90%以上进行机械处理，使初始模量趋于100GPa，稳定晶域取向为11.6°，而拉伸强度附近的应力卸载模量趋于165GPa，接近220GPa的理论模量。相反，随着晶体取向的增加，拉伸强度保持不变，并且显示出与纤维标距长度无关，因此暗示失效不是由于缺陷遵循最薄弱的链接统计数据。

短标距长度测试（200 mm） ）表明在纤维表面开始失效，随后在皮芯界面处产生裂纹扩展，导致纤维芯的挤出，这指出皮芯界面是限制这类纤维拉伸强度的重要因素。

图1. 四种类型的Kevlar纤维的（200）晶体峰的归一化强度与方位角的关系图

表1. 不同等级的Kevlar纤维的平均纤维直径，来自XRD数据的FWHM，测量和计算杨氏模量值

图2. (a)具有最低微晶取向(FWHM=16.7°)的长丝在0.01s-1下进行加载(蓝色)-卸载(红色)时的应力-应变曲线，峰值应力逐渐增加。(b)原丝的机械响应(FWHM=16.7°)和(a)中纤维的最终载荷曲线，显示出由于机械条件对拉伸强度的-90％的响应急剧变化

图3. 具有不同初始微晶取向的芳纶纤维的应力应变行为(a)在单调加载下直至失效，(b)在机械循环后如图2(a)所示，然后完全卸载，然后单调重新加载(如图所示)直到失效。在这两个图中，FWHM是原始纤维的值

图4. 初始(a)重新加载，和(b)随着具有不同初始取向的芳纶纤维预处理应变的逐渐增加而卸载模量。(c)比较以不同应变值预处理的卸载纤维束(填充符号)的测量FWHM值与利用(a)中的重新加载模量计算的FWHM值

图5. 具有相同初始取向的两根长丝的应力-应变曲线（FWHM = 16.7°） 

图6. 应变速率对芳纶纤维机械响应的影响，(a)纤维结晶域取向最低(FWHM=16.7°)，和(b)纤维结晶域取向最高(FWHM=9.7°)，列于表1

图7. 预处理K119纤维在10-2s-1(开放符号)应变速率下达到拉伸强度的90%的力学响应，与加载-卸载到拉伸强度的80%和在10-4s-1(填充符号)的最终再加载相比。这两种方法得到的重新加载曲线实际上是相同的

图8. （a）K49和（b）KM2纤维的皮肤表面的AFM形貌图像。(c) KM2纤维中的皮芯分离。(d)来自KM2纤维芯部的一片微纤维晶体，显示出约5nm的一致的微纤维直径

图9.不同标距长度（a）K119，（b）K29，（c）KM2和（d）K49纤维的抗拉强度及与10 mm纤维相比，其纤度为-80％在最终加载到失效之前的相应拉伸强度

图10. (a)时间推移光学图像，显示短规范长度K29光纤(初始规范长度为200mm)的表皮处开始失效和在表皮-芯界面处瞬时裂纹扩展。箭头指向在失效开始前500毫秒在表皮上形成的裂缝。在后续的图像中指出挤压纤维芯的长度。SEM图像显示(b，c)K29纤维中分离表肤的内表面，和(d)KM2纤维的挤压芯