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    纖維材料強度和失效機理及其繩纜發展趨勢(一)

    來源:江蘇優培德復合材料有限公司 發布時間:2017-09-30 12:27:18 瀏覽人次:5408

    1 繩纜發展的4個階段

    人類制作和使用繩纜(繩索、繩子)已有幾千年甚至更長的歷史,從繩纜發展的幾個歷史階段可以看出,是繩纜原材料的革新引發了繩纜的換代。依據原材料和性能可將繩纜的發展分為下列4個階段:

    從遠古到19世紀,人類一直使用天然纖維(如麻、劍麻)和天然材料(如動物皮革)制作繩纜,可將其通稱為第1 代繩纜。以1834年德國采礦工程師W A J Albert發明的礦用鋼絲繩為代表,開啟了第2 代鋼絲繩纜在工業和工程提升、牽引、張緊等操作中的廣泛應用、逐漸取代了天然材料纖維繩纜,主宰了90%以上的市場份額。1930年代誕生了人工合成的高分子材料-尼龍,標志著第3代繩纜材料和繩纜產品的到來。雖然尼龍和聚酯纖維的強度比鋼絲低,導致相同直徑的尼龍和聚酯化纖繩的破斷載荷(強力)比鋼絲繩低,但這兩種材料的比強度都比鋼絲高,因此尼龍和聚酯化纖繩的強度/質量比高于鋼絲繩。這也是普通用途化纖繩纜與鋼絲繩纜相比具有的最重要的優勢之一。當然化纖材料解決了鋼鐵材料在大氣和水中的腐蝕的問題,因此這些普通性能化纖繩在需要質量輕和耐腐蝕的應用場合比如漁業用繩網有很大優勢,替代了鋼絲和天然纖維繩纜。尼龍和聚酯等化纖繩纜延伸率比鋼絲繩高幾倍到幾十倍,在需要緩沖的場合如娛樂設施中應用廣泛。

    1970~1980年代,芳綸、超高相對分子質量聚乙烯纖維等高性能纖維的商業化,翻開了化纖繩纜新產品開發的新篇章,即第4 代繩纜—高性能化纖繩纜。人造纖維第1次在強度(單位截面)上超過鋼絲,由于其密度只有鋼的幾分之一,因此這些高性能纖維的比強度比鋼絲高出一個數量級以上。也就是說,纖維第1次在相同尺寸(直徑)和相同質量(線密度)兩個衡量指標都超過了鋼絲,纖維繩纜第1次在相同直徑和相同線密度兩個衡量指標都趕上和超過了鋼絲繩。高性能化纖繩纜不僅開始替代鋼絲繩,而且還突破了由于鋼絲繩自重造成的提升高度和深度的極限、拓展了繩纜應用的新的范圍,比如采用高性能纖維繩后,海上作業(如下放和回收海底鉆探設備)可在更深的海水中進行。繩纜制造業可使用的工業級高性能纖維主要有超高相對分子質量聚乙烯纖維、芳綸、聚芳脂纖維和PBO纖維,其中超高相對分子質量聚乙烯纖維的綜合性能相對較好,因此應用最廣泛和用量較大,是最重要的制繩用高性能纖維;PBO纖維強度相對較高,比強度也略高于超高相對分子質量聚乙烯纖維。

    具體與鋼絲繩相比,高性能纖維繩的主要優勢包括:

    ①高強度低密度、強度/質量比比鋼絲繩高很多,超高相對分子質量聚乙烯纖維的密度是0.97 g/cm3,在水中漂浮,因此其纖維繩的斷裂長度無限長(也叫支撐長度,即垂直懸掛的材料或制件由于自身質量造成的重力破斷時的Max長度),理論上講在海洋工程作業中的水深沒有極限;

    ②即使在空氣中,相同強度的高性能纖維繩的質量也是鋼絲繩的幾分之一,這樣與繩纜配套的其它系統和部件的質量也可降低,對海洋工程作業而言,作業船的有效載荷提高,能耗降低;

    ③高性能化纖繩纜在空氣、海水和大多數介質中不腐蝕,而鋼絲繩的腐蝕一直是其失效的主要原因之一;為減輕腐蝕和磨損鋼絲繩大多涂敷潤滑油脂,造成作業環境污染;

    ④高性能纖維繩的疲勞性能高于鋼絲繩,使用壽命更長;

    ⑤纖維繩便于操作,減少了操作造成的工傷事故、操作費用和時間。高性能化纖繩纜將在人類探索海洋、地藏、極地以及太空的活動中起到重要作用。

    2 材料的強度極限

    如上所述,制繩材料的強度不斷提高,從更廣泛的意義上,人們開發的材料強度的不斷提高,但各種材料的強度理論上都有其極限。

    拉伸強度是樣品或制件斷裂時的應力。以理想晶體材料為例,材料強度和許多其它性質由組成材料物質的原子之間的鍵類型和強度決定。理解兩個原子之間的相互作用和鍵的簡單辦法之一是剛球和彈簧模型。因此,如果Max應力下的應變為0.25%,則Max應力估計為σ ≈E /8,也就是說,在理想兩維晶體的假設拉伸試驗中,晶體材料從中間斷開,這一晶體材料的強度極限可以用上面的公式估算。不同學者的理論模型提供了極限強度和拉伸彈性模量之間關系的不同結果。為了簡化討論,我們可以使用:σ max≈E /10。

    對于許多材料或部件來說彈性模量值很容易測量獲得以估算理論極限強度。如果粗略認為鋼絲繩生產中大量使用鋼絲的平均拉伸強度是2 000 MPa的話,其強度僅約為理論強度的10%,超高相對分子質量聚乙烯纖維的強度與其分子鏈上C-C鍵強度的比例也是如此。

    后續詳見纖維材料強度和失效機理及其繩纜發展趨勢(二)

    江蘇優培德復合材料有限公司致力于碳纖維等復合材料汽車及工業領域的高性能零件開發、試制、及生產,配備有復合材料不同生產工藝如模壓、RTM、真空導入、纏繞等,根據不同的產品需求及量綱要求提供整體解決方案。

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