第五章 纤维力学性质
第一节 单纤维拉伸性质
? 测试标准的重要性
? 标准测试条件举例
? 指标体系
? 典型拉伸曲线分析
? 常见纺织纤维拉伸曲线
? 常见纤维拉伸性质指标
? 纤维拉伸机理及影响拉伸性的因素
? 拉伸性能测试
? 纤维拉伸破坏形态
? 1.1测试标准的重要性
? （ 1）材料力学性质取决于组成该材料的分子排列，在不
同纤维种类、同类纤维不同样本、或者同样本不同环境条
件都会引起被测力学性质指标的差异，必须标准化测试环
境；
? （ 2）不同横截面或不同长度纤维由于弱环 (或称为缺陷 )
存在的几率不一样，对于纤维材料在横截面不能标准化前
提下，必须标准化纤维待测区段长度；
? （ 3）纺织纤维是高分子粘弹性材料，受力变形曲线不是
严格的一一对应单质函数曲线，取决于加载历史和加载方
式，必须标准化加载条件；
? （ 4）纤维间性质差异性，要取得统计意义上的平均值，
必须有足够的纤维根数。
Back
? 1.2标准测试条件举例
? 环境条件,Temperature,20± 3℃ ; Relative
humidity (R.H.),65± 5%
?
? Back
?1.3指标体系
?断裂强力；断裂强度；断裂伸长率
?1.3.1断裂强力（绝对强力） P
?—— 是纤维能够承受的最大拉伸外力。单
位：牛顿（ N）；厘牛（ cN）；克力（ gf）。
?对不同粗细的纤维，强力没有可比性。
? 1.3.2强度
? 用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标。
? 根据采用线密度指标不同，强度指标有以下几种：
? （ 1）比强度（相对强度） (specific strength 或 tenacity)—
— 是指每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。
? 单位为,N/tex（ cN/dtex）； N/d（ cN/d）； gf/dtex。
? 其计算式为：
? 式中,Ptex—— 特数制断裂强度（ N/tex； cN/dtex；
gf/dtex）；
Pden—— 旦数制断裂强度（ N/d； cN/d； gf/d）；
P—— 纤维的强力（ N； cN； gf）；
Ntex —— 纤维的特数（ tex,dtex）；
Nden—— 纤维的旦数（ d）。
d e nd e n
te xte x
NPP
NPP
/
/
?
?
? （ 2）断裂应力（强度极限） —— 指纤维单位截面
上能承受的最大拉力。
? 单位为 N/mm2（即 MPa）。
? 其计算式为：
? 式中,σ—— 纤维的断裂应力（ MPa）；
P—— 纤维的强力（ N）；
S—— 纤维的截面积（ mm2）。
SP??
? （ 3）断裂长度（ Lp） —— 是指纤维的自身重量与其断裂
强力相等时所具有的长度。
? 即一定长度的纤维，其重量可将自身拉断，该长度即为断
裂长度。
? 其计算公式为：
? 式中,Lp—— 纤维的断裂长度（ km）；
P—— 纤维的强力（ N）；
g—— 重力加速度（等于 9.8m/s2）；
Nm—— 纤维的公制支数。
mp Ng
PL ??
? 纤维强度的三个指标之间的换算式为：
? 式中,γ—— 纤维的密度（ g/cm3）；
Ptex—— 纤维的特数制断裂强度（ gf/tex）；
Pden—— 纤维的旦数制断裂强度（ gf/d）；
g—— 重力加速度（等于 9.8m/s2）；
LR—— 纤维的断裂长度（ km）。
可以看出，相同的断裂长度和断裂强度，其断裂应力随纤
维的密度而异，只有当纤维密度相同时，断裂长度和断裂
强度才具有可比性。
??
???
????
??
??
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t e xNdgGP
gPgPL
PP
PP
a
de nte xp
de nte x
de nte x
33.11
9/
9
9
? 1.3.3断裂伸长率 ε
%100
0
0 ???
L
LL?
? 1.3.4其他指标
（ 1）模量（刚度）：材料在低载荷时抵抗变形的能
力，载荷－伸长曲线 (或应力－应变曲线 )起始直
线段斜率。
量纲,cN/dtex,g/den,Pa(Mpa,GPa)
? 式中,E—— 初始模量（ N/tex）；
P—— M点的负荷（ N）；
△ L—— M点的伸长（ mm）；
L—— 试样拉伸测试区段（ mm）；
Ntex—— 试样线密度（ tex）。
t e xNL
LPE
??
??
