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纤维材料强度和失效机理及其绳缆发展趋势(一)

来源:江苏优培德复合材料有限公司 发布时间:2017-09-30 12:27:18 浏览人次:1346

1 绳缆发展的4个阶段

人类制作和使用绳缆(绳索、绳子)已有几千年甚至更长的历史,从绳缆发展的几个历史阶段可以看出,是绳缆原材料的革新引发了绳缆的换代。依据原材料和性能可将绳缆的发展分为下列4个阶段:

从远古到19世纪,人类一直使用天然纤维(如麻、剑麻)和天然材料(如动物皮革)制作绳缆,可将其通称为第1 代绳缆。以1834年德国采矿工程师W A J Albert发明的矿用钢丝绳为代表,开启了第2 代钢丝绳缆在工业和工程提升、牵引、张紧等操作中的广泛应用、逐渐取代了天然材料纤维绳缆,主宰了90%以上的市场份额。1930年代诞生了人工合成的高分子材料-尼龙,标志着第3代绳缆材料和绳缆产品的到来。虽然尼龙和聚酯纤维的强度比钢丝低,导致相同直径的尼龙和聚酯化纤绳的破断载荷(强力)比钢丝绳低,但这两种材料的比强度都比钢丝高,因此尼龙和聚酯化纤绳的强度/质量比高于钢丝绳。这也是普通用途化纤绳缆与钢丝绳缆相比具有的最重要的优势之一。当然化纤材料解决了钢铁材料在大气和水中的腐蚀的问题,因此这些普通性能化纤绳在需要质量轻和耐腐蚀的应用场合比如渔业用绳网有很大优势,替代了钢丝和天然纤维绳缆。尼龙和聚酯等化纤绳缆延伸率比钢丝绳高几倍到几十倍,在需要缓冲的场合如娱乐设施中应用广泛。

1970~1980年代,芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维等高性能纤维的商业化,翻开了化纤绳缆新产品开发的新篇章,即第4 代绳缆—高性能化纤绳缆。人造纤维第1次在强度(单位截面)上超过钢丝,由于其密度只有钢的几分之一,因此这些高性能纤维的比强度比钢丝高出一个数量级以上。也就是说,纤维第1次在相同尺寸(直径)和相同质量(线密度)两个衡量指标都超过了钢丝,纤维绳缆第1次在相同直径和相同线密度两个衡量指标都赶上和超过了钢丝绳。高性能化纤绳缆不仅开始替代钢丝绳,而且还突破了由于钢丝绳自重造成的提升高度和深度的极限、拓展了绳缆应用的新的范围,比如采用高性能纤维绳后,海上作业(如下放和回收海底钻探设备)可在更深的海水中进行。绳缆制造业可使用的工业级高性能纤维主要有超高相对分子质量聚乙烯纤维、芳纶、聚芳脂纤维和PBO纤维,其中超高相对分子质量聚乙烯纤维的综合性能相对较好,因此应用最广泛和用量较大,是最重要的制绳用高性能纤维;PBO纤维强度相对较高,比强度也略高于超高相对分子质量聚乙烯纤维。

具体与钢丝绳相比,高性能纤维绳的主要优势包括:

①高强度低密度、强度/质量比比钢丝绳高很多,超高相对分子质量聚乙烯纤维的密度是0。97 g/cm3,在水中漂浮,因此其纤维绳的断裂长度无限长(也叫支撑长度,即垂直悬挂的材料或制件由于自身质量造成的重力破断时的Max长度),理论上讲在海洋工程作业中的水深没有极限;

②即使在空气中,相同强度的高性能纤维绳的质量也是钢丝绳的几分之一,这样与绳缆配套的其它系统和部件的质量也可降低,对海洋工程作业而言,作业船的有效载荷提高,能耗降低;

③高性能化纤绳缆在空气、海水和大多数介质中不腐蚀,而钢丝绳的腐蚀一直是其失效的主要原因之一;为减轻腐蚀和磨损钢丝绳大多涂敷润滑油脂,造成作业环境污染;

④高性能纤维绳的疲劳性能高于钢丝绳,使用寿命更长;

⑤纤维绳便于操作,减少了操作造成的工伤事故、操作费用和时间。高性能化纤绳缆将在人类探索海洋、地藏、极地以及太空的活动中起到重要作用。

2 材料的强度极限

如上所述,制绳材料的强度不断提高,从更广泛的意义上,人们开发的材料强度的不断提高,但各种材料的强度理论上都有其极限。

拉伸强度是样品或制件断裂时的应力。以理想晶体材料为例,材料强度和许多其它性质由组成材料物质的原子之间的键类型和强度决定。理解两个原子之间的相互作用和键的简单办法之一是刚球和弹簧模型。因此,如果Max应力下的应变为0。25%,则Max应力估计为σ ≈E /8,也就是说,在理想两维晶体的假设拉伸试验中,晶体材料从中间断开,这一晶体材料的强度极限可以用上面的公式估算。不同学者的理论模型提供了极限强度和拉伸弹性模量之间关系的不同结果。为了简化讨论,我们可以使用:σ max≈E /10。

对于许多材料或部件来说弹性模量值很容易测量获得以估算理论极限强度。如果粗略认为钢丝绳生产中大量使用钢丝的平均拉伸强度是2 000 MPa的话,其强度仅约为理论强度的10%,超高相对分子质量聚乙烯纤维的强度与其分子链上C-C键强度的比例也是如此。

后续详见纤维材料强度和失效机理及其绳缆发展趋势(二)

江苏优培德复合材料有限公司致力于碳纤维等复合材料汽车及工业领域的高性能零件开发、试制、及生产,配备有复合材料不同生产工艺如模压、RTM、真空导入、缠绕等,根据不同的产品需求及量纲要求提供整体解决方案。

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