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《四川大学》 2003年 博士论文
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激光辐照拉伸纤维的形变机理及特征

李元杰  
【摘要】: 本工作旨在将新型的具有独特性质的激光能源应用于纤维拉伸,研究在微小区域高能量密度条件下运行的不同于传统拉伸工艺的纤维形变机理及其特征。以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为例,说明这一特定拉伸形成的纤维的性能特征,通过微观结构的表征,对其特性予以结构方面的解释,从而为激光辐照拉伸初步建立了工艺—结构—性能三者的关系。论文主要有以下6部分: 1)通过讨论纤维的强度、模量、韧性与结构关系、制备特定性能纤维的方法、结构模型在建立对纤维结构与性能关系中的应用,指出制备高强高模纤维必须改善纤维三个方面的结构:一是完善纤维的结晶结构,加强纤维无定形区域分子链的物理交联点;二是降低纤维无定形区域分子链的链端和链环,提高纤维截面上承受应力的分子链数;三是尽量减少无定形区域分子链的长度差异,实现应力分布更均匀。归纳了目前制备高强高模纤维的主要方法,包括溶液纺丝法、溶胀—拉伸法、振动拉伸法、区域拉伸法,重点说明区域拉伸是一种仍有待深入研究并具有前景的工艺手段。由此引出通过激光辐照实现更小区域拉伸的设想。 2)讨论了以激光加工聚合物材料的不同方式(切割、焊接、烧蚀等)对激光波长和功率有不同要求,说明本工作中选择二氧化碳(CO_2)激光进行纤维拉伸的原因。并进一步阐明了CO_2激光器的工作原理、CO_2激光束的特点以及对聚合物材料的作用。CO_2激光束的主要特点包括高单色性、高相干性、高方向性、高亮度等;作用的实质是CO_2激光的电磁波与聚合物中原子和原子基团之间发生各种耦合振动,由于聚合物的粘性,振动引起摩擦,将电磁能转换成热能,聚合物温度快速上升。由于CO_2激光波长10.6μm,其光子能量为0.176eV,远小于化合物的电离能,不会直接引起聚合物的降解。激光对聚合物材料作用时发生非线性光学(如自聚焦)、产生弹性应力等现象;纤维的几何尺寸影响激光能量的转换效率,当纤维直径小于激光波长10倍时发生米氏散射效应,加大了纤维对激光能量的吸收效率,这种吸收效率同样受纤维的取向结构 中文摘要 和结晶结构、纤维温度的影响,为激光辐照拉伸机理的讨论奠定基础。归纳了 进行激光辐照拉伸时激光能源部分可调参数及其效应,指出本工作中使用的激 光器的输出功率为30一70W,激光束的腰粗约2~,瑞利距离为1184~,纤 维的位置在这个距离范围之内,。 3)论述了本工作中用于聚合物结构表征的主要方法(如密度梯度、差示 扫描量热(DSC)、广角X一射线衍射(场叭XD)、声速、傅里叶变换红外光谱 (FTIR”的基本原理、相应的表征内容及其局限性,阐述了本工作中各种表 征方法的测试条件,为建立工艺一结构一性能关系奠定实验基础。 4)推导并建立了激光辐照拉伸过程中纤维的形变模型。探讨了激光能量 转换、应变、应变速率和拉伸过程中纤维形变特点。认为在采用的拉伸条件下 可以忽略结晶对应力的影响,纤维应力受纤维温度、应变、应变速率的控制; 纤维结晶过程主要在形变结束后进行;稳态拉伸条件下得到能量平衡方程。分 析了纤维特征参数包括热对流系数、纤维密度、纤维比热的变化规律,表明: 热对流系数随着纤维速度的增加和纤维半径的减小而逐渐增大,但增长速率逐 渐减小;密度在拉伸过程中变化不会太大,变化小于10%;纤维比热随着温度 的升高而线性增加。分析了激光辐照拉伸过程中热传导、热对流、热辐射三种 热传递方式,并予以相互比较,表明纤维升温过程中,热对流是能量散失的主 要方式,热传导次之,热辐射影响最小,当纤维温度范围在350一650K、平均速 度大于1.0而s、纤维半径小于30“m条件下,热传导和热辐射的影响可以忽略, 热对流是主要的热传递模式。模拟了激光辐照拉伸过程中纤维的温度、应力、 应变、应变速率等物理量变化规律。通过与传统热拉伸工艺比较表明:激光辐 照拉伸形变过程中,纤维最高温度可达sooK,较热辊拉伸纤维最高温度高约 70K,达到PET纤维最大结晶速率温度;最大升温速率是热辊拉伸的10倍;形 变区域小,在0.2~左右的区间内完成形变,而热辊拉伸需在约1~才能完 成。因此,激光辐照拉伸形变速率高,最大形变速率是热辊拉伸的10倍;由于 拉伸过程中,激光辐照拉伸纤维温度上升较高,降低了纤维的最大断裂应力, 从而降低了纤维的最大拉伸张力,因此激光辐照拉伸时,拉伸张力较小。从而 预见,激光辐照拉伸纤维必然有与传统工艺下的拉伸纤维不同的特征性的结构 和性能。 5)研究了激光辐照拉伸工艺与工艺参数和性能的关系。考察了激光功率、 四川大学博十学位论文 光强分布、纤维供给速度、拉伸比和拉伸区前增加热板的温度、纤维相对激光 焦点的距离等工艺参数的影响。结果表明,纤维拉伸应力随着激光辐照功率的 增加而减小,但随着纤维相对激光焦点距离的增加而增大,达到100~后, 激光辐照的影响很小,拉伸应力不再发生变化。同热辊拉伸相比,供给速度和 拉伸比相同的前提下,3000耐min的初生纤维激光辐照时的拉伸应力约小20%。 激光辐照拉伸时,3000、500hamin初生纤维的最大拉伸比分为2.2和5.0,与 热辊拉伸工艺类


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