高性能纖維失效研究取得重大突破!

纖維,尤其是高性能纖維,在體育器械、防護裝甲和航空航天等方面應用非常廣。通過不同的成型工藝,在纖維拉伸過程中就形成瞭高度取向的分層結構,從而賦予這些纖維高的強度和剛度。

說到纖維的復雜結構,可以用三個尺度來衡量:①納米纖維,其直徑為10-50 nm;②納米纖維束,直徑100-500 nm;③全纖維,直徑10μm。

雖然我們研究和使用纖維的歷史非常悠久,但不得不承認的是,沒有哪一個人工合成的纖維達到瞭理論強度。

纖維是怎麼失效的?

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圖1. PPTA(a)和UHMWPE纖維(b)的拉伸斷裂表面沿著纖維束界面發生瞭原纖化。

對斷裂的纖維進行分析後發現存在廣泛的原纖化現象,雖然納米纖維的直徑隻有10 nm,但圖1中的原纖化卻寬得多,這表明纖維失效與纖維束尺度上的現象有關系。

成果介紹

內佈拉斯加大學林肯分校的Dzenis教授課題組與美國陸軍實驗室合作,采用聚焦離子束(FIB)銑削和納米壓痕技術研究瞭PPTA和UHMWPE纖維的失效機理。對UHMWPE纖維在三種不同尺度下的分離能進行分析後,發現不同尺度下纖維的分離能符合冪律關系,隨著纖維尺度的增加,分離能逐漸提高。從微觀角度出發,研究者認為正是由於纖維束之間的橫向橋接的增加導致隨著纖維尺度的增加,分離能的提高,而這種橫向橋接的多少和大小對纖維的失效起到瞭決定性作用。這一研究不僅解釋瞭纖維的失效機理,還為多尺度纖維模型的建立、高性能纖維的失效分析提供瞭實驗支持,為開發高性能纖維提供瞭可能性。

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纖維失效樣品的制備和表征
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圖2. 采用FIB制備缺口樣品示意圖。(a)離子銑削的纖維定位示意圖;(b)銑削成功的PPTA和(c)UHMWPE纖維T形缺口的FIB圖像;(d)剝離過程示意圖;(e)用於納米壓痕實驗的樣品示意圖。

研究者針對兩種纖維進行研究:PPTA(凱夫拉KM2,600旦)和UHMWPE(迪尼瑪SK76,1350旦)。為瞭制備測試樣品,研究者將單根纖維放置在直徑1厘米的玻璃小瓶的表面上,將兩滴粘合劑滴在纖維上,相距約5毫米以固定纖維。在粘合劑固化後,在纖維外部噴塗30 nm的Au-Pd塗層,以防止在開槽過程中產生帶電效應。將纖維固定到45°的SEM臺上,然後傾斜7°,並與FIB垂直。隨後使用Ga+離子(FEI Nano V600雙光束)在纖維的上半部分銑入倒置的T形槽口,這樣的結構有利於進行樣品表面剝離。

在制備好樣品後,將玻璃小瓶放在光學顯微鏡載物臺上,將掃描隧道顯微鏡(STM)的探針切斷,探針邊緣形成一個長的錐形,正好適合插入T形槽口的側面。通過調節載物臺,將STM探針小心地插入槽口內,同時剝離纖維,這個操作要十分小心,以防止STM探針破壞產生的纖維內表面。

納米壓痕實驗

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圖3. UHMWPE(正方形)和PPTA(菱形)纖維的歸一化壓痕能隨著壓入深度的變化。(a)單個壓痕結果;(b)重復壓痕實驗計算的能量差。

研究者采用納米壓痕實驗進行研究瞭纖維的硬度、模量和最大載荷等力學指標。發現在每個壓痕深度,PPTA的歸一化壓痕能約為UHMWPE的兩倍。

在壓痕過程中,可能同時存在幾種能量耗散機制:能量可以沿著纖維束界面的斷裂而耗散,也可以因為探針尖端與樣品的摩擦而耗散,因此可以分析同一位置重復壓痕的結果來計算壓痕過程中耗散的總能量,發現PPTA在每個壓痕深度吸收的總能量也是UHMWPE的兩倍。這說明與UHMWPE纖維相比,分離PPTA纖維中的原纖維束需要消耗更多的能量。

纖維斷裂形貌的分析

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圖4. UHMWPE(a)和PPTA(b)纖維斷裂表面的原纖化。與PPTA相比,UHMWPE中納米原纖維束的分離長度更長。

為瞭研究纖維斷裂過程的微觀機理,研究者對單根纖維進行彎曲實驗,在彎曲過程中,下方的纖維發生壓縮,上部的纖維發生拉伸,最終在剪切變形下單根纖維發生瞭原纖化。與PPTA相比,沿纖維長度方向UHMWPE中納米原纖維束的分離更遠。

研究者從微觀角度分析瞭出現上述現象的原因。雖然兩種纖維都發生瞭原纖化,但隨著UHMWPE纖維壓縮應變的增加,其表觀橫截面積顯著增加,這是由於纖維中出現瞭納米空隙造成的,除此以外UHMWPE中原纖維網絡還發生瞭大規模的重新取向,這些因素在PPTA中都沒有觀察到。總之,剛性的PPTA單根纖維中的橫向相互作用比柔性的UHMWPE纖維中的強,因此發生斷裂時,沿纖維長度方向UHMWPE中納米原纖維束的分離長度更長。

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圖5. UHMWPE纖維中的總吸收能量和相應的開裂面積的冪律關系。(a)單根纖維束中僅考慮500 nm深度的結果;(b)納米原纖維開始分離過程中橫向連接尺寸和頻率的變化;(c)纖維束的分離;(d)全纖維開裂。

為瞭量化纖維中的橫向相互作用,研究者在不同尺度上計算瞭吸收能,發現在纖維束尺度上,吸收能比納米纖維要高1~2個數量級,在全纖維角度,吸收能更高,均符合冪律關系。

在不同纖維尺度上,吸收能量大小差別顯著,這說明在不同尺度上有著不同的橫向相互作用機制:在納米尺度上,吸收能很低,不存在分子水平的橫向連接;在纖維束尺度,吸收能顯著增加,是由於納米纖維束之間的裂紋處產生瞭納米纖維橋接,並且在壓痕過程中一些納米纖維發生瞭斷裂;在全纖維尺度,吸收能進一步增加,是由於纖維中裂紋尖端附近的納米纖維橋接的數量和尺寸顯著增加造成的。

小結

為瞭揭秘纖維失效的原因,內佈拉斯加大學林肯分校的Dzenis教授課題組與美國陸軍實驗室合作,采用聚焦離子束(FIB)銑削和納米壓痕技術研究瞭PPTA和UHMWPE纖維的失效機理。與UHMWPE纖維相比,PPTA的吸收能是UHMWPE的兩倍;與PPTA相比,沿纖維長度方向UHMWPE中納米原纖維束的分離更長,這與PPTA單根纖維中的橫向相互作用更強有關。

隨著UHMWPE纖維尺度的增加,納米纖維之間的橫向作用(即納米橋接)逐漸增加,造成瞭吸收能的增加,而這種納米橋接大小與多少直接決定瞭纖維的失效與否。研究者認為未來的研究重點是瞭解負載是如何跨越這些不同尺度進行轉移的。

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b23459

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