（ 2）屈服点确定：
（ 3）功 Work
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1.4典型拉伸曲线分析
? O'→O,表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直；
? O→M,（虎克区）大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹簧；
? Q→S,（屈服区）大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易回复，
模量相应也逐渐变小；
? S→A,（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的横向结合力有
所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。
? Q：屈服点；
? A：断裂点。
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?1.5常见纺织纤维拉伸曲线
? 拉伸曲线可分为三类：
（ 1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线（棉、麻等
纤维素纤维） —— 拉伸曲线近似直线，斜率较大
（主要是纤维的取向度、结晶度、聚合度都较高
的缘故）；
（ 2）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线（羊毛、醋
酯纤维等） —— 表现为模量较小，屈服点低和强
力不高；
（ 3）初始模量介于 1.2之间的拉伸曲线（涤纶、锦
纶、蚕丝等纤维）。
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1.6常见纤维的有关拉伸性质指标
纤维品种
断裂强度（ N/tex） 钩接强度
（ N/tex）
断裂伸长率
（ %） 初始模量（ N/tex） 定伸长回弹率（ %）
（伸长 3%）
干态 湿态 干态 湿态
涤
纶
高强低伸
型 0.53-0.62 0.53-0.62 0.35-0.44 18- 28 18- 28 6.17-7.94 97
普通型 0.42-0.52 0.42-0.52 0.35-0.44 30- 45 30- 45 4.41- 6.17
锦纶 6 0.38-0.62 0.33-0.53 0.31-0.49 25- 55 27- 58 0.71- 2.65 100
腈纶 0.25-0.40 0.22-0.35 0.16-0.22 25- 50 25- 60 2.65- 5.29 89- 95
维纶 0.44-0.51 0.35-0.43 0.28-0.35 15- 20 17- 23 2.21- 4.41 70- 80
丙纶 0.40-0.62 0.40-0.62 0.35-0.62 30- 60 30- 60 1.76- 4.85 96- 100
氯纶 0.22-0.35 0.22-0.35 0.16-0.22 20- 40 20- 40 1.32- 2.21 70- 85
粘纤 0.18-0.26 0.11-0.16 0.06-0.13 16- 22 21- 29 3.53- 5.29 55- 80
富纤 0.31-0.40 0.25-0.29 0.05-0.06 9- 10 11- 13 7.06- 7.94 60- 85
醋纤 0.11-0.14 0.07-0.09 0.09-0.12 25- 35 35- 50 2.21- 3.53 70- 90
棉 0.18-0.31 0.22-0.40 7- 12 6.00- 8.20 74（伸长 2%）
绵羊毛 0.09-0.15 0.07-0.14 25- 35 25- 50 2.12- 3.00 86- 93
家蚕丝 0.26-0.35 0.19-0.25 15- 25 27- 33 4.41 54- 55（伸长 5%）
苎麻 0.49-0.57 0.51-0.68 0.40-0.41 1.5- 2.3 2.0- 2.4 17.64- 22.05 48（伸长 2%）
氨纶 0.04-0.09 0.03-0.09 450- 800 95- 99（伸长 50%）
? 1.7纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能的因素
1.7.1纤维断裂原因,大分子主链的断裂；大分子之
间的滑脱。
1.7.2影响纤维拉伸性能的因素
（一）内因：
（ 1）大分子结构 （大分子的柔曲性、大分子的聚合
度）：纤维的断裂取决于大分子的相对滑移和分
子链的断裂两个方面。大分子的平均聚合度 ↓，大
分子结合力 ↓，容易产生滑移，则纤维强度较低而
伸度较大；反之，大分子的平均聚合度 ↑，大分子
结合力 ↓，不易产生滑移，所以纤维的强度就较高
而伸度较小。例如：
在不同拉伸倍数下粘胶纤维聚合度对纤维强力的影响
?开始时，纤维的强度随聚合度增大而增加，
但当聚合度增加到一定值时，再继续增大时，
纤维的强度就不再增加。因为，此时断裂强
度已达到了足以使分子链断裂的程度，再增
加聚合度对纤维的强度就不再其作用。
?（ 2）超分子结构 （取向度、结晶度）
?例如：（见下页）
?由图可见，随着取向度的增加，粘胶纤维断
裂点的强度增加，断裂伸长率降低。
