几种无机纤维的性能对比

M.

Liberec技术大学(捷克共和国)



几种无机纤维的性能对比

Liberec技术大学(捷克共和国)

介绍了玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维及其性能，主要目的是对这些纤维性能进行测试与对比，并对测试结果进行比较。

玄武岩纤维；玻璃纤维；碳纤维；性能；测试

尽管人们也许还没意识到无机纤维已成为日常生活的一部分，但毫无疑问的是，由于其优良的物理性能，无机纤维已应用在许多领域，有时也许是意料之外的一些人类活动的领域。本文主要介绍几种应用于复合材料领域的无机纤维——碳纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维。试验部分主要介绍试验材料、制造商所提供的纤维束中纤维数量的确定，以及采用Vibroscope对纤维直径的测试，也验证了所述纤维的一些性能，并对强力、伸长进行比较。采用Vibroscope 400和Vibrodyn 400 对这些特性进行测试，并完成了对试验室设备的对比分析。在结论部分，本文评估了Liberec技术大学用上述设备和方法对纤维的强度测试结果，并进行对比。

1　试验材料

表1所列为供应商提供的纤维参数。

2　测试方法和性能验证

2.1Lanameter——纤维截面直径测量

如纤维截面为圆形，则可采用Lanameter(图1)测试纤维的平均投影。将待测纤维试样放置在Lanameter显微镜的操作台上，纤维被投影到装有旋转拨盘的对焦屏上，分几部分对纤维直径进行测试。使用20倍的镜头时，1个刻度代表2 μm。

表1　供应商提供的纤维参数

图1　Lanameter

2.2纤维束中纤维数量的测定

纤维数量是以纤维束中长度不小于10 cm的纤维的数量进行表征的。纤维束中长度小于10 cm的纤维需分开单独测量，并记录纤维数。测试5组样品，取平均值。单根纤维的质量通过纤维束的质量除以纤维根数获得，结果四舍五入取值。

2.3Vibroscope 400 和 Vibrodyn 400

纤维线密度采用根据纤维振动原理进行测试的Vibroscope 400(EN ISO 1973)，根据纤维振动频率和线密度偏差可自动读取线密度(dtex)。纤维强度采用Vibrodyn 400(EN ISO 5079)，利用恒速变形的测力器进行测试(图2)。

图2　Vibroscope 和 Vibrodyn

将Vibroscope 400与Vibrodyn 400进行连接,并连接到电脑上，可利用软件对线密度、强力、伸长率和强度进行统计评估，并同时显示纤维的工作曲线。采用Vibroscope测试时，从纤维束中取出单根纤维并预加150 mg的力，纤维拉直后进行线密度测试。每种纤维进行50次采样测试。测试过程中发现，无法采用Vibroscope测试碳纤维的线密度，这是因为碳纤维导电，夹紧碳纤维时容易形成电弧并断裂。因此，碳纤维的线密度是根据供应商提供的产品参数(24 000根纤维线密度为1 600 tex)计算得到的，即碳纤维的线密度为1 600/24 000=0.067 tex，其强度也是由计算获得的。

2.4LabTest

LabTest 2010型纤维强度和伸长率测试仪(图3)装有一对夹头，其中一个夹头固定，另一个夹头在测试过程中以一定的速度移动，测试系统中不会发生纤维弯折。纤维束内的纤维分离后，黏在尺寸为10 mm×10 mm的框架上，夹距设置为10 mm，拉伸速度为50 mm/min,偏差在0.5 cN/tex左右。每种纤维都进行50次取样测试。强度和伸长率的最终测试结果按照DIN EN 10002由LabTest计算机计算后输出。

图3　Labtest

2.5强度测试方法的比较

测试结果表明，玄武岩纤维的断裂伸长最大，碳纤维的断裂伸长最小；玄武岩纤维的断裂强力也最大，碳纤维的断裂强力同样也最小。本测试中碳纤维的强力之所以低是由于所测碳纤维的直径仅为所测玻璃纤维和玄武岩纤维的一半左右。

玻璃纤维的线密度和强度最大，而碳纤维的线密度(该值无法测得，是通过计算获得的)仅为玻璃纤维和玄武岩纤维的1/7。玄武岩纤维和玻璃纤维的断裂伸长率几乎相同，碳纤维的断裂伸长率最小。强度是所有性能中最重要的性能，碳纤维的强度最高，玄武岩和玻璃纤维的强度仅为碳纤维的1/4左右。总之，玄武岩纤维和玻璃纤维的测试结果都很相似。

由图4和图5可见，对于玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维3种纤维而言，采用Vibroscope和Vibrodyn测得的平均强度(cN/dtex)与根据已知的强力(cN)和线密度(dtex)插值计算所得的数据都很一致，也通过LabTest所得数据用插值法得到强力的最大值和最小值。玄武岩纤维的测试结果与插值法所得结果一致性最好。玻璃纤维的测试数据与插值法所得数据差异最大，仅有很低程度上的重叠。与玄武岩纤维和玻璃纤维相比，碳纤维测试数据的方差最大。

图4　平均强度

图5　平均断裂伸长

3　小结

本研究的目的在于介绍玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维3种纤维的性能。对这3种用于制备复合材料的无机纤维所需的性能进行了测试。采用Lanameter测试纤维直径。纤维束中纤维根数需人工计数，由于纤维束中含有大量的细小纤维，增加了这项工作的难度。

本文所用的另一种测试纤维性能的方法是采用Vibroscope 和 Vibrodyn 测定纤维的线密度(细度)、强力、韧性和纤维强度，并用LabTest 2010测试了单根纤维的强力和韧性。通过对比可知，虽然Vibroscope和Vibrodyn的操作不简单，但由于纤维断裂的概率低，因而是一种更好的测试方法。LabTest是在拉伸过程中持续拍摄，通过所得图片计算得到数据，初始夹距为1 cm,系统持续监测夹距，直到夹头回到原始位置。夹持纤维拉伸时，纤维(尤其是碳纤维)很容易断裂。而当采用Vibroscope和Vibrodyn进行测量时，由于碳纤维导电，夹持后便产生电弧并断裂，无法测出碳纤维线密度，因此需要计算获得碳纤维的线密度。

不能一概而论地认定哪种测试方法更好，测试技术被广泛应用于很多领域，测试技术也正在持续不断地发展。

陈玉伟 译王依民 校

Comparison properties of selected inorganic fibers

Technical University of Liberec,Liberec/Czech Republic

Basalt,glass and carbon fibers and their properties were introduced.The aim of this work was measurement and comparison of the fiber properties and result comparison.

basalt fiber; glass fiber; carbon fiber; property; measurement