?（ 3）形态结构 （裂缝孔洞缺陷、形态结构、
不均一性）等。
（二）外因：
?（ 1）温湿度,空气的温湿度影响到纤维的
温湿度和回潮率，从而影响纤维的强伸度。
?温度对各种纤维的影响虽然不一致，但都
具有一般规律：在纤维回潮率一定的条件
下，温度高，纤维大分子热动能高，大分
子柔曲性提高，分子间结合力消弱，因此，
纤维强度降低，断裂伸长率增大，拉伸模
量下降。
?几种常见的应力－应变曲线于相对湿度间
的关系：
? 多数纤维随相对湿度的提 高，纤维中所含水分增
多，分子间结合力越弱，结晶区越松散，因此纤
维的强度降低，伸长增大、初始模量下降。但天
然纤维素棉、麻的断裂强度和断裂伸长却随相 对
湿度的提高而上升。化学纤维中，涤纶、丙纶基
本不吸湿，它们的强度和伸长率几乎不受相对湿
度的影响。相对湿度对纤维强度与伸长度的影响，
视各自吸湿性能 的强弱而不同，吸湿能力越大的，
影响较显著，吸湿能力小的，影响不大。
? （ 2）测试条件, a.试样长度,L↑，出现弱环的机
会 ↑； b.试样根数：根数 ↑，折算成单纤维强度 ↓；
c.拉伸速度,v↑，强力 ↑,ε↓,E↑。
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?1.8纤维拉伸性能的测试
用于测定纤维拉伸断裂性质的仪器称做断裂
强力仪。根据断裂强力仪结构特点的不同，
主要可分为三种类型：摆锥式强力仪、秤
杆式强力仪、电子强力仪。现主要介绍电
子强力仪。
例如,INSTRON断裂强力仪如图：
?仪器拉伸试样的速度在 0.0005— 0.5m/min之
间。仪器还可以进行卸载过程的试验，并且
记录滞后圈。新型的 INSTRON断裂强力仪带
有计算处理程序，可以处理测试结果，记录
并积累普通的统计量指标（平均数、变异系
数、试验误差等）。
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?1.9纤维破坏形态
目前对纤维拉伸失效过程的理解已相当成
熟。例如：由 Hearle and Cross发现的尼
龙纤维的破坏形态：
Nylon fibre broken in a tensile test Break in progress in a coarse nylon bristle
Breakage zones in nylon bristle
破坏分五个区域,A－起始,B－延伸,C－滑移,D－裂纹快速增加,E－最终破坏。
第二节 束纤维的拉伸性能
? 静态性能
1 摩擦机理
2 纤维的摩擦、抱合合切向阻力
3 纤维摩擦抱合性质的指标与测试
4 切向阻抗系数的测定
5 影响切向阻抗系数的因素
? 动态性能
1 试验装置图
2 测试原理示意图
3 碳纤维冲击拉伸下的断口形态及断裂机理
? 静态性能
主要有纤维间的摩擦和抱合性能。
纤维的摩擦抱合性质与可纺性、织物的手感、起毛起
球、耐磨和抗皱等有关。与纺纱工艺的关系：摩擦
现象贯穿于整个纺纱过程；与纱、布关系：有了摩
擦力，纱、布才具有一定服用价值；与磨损的关系：
纤维、机件被磨损，降低了使用价值；与发热的关
系：高速缝纫可能达 300℃,使缝针弯曲，缝线熔
融；与静电的关系：摩擦起静电，静电聚集，干扰
纺纱工艺正常进行，特别是化纤。
?摩擦机理
糙面学说；分子学说；焊接学说
?纤维的摩擦、抱合和切向阻力
?（ 1）抱合力 F1—— 纤维间在法向压力为零时，
做相对滑动时产生的切向阻力。（因为纤维
具有卷曲、转曲、鳞片、表面粗糙凹凸不平，
且细长柔软；纤维必须具有一定的抱合力，
棉卷、棉条才具有一定强力，纺纱工艺才能
顺利进行。）
? （ 2）摩擦力 F2—— 纤维之间或纤维与机件之间，
在一定正压力作用下，作相对滑动时所产生的阻
力。
切向阻力 F＝抱合力 F1＋摩擦力 F2
切向阻抗系数：
fNFuN ?? 1
fNFu ?? 1
纤维摩擦抱合性质的指标与测试
? 1）抱合力的指标与测定
? ①抱合系数 h(cN/cm)—— 单位长度纤维上的抱合力。
? 测试方法：从没有法向压力的纤维条中夹取一根纤维，测定
出这根纤维所需的力 F1（ cN，即抱合力）和纤维的长 l（ cm）
的比值。
? ②抱合长度 Lk（ m）
? 方法：将纤维制成一定规格的没有法向压力的纤维条，在强
力仪上以大于纤维长度的适当上下夹持距离拉断，测得它的
强力和纤维条的特数。
? 式中,F1—— 纤维条的强力（ N）；
? Ntex—— 纤维条的特数（ tex）；
? g—— 重力加速度（ 9.8m/s2）。
lFh 1?
61 10??? te xk NgFL
? （ 2）影响纤维抱合力
的因素：纤维的几何形
态（表面结构、纤维长
度、卷曲度）；排列形
状；纤维弹性；表面油
剂；温湿度。
? 纤维卷曲或转曲多，细
长而较柔软 —— 抱合力
较大。
纤维种类 纤维线密
度
(dtex)
纤维长度
(mm)
20° C时
的抱
合长
度
(mgf/tex)
羊毛 直径
23μm
55 30
涤纶 4.4 70 65
腈纶 3.85 90 47
锦纶 3.3 70 95
切向阻抗系数的测定
? 绞盘法 —— 测定纤维与纤维，纤维与金属、陶瓷等
其它材料间摩擦的切向阻抗系数。
? Y151型摩擦系数测定仪。其工作原理如图。根据所
加固定张力 The测得的 P，可以按下式计算县委的切
向阻抗系数 μ：
? 所以：
??e
PT
T ?
?
PT
T
PT
T
e ???? lo g7331.0lo glo g
1
??
? 该仪器可以调节辊轴的回转速度，
以测得各种不同速度下的动摩擦得切向阻力系数 μd。如果使辊轴
不回转，开启天平，旋转指针，
观察纤维在辊轴上开始滑动时，
扭力天平的读数，可以计算静摩擦得切向阻抗系数 μs。
? 一般是，静态切向阻抗系数大于
动态切向阻抗系数。它们的大小
和两者差值影响着纤维德手感。μs大，且与 μd差值也大得纤维，
手感硬而涩；反之,μs小，且与
μd差值也小得纤维，手感柔软。
如果 μs＞ μd，则纤维手感软而
滑腻。
影响切向阻抗系数的因素
? （ 1）纤维表面的性质
? 截面为非圆形的纤维的 μ＜圆形光滑合纤的 μ，如：棉、粘胶、
羊毛、粘纤（实际接触面积小）；
? 易变形纤维的 μ＞不易变形纤维的 μ；
? 无捻长丝的 μ＞加捻长丝或短纤纱的 μ。
? （ 2）化纤油剂的影响
? 化纤不上油，干摩擦时 —— μ大；
? 上油少 —— μ↓（油膜在纤维表面形成单分子层）；
? 上油多 —— μ↑（属液体摩擦，与油的粘度有关）。
? ∴ 与上油量有关 —— 在一定范围内，量 ↑,μ↓；超过一定量
后，量 ↑,μ↑。
? 油剂不仅可降低纤维比电阻，改善抗静电性能，还能增进纤
维间抱合，增加平滑，降低纤维表面的 μ。
? （ 3）法向压力的影响
? （ 4）导纱面光滑程度的影响，分两种不同情况：
? 天然纤维，粘纤，异纤 —— 导纱面光滑程度 ↑，则 μ↓；
? 圆形，表面光滑的纤维 —— 导纱面光滑到一定程度后，则 μ↑。
? 可采用以 TiO2为主的陶瓷来减少 μ（其表面具有一定的粗糙度）。 （ 5）
滑动速度与初张力的影响
? 滑动速度：由静到动,μ↓，而后 v↑→μ↑。到一定的 v时 μ稳定。
? 合纤在低速时，存在粘滑现象,μ变化较大。
? ∴ 一般测 μ动，希望 μ>3m/min以上。
? 初张力：张力 ↑→μ↓。
? ∵ 张力 ↑，正压力 ↑，但 F↑<正压力 ↑,∴ μ↓。
? （ 6）温湿度的影响
? 温度,T变化 →油剂变化 →纤维性能变化
? T↑→μ↓；到一定数值时,T↑→μ↑。
? 湿度,RH%↑，则 μ↑（ ∵ v↑,E↓）
? →RH%=100%时,μ最大。（接触面积 ↑）
? 在水中，则 μ水＜ μRH%=100%。
? 加工中 RH%必须加以控制，太湿,μ↑，加工困难；太干，发脆。
动态性能
? 由于纤维材料固有的粘弹性本质和 /或不同加载速度条件下的
变形和破坏机制的不同，在冲击载荷作用下其力学性能会发
生不同程度的应变率效应，即拉伸应力应变本构关系随应变
率的不同而不同。
? 材料在弹道侵彻和碰撞时一般要经受断裂时间在 50-150?s，
应变率在 500-1500 s-1范围的瞬态冲击。由于加载机制的不
同，普通的力学性能试验机无法产生瞬态高应变率的加载载
荷。分离式 Hopkinson压杆（ SHPB）装置是有效的产生应
变率水平在 103 s-1左右的冲击装置，加上纤维束试样的大
长径比和短的试样长度能够基本保证该装置的一维应力波传
递和应力应变在试样内是近似均匀的设计原理要求，自从
Kawata和 Harding之后,Hopkinson杆冲击装置是目前普遍
采用的纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能测试装置。
SHPB装置是国际上目前普遍采用的用来测试纤维束中、高
应变率冲击拉伸力学性能的测试装置。
试验装置图
? 利用一维弹性应力波理论的二波或三波公式计算材料的动
态压缩或拉伸性能：应力 — 应变曲线、应力 — 时间曲线、
应变 — 时间曲线和应变率 — 时间曲线。
测试原理示意图
? 依据一维应力波理论及试件中应力、应变均匀性
假设，可导出应力、应变和应变率方程：
? 其中,C为弹性波在杆中的波速,l0为试件试验段
的原长（即两夹持口纤维长度）,εi(t),εr(t)、
εt(t)分别为作用在试件上的入射波、反射波和透射
波的应变值,A和 As分别为杆和试样的初始横截
面积,E为杆的模量。
))()()(()(
))()()(()(
))()()((
2
)(
0
00
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C
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A
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?
? 上述三公式称为三波处理公式，又因为在大多数情
况下，输入杆和输出杆均采用材料相同、截面积相
等的两根杆子，根据均匀假定，则有 εi＋ εr＝ εt，所
以三波处理公式简化为下式：
? 上述三公式称为二波处理公式。通过上述公式，根
据记录到的应变信号便可得到冲击载荷下的应力－
时间、应变－时间、应力－应变及应变率－时间曲
线。
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A
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l
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0
00
? 例如对碳纤维束在三种不同应变率的拉伸曲线，其
应变率分别为,1500/s,2000/s,3000/s，下图为
同一应变率下碳纤维束的应力应变曲线。
碳纤维冲击拉伸下的断口形态及断裂
机理
? 碳纤维束的力学性能与应变率基本上是不相关的，随着应变
率的增大，碳纤维束的初始模量、破坏应力及其失稳应变都
变化不大。因此碳纤维束在力学性能上是不敏感材料。
? 碳纤维束的破坏断口与冲击拉伸实验的应变率密切相关。随
着应变率的增大，断面结构逐渐规则，碳纤维颗粒逐渐细化，
断面的凹度逐渐增大。其颗粒的变化影响了碳纤维束的破坏
应力值。
? 在力学性能上对应变率不敏感的材料，在其破坏形式上可能
对应变率是相关的，材料在应变率不同的冲击拉伸中其破坏
过程可能是不同的。
?
应变率 1500/s时的断口形态 应变率 2000/s时的断口形态
应变率 2000/s时的断口形态 应变率 3000/s时的断口形态
第三节 纤维力学性能的时间依赖性
? 主要性能：纤维的蠕变、松弛和疲劳。
1,纤维的拉伸变形与弹性
2,纤维的流变性质
3,纤维的疲劳特性
3.1纤维的拉伸变形与弹性
?在高分子材料的变形过程中，时间这一因素
起主要作用。
第一节 单纤维拉伸性质
? 测试标准的重要性
? 标准测试条件举例
? 指标体系
? 典型拉伸曲线分析
? 常见纺织纤维拉伸曲线
? 常见纤维拉伸性质指标
? 纤维拉伸机理及影响拉伸性的因素
? 拉伸性能测试
? 纤维拉伸破坏形态
? 1.1测试标准的重要性
? （ 1）材料力学性质取决于组成该材料的分子排列，在不
同纤维种类、同类纤维不同样本、或者同样本不同环境条
件都会引起被测力学性质指标的差异，必须标准化测试环
境；
? （ 2）不同横截面或不同长度纤维由于弱环 (或称为缺陷 )
存在的几率不一样，对于纤维材料在横截面不能标准化前
提下，必须标准化纤维待测区段长度；
? （ 3）纺织纤维是高分子粘弹性材料，受力变形曲线不是
严格的一一对应单质函数曲线，取决于加载历史和加载方
式，必须标准化加载条件；
? （ 4）纤维间性质差异性，要取得统计意义上的平均值，
必须有足够的纤维根数。
Back
? 1.2标准测试条件举例
? 环境条件,Temperature,20± 3℃ ; Relative
humidity (R.H.),65± 5%
?
? Back
?1.3指标体系
?断裂强力；断裂强度；断裂伸长率
?1.3.1断裂强力（绝对强力） P
?—— 是纤维能够承受的最大拉伸外力。单
位：牛顿（ N）；厘牛（ cN）；克力（ gf）。
?对不同粗细的纤维，强力没有可比性。
? 1.3.2强度
? 用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标。
? 根据采用线密度指标不同，强度指标有以下几种：
? （ 1）比强度（相对强度） (specific strength 或 tenacity)—
— 是指每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。
? 单位为,N/tex（ cN/dtex）； N/d（ cN/d）； gf/dtex。
? 其计算式为：
? 式中,Ptex—— 特数制断裂强度（ N/tex； cN/dtex；
gf/dtex）；
Pden—— 旦数制断裂强度（ N/d； cN/d； gf/d）；
P—— 纤维的强力（ N； cN； gf）；
Ntex —— 纤维的特数（ tex,dtex）；
Nden—— 纤维的旦数（ d）。
d e nd e n
te xte x
NPP
NPP
/
/
?
?
? （ 2）断裂应力（强度极限） —— 指纤维单位截面
上能承受的最大拉力。
? 单位为 N/mm2（即 MPa）。
? 其计算式为：
? 式中,σ—— 纤维的断裂应力（ MPa）；
P—— 纤维的强力（ N）；
S—— 纤维的截面积（ mm2）。
SP??
? （ 3）断裂长度（ Lp） —— 是指纤维的自身重量与其断裂
强力相等时所具有的长度。
? 即一定长度的纤维，其重量可将自身拉断，该长度即为断
裂长度。
? 其计算公式为：
? 式中,Lp—— 纤维的断裂长度（ km）；
P—— 纤维的强力（ N）；
g—— 重力加速度（等于 9.8m/s2）；
Nm—— 纤维的公制支数。
mp Ng
PL ??
? 纤维强度的三个指标之间的换算式为：
? 式中,γ—— 纤维的密度（ g/cm3）；
Ptex—— 纤维的特数制断裂强度（ gf/tex）；
Pden—— 纤维的旦数制断裂强度（ gf/d）；
g—— 重力加速度（等于 9.8m/s2）；
LR—— 纤维的断裂长度（ km）。
可以看出，相同的断裂长度和断裂强度，其断裂应力随纤
维的密度而异，只有当纤维密度相同时，断裂长度和断裂
强度才具有可比性。
??
???
????
??
??
?????
t e xNdgGP
gPgPL
PP
PP
a
de nte xp
de nte x
de nte x
33.11
9/
9
9
? 1.3.3断裂伸长率 ε
%100
0
0 ???
L
LL?
? 1.3.4其他指标
（ 1）模量（刚度）：材料在低载荷时抵抗变形的能
力，载荷－伸长曲线 (或应力－应变曲线 )起始直
线段斜率。
量纲,cN/dtex,g/den,Pa(Mpa,GPa)
? 式中,E—— 初始模量（ N/tex）；
P—— M点的负荷（ N）；
△ L—— M点的伸长（ mm）；
L—— 试样拉伸测试区段（ mm）；
Ntex—— 试样线密度（ tex）。
t e xNL
LPE
??
??
（ 2）屈服点确定：
（ 3）功 Work
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1.4典型拉伸曲线分析
? O'→O,表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直；
? O→M,（虎克区）大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹簧；
? Q→S,（屈服区）大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易回复，
模量相应也逐渐变小；
? S→A,（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的横向结合力有
所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。
? Q：屈服点；
? A：断裂点。
Back
?1.5常见纺织纤维拉伸曲线
? 拉伸曲线可分为三类：
（ 1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线（棉、麻等
纤维素纤维） —— 拉伸曲线近似直线，斜率较大
（主要是纤维的取向度、结晶度、聚合度都较高
的缘故）；
（ 2）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线（羊毛、醋
酯纤维等） —— 表现为模量较小，屈服点低和强
力不高；
（ 3）初始模量介于 1.2之间的拉伸曲线（涤纶、锦
纶、蚕丝等纤维）。
Back
1.6常见纤维的有关拉伸性质指标
纤维品种
断裂强度（ N/tex） 钩接强度
（ N/tex）
断裂伸长率
（ %） 初始模量（ N/tex） 定伸长回弹率（ %）
（伸长 3%）
干态 湿态 干态 湿态
涤
纶
高强低伸
型 0.53-0.62 0.53-0.62 0.35-0.44 18- 28 18- 28 6.17-7.94 97
普通型 0.42-0.52 0.42-0.52 0.35-0.44 30- 45 30- 45 4.41- 6.17
锦纶 6 0.38-0.62 0.33-0.53 0.31-0.49 25- 55 27- 58 0.71- 2.65 100
腈纶 0.25-0.40 0.22-0.35 0.16-0.22 25- 50 25- 60 2.65- 5.29 89- 95
维纶 0.44-0.51 0.35-0.43 0.28-0.35 15- 20 17- 23 2.21- 4.41 70- 80
丙纶 0.40-0.62 0.40-0.62 0.35-0.62 30- 60 30- 60 1.76- 4.85 96- 100
氯纶 0.22-0.35 0.22-0.35 0.16-0.22 20- 40 20- 40 1.32- 2.21 70- 85
粘纤 0.18-0.26 0.11-0.16 0.06-0.13 16- 22 21- 29 3.53- 5.29 55- 80
富纤 0.31-0.40 0.25-0.29 0.05-0.06 9- 10 11- 13 7.06- 7.94 60- 85
醋纤 0.11-0.14 0.07-0.09 0.09-0.12 25- 35 35- 50 2.21- 3.53 70- 90
棉 0.18-0.31 0.22-0.40 7- 12 6.00- 8.20 74（伸长 2%）
绵羊毛 0.09-0.15 0.07-0.14 25- 35 25- 50 2.12- 3.00 86- 93
家蚕丝 0.26-0.35 0.19-0.25 15- 25 27- 33 4.41 54- 55（伸长 5%）
苎麻 0.49-0.57 0.51-0.68 0.40-0.41 1.5- 2.3 2.0- 2.4 17.64- 22.05 48（伸长 2%）
氨纶 0.04-0.09 0.03-0.09 450- 800 95- 99（伸长 50%）
? 1.7纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能的因素
1.7.1纤维断裂原因,大分子主链的断裂；大分子之
间的滑脱。
1.7.2影响纤维拉伸性能的因素
（一）内因：
（ 1）大分子结构 （大分子的柔曲性、大分子的聚合
度）：纤维的断裂取决于大分子的相对滑移和分
子链的断裂两个方面。大分子的平均聚合度 ↓，大
分子结合力 ↓，容易产生滑移，则纤维强度较低而
伸度较大；反之，大分子的平均聚合度 ↑，大分子
结合力 ↓，不易产生滑移，所以纤维的强度就较高
而伸度较小。例如：
在不同拉伸倍数下粘胶纤维聚合度对纤维强力的影响
?开始时，纤维的强度随聚合度增大而增加，
但当聚合度增加到一定值时，再继续增大时，
纤维的强度就不再增加。因为，此时断裂强
度已达到了足以使分子链断裂的程度，再增
加聚合度对纤维的强度就不再其作用。
?（ 2）超分子结构 （取向度、结晶度）
?例如：（见下页）
?由图可见，随着取向度的增加，粘胶纤维断
裂点的强度增加，断裂伸长率降低。
?（ 3）形态结构 （裂缝孔洞缺陷、形态结构、
不均一性）等。
（二）外因：
?（ 1）温湿度,空气的温湿度影响到纤维的
温湿度和回潮率，从而影响纤维的强伸度。
?温度对各种纤维的影响虽然不一致，但都
具有一般规律：在纤维回潮率一定的条件
下，温度高，纤维大分子热动能高，大分
子柔曲性提高，分子间结合力消弱，因此，
纤维强度降低，断裂伸长率增大，拉伸模
量下降。
?几种常见的应力－应变曲线于相对湿度间
的关系：
? 多数纤维随相对湿度的提 高，纤维中所含水分增
多，分子间结合力越弱，结晶区越松散，因此纤
维的强度降低，伸长增大、初始模量下降。但天
然纤维素棉、麻的断裂强度和断裂伸长却随相 对
湿度的提高而上升。化学纤维中，涤纶、丙纶基
本不吸湿，它们的强度和伸长率几乎不受相对湿
度的影响。相对湿度对纤维强度与伸长度的影响，
视各自吸湿性能 的强弱而不同，吸湿能力越大的，
影响较显著，吸湿能力小的，影响不大。
? （ 2）测试条件, a.试样长度,L↑，出现弱环的机
会 ↑； b.试样根数：根数 ↑，折算成单纤维强度 ↓；
c.拉伸速度,v↑，强力 ↑,ε↓,E↑。
Back
?1.8纤维拉伸性能的测试
用于测定纤维拉伸断裂性质的仪器称做断裂
强力仪。根据断裂强力仪结构特点的不同，
主要可分为三种类型：摆锥式强力仪、秤
杆式强力仪、电子强力仪。现主要介绍电
子强力仪。
例如,INSTRON断裂强力仪如图：
?仪器拉伸试样的速度在 0.0005— 0.5m/min之
间。仪器还可以进行卸载过程的试验，并且
记录滞后圈。新型的 INSTRON断裂强力仪带
有计算处理程序，可以处理测试结果，记录
并积累普通的统计量指标（平均数、变异系
数、试验误差等）。
Back
?1.9纤维破坏形态
目前对纤维拉伸失效过程的理解已相当成
熟。例如：由 Hearle and Cross发现的尼
龙纤维的破坏形态：
Nylon fibre broken in a tensile test Break in progress in a coarse nylon bristle
Breakage zones in nylon bristle
破坏分五个区域,A－起始,B－延伸,C－滑移,D－裂纹快速增加,E－最终破坏。
第二节 束纤维的拉伸性能
? 静态性能
1 摩擦机理
2 纤维的摩擦、抱合合切向阻力
3 纤维摩擦抱合性质的指标与测试
4 切向阻抗系数的测定
5 影响切向阻抗系数的因素
? 动态性能
1 试验装置图
2 测试原理示意图
3 碳纤维冲击拉伸下的断口形态及断裂机理
? 静态性能
主要有纤维间的摩擦和抱合性能。
纤维的摩擦抱合性质与可纺性、织物的手感、起毛起
球、耐磨和抗皱等有关。与纺纱工艺的关系：摩擦
现象贯穿于整个纺纱过程；与纱、布关系：有了摩
擦力，纱、布才具有一定服用价值；与磨损的关系：
纤维、机件被磨损，降低了使用价值；与发热的关
系：高速缝纫可能达 300℃,使缝针弯曲，缝线熔
融；与静电的关系：摩擦起静电，静电聚集，干扰
纺纱工艺正常进行，特别是化纤。
?摩擦机理
糙面学说；分子学说；焊接学说
?纤维的摩擦、抱合和切向阻力
?（ 1）抱合力 F1—— 纤维间在法向压力为零时，
做相对滑动时产生的切向阻力。（因为纤维
具有卷曲、转曲、鳞片、表面粗糙凹凸不平，
且细长柔软；纤维必须具有一定的抱合力，
棉卷、棉条才具有一定强力，纺纱工艺才能
顺利进行。）
? （ 2）摩擦力 F2—— 纤维之间或纤维与机件之间，
在一定正压力作用下，作相对滑动时所产生的阻
力。
切向阻力 F＝抱合力 F1＋摩擦力 F2
切向阻抗系数：
fNFuN ?? 1
fNFu ?? 1
纤维摩擦抱合性质的指标与测试
? 1）抱合力的指标与测定
? ①抱合系数 h(cN/cm)—— 单位长度纤维上的抱合力。
? 测试方法：从没有法向压力的纤维条中夹取一根纤维，测定
出这根纤维所需的力 F1（ cN，即抱合力）和纤维的长 l（ cm）
的比值。
? ②抱合长度 Lk（ m）
? 方法：将纤维制成一定规格的没有法向压力的纤维条，在强
力仪上以大于纤维长度的适当上下夹持距离拉断，测得它的
强力和纤维条的特数。
? 式中,F1—— 纤维条的强力（ N）；
? Ntex—— 纤维条的特数（ tex）；
? g—— 重力加速度（ 9.8m/s2）。
lFh 1?
61 10??? te xk NgFL
? （ 2）影响纤维抱合力
的因素：纤维的几何形
态（表面结构、纤维长
度、卷曲度）；排列形
状；纤维弹性；表面油
剂；温湿度。
? 纤维卷曲或转曲多，细
长而较柔软 —— 抱合力
较大。
纤维种类 纤维线密
度
(dtex)
纤维长度
(mm)
20° C时
的抱
合长
度
(mgf/tex)
羊毛 直径
23μm
55 30
涤纶 4.4 70 65
腈纶 3.85 90 47
锦纶 3.3 70 95
切向阻抗系数的测定
? 绞盘法 —— 测定纤维与纤维，纤维与金属、陶瓷等
其它材料间摩擦的切向阻抗系数。
? Y151型摩擦系数测定仪。其工作原理如图。根据所
加固定张力 The测得的 P，可以按下式计算县委的切
向阻抗系数 μ：
? 所以：
??e
PT
T ?
?
PT
T
PT
T
e ???? lo g7331.0lo glo g
1
??
? 该仪器可以调节辊轴的回转速度，
以测得各种不同速度下的动摩擦得切向阻力系数 μd。如果使辊轴
不回转，开启天平，旋转指针，
观察纤维在辊轴上开始滑动时，
扭力天平的读数，可以计算静摩擦得切向阻抗系数 μs。
? 一般是，静态切向阻抗系数大于
动态切向阻抗系数。它们的大小
和两者差值影响着纤维德手感。μs大，且与 μd差值也大得纤维，
手感硬而涩；反之,μs小，且与
μd差值也小得纤维，手感柔软。
如果 μs＞ μd，则纤维手感软而
滑腻。
影响切向阻抗系数的因素
? （ 1）纤维表面的性质
? 截面为非圆形的纤维的 μ＜圆形光滑合纤的 μ，如：棉、粘胶、
羊毛、粘纤（实际接触面积小）；
? 易变形纤维的 μ＞不易变形纤维的 μ；
? 无捻长丝的 μ＞加捻长丝或短纤纱的 μ。
? （ 2）化纤油剂的影响
? 化纤不上油，干摩擦时 —— μ大；
? 上油少 —— μ↓（油膜在纤维表面形成单分子层）；
? 上油多 —— μ↑（属液体摩擦，与油的粘度有关）。
? ∴ 与上油量有关 —— 在一定范围内，量 ↑,μ↓；超过一定量
后，量 ↑,μ↑。
? 油剂不仅可降低纤维比电阻，改善抗静电性能，还能增进纤
维间抱合，增加平滑，降低纤维表面的 μ。
? （ 3）法向压力的影响
? （ 4）导纱面光滑程度的影响，分两种不同情况：
? 天然纤维，粘纤，异纤 —— 导纱面光滑程度 ↑，则 μ↓；
? 圆形，表面光滑的纤维 —— 导纱面光滑到一定程度后，则 μ↑。
? 可采用以 TiO2为主的陶瓷来减少 μ（其表面具有一定的粗糙度）。 （ 5）
滑动速度与初张力的影响
? 滑动速度：由静到动,μ↓，而后 v↑→μ↑。到一定的 v时 μ稳定。
? 合纤在低速时，存在粘滑现象,μ变化较大。
? ∴ 一般测 μ动，希望 μ>3m/min以上。
? 初张力：张力 ↑→μ↓。
? ∵ 张力 ↑，正压力 ↑，但 F↑<正压力 ↑,∴ μ↓。
? （ 6）温湿度的影响
? 温度,T变化 →油剂变化 →纤维性能变化
? T↑→μ↓；到一定数值时,T↑→μ↑。
? 湿度,RH%↑，则 μ↑（ ∵ v↑,E↓）
? →RH%=100%时,μ最大。（接触面积 ↑）
? 在水中，则 μ水＜ μRH%=100%。
? 加工中 RH%必须加以控制，太湿,μ↑，加工困难；太干，发脆。
动态性能
? 由于纤维材料固有的粘弹性本质和 /或不同加载速度条件下的
变形和破坏机制的不同，在冲击载荷作用下其力学性能会发
生不同程度的应变率效应，即拉伸应力应变本构关系随应变
率的不同而不同。
? 材料在弹道侵彻和碰撞时一般要经受断裂时间在 50-150?s，
应变率在 500-1500 s-1范围的瞬态冲击。由于加载机制的不
同，普通的力学性能试验机无法产生瞬态高应变率的加载载
荷。分离式 Hopkinson压杆（ SHPB）装置是有效的产生应
变率水平在 103 s-1左右的冲击装置，加上纤维束试样的大
长径比和短的试样长度能够基本保证该装置的一维应力波传
递和应力应变在试样内是近似均匀的设计原理要求，自从
Kawata和 Harding之后,Hopkinson杆冲击装置是目前普遍
采用的纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能测试装置。
SHPB装置是国际上目前普遍采用的用来测试纤维束中、高
应变率冲击拉伸力学性能的测试装置。
试验装置图
? 利用一维弹性应力波理论的二波或三波公式计算材料的动
态压缩或拉伸性能：应力 — 应变曲线、应力 — 时间曲线、
应变 — 时间曲线和应变率 — 时间曲线。
测试原理示意图
? 依据一维应力波理论及试件中应力、应变均匀性
假设，可导出应力、应变和应变率方程：
? 其中,C为弹性波在杆中的波速,l0为试件试验段
的原长（即两夹持口纤维长度）,εi(t),εr(t)、
εt(t)分别为作用在试件上的入射波、反射波和透射
波的应变值,A和 As分别为杆和试样的初始横截
面积,E为杆的模量。
))()()(()(
))()()(()(
))()()((
2
)(
0
00
ttt
l
C
t
dtttt
l
C
t
ttt
A
EA
t
tri
t
tri
tri
s
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????
????
???
???
???
?
? 上述三公式称为三波处理公式，又因为在大多数情
况下，输入杆和输出杆均采用材料相同、截面积相
等的两根杆子，根据均匀假定，则有 εi＋ εr＝ εt，所
以三波处理公式简化为下式：
? 上述三公式称为二波处理公式。通过上述公式，根
据记录到的应变信号便可得到冲击载荷下的应力－
时间、应变－时间、应力－应变及应变率－时间曲
线。
? ? ? ?? ?
? ? ? ?? ?
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A
A
Et
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l
C
dttt
l
C
t
s
tit
t
tit
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?
??
?? ?
0
00
? 例如对碳纤维束在三种不同应变率的拉伸曲线，其
应变率分别为,1500/s,2000/s,3000/s，下图为
同一应变率下碳纤维束的应力应变曲线。
碳纤维冲击拉伸下的断口形态及断裂
机理
? 碳纤维束的力学性能与应变率基本上是不相关的，随着应变
率的增大，碳纤维束的初始模量、破坏应力及其失稳应变都
变化不大。因此碳纤维束在力学性能上是不敏感材料。
? 碳纤维束的破坏断口与冲击拉伸实验的应变率密切相关。随
着应变率的增大，断面结构逐渐规则，碳纤维颗粒逐渐细化，
断面的凹度逐渐增大。其颗粒的变化影响了碳纤维束的破坏
应力值。
? 在力学性能上对应变率不敏感的材料，在其破坏形式上可能
对应变率是相关的，材料在应变率不同的冲击拉伸中其破坏
过程可能是不同的。
?
应变率 1500/s时的断口形态 应变率 2000/s时的断口形态
应变率 2000/s时的断口形态 应变率 3000/s时的断口形态
第三节 纤维力学性能的时间依赖性
? 主要性能：纤维的蠕变、松弛和疲劳。
1,纤维的拉伸变形与弹性
2,纤维的流变性质
3,纤维的疲劳特性
3.1纤维的拉伸变形与弹性
?在高分子材料的变形过程中，时间这一因素
起主要作用。
