金属材料结构性能

金属材料结构性能（共8篇）

金属材料结构性能 篇1

材料结构与性能报告(1)

论文题目：块状非晶合金材料的研究进展

姓名： 学号： 学科专业： 指导教师： 入学日期： 报告日期： 报告地点：

王楚 31605051 材料工程 林莉 2016.11

研究生院制表

材料结构与性能报告(1)1概述

一般认为，凝聚态的物质大致可以分为三类：晶态物质、准晶态物质和非晶态物质。非晶态合金是指固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围保持这种状态相对稳定的合金。最早有关非晶态合金的文献是由融Kamer于1934年首次报道的。而后，1960年，Duwez[1]等首先采用喷枪法在Au．Si合金中获得非晶态合金，从而开创了材料研究的新领域一非晶态合金材料。非晶合金具有优异的物理性能、化学性能和力学性能，特别是优良的软磁性能，在许多领域中己得到应用。一般说来，非晶态合金均需要通过熔体快淬的方法来获得，它需要非常高的冷却速率(10 6 /s 以上)。由于临界冷却速率的限制，非晶态合金的三维尺寸受到很大的限制，只能获得很薄或很细的片、丝和粉末状非晶合金。

大块非晶合金材料是近年来采用现代冶金技术合成的一种具有特殊性能的新型先进金属材料。对大块非晶的研究无论在理论上还是在应用上都有重要意义。首先，大块非晶体系是一些全新的多组元体系，其合金熔体具有极大的热力学过冷度，过冷液体的动力学行为类似于氧化物玻璃，这使得人们重新思考传统的非晶形成理论。另外，大块非晶合金大都具有明显的玻璃转变和宽的过冷液相区，这为深人研究非晶合金的玻璃转变特征和过冷液态的结构和物性提供了理想材料。在应用上，由于具有奇特的物理、力学及化学性能, 适合于用来制造电子器件、磁性器件、精密光学器件、精密机械结构件、电池材料、体育用品、生物医学植人物以及军工先进武器构件(如穿甲武器、飞行器的构件、装甲板等)等。块状非晶合金的发展历程

非晶合金的发展大致经历了两个阶段。第l阶段为1960年(Duwez首次采用快淬方法制得Au70Si30非晶合金薄带)-1989年。这段时期，人们主要通过提高冷却速率(>104列s)来获得非晶合金，因而得到的基本是非晶合金薄膜、薄带或粉末。所研究和制备的主要是二元合金。主要研究体系可分为3大合金系：第l类合金系由过渡族金属或贵金属与类金属组成，如Pd2Si、Fe2B等。；类金属的含量为10%-30%,恰好在低共晶点组分附近。2类合金系是以LTM-ETM为基的体系，其中ETM和LTM分别代表前、后过渡族金属，LTM包括Fe、Co、Ni、Pd和Cu等，ETM包括Ti、Zr、Nb、Ta、Hf等。LTM的含量一般在20％-40％，如Zr70(Ni、Fe、Co、Pd、Rh)30、Nb60Rh40等，该体系可以在非常宽的低共晶组分范围内形成非晶，这类非晶合金发现得比较晚，1977年才首次发现属于这一类的合金,以后又逐步发现了在Ca或Sr中加入AI、Zn等组成的非晶合金[2,3]。第3类为以A族金属元素(Mg、Ca、Sr)为基体，B族金属元素(Al、Zn、Ga)为溶质的

块状非晶合金的研究进展

少冷却过程中的非均匀形核, 因而各种制备方法都有以下两个共同持征：(1)对合金母材反复熔炼, 以提高熔体的纯度, 消除非均匀形核点。(2)采用高纯惰性气体保护，尽量减少氧含量。目前，大块非晶态合金的制备方法主要有以下几类：

(l)悬浮熔炼： 将试样置于特定的线圈中，线圈中的电磁场使试样产生与外界相反的感生电动势，该感生电动势与外磁场间的斥力与重力相抵消，从而使试样悬浮在线圈中。同时, 试样中的涡流使自身加热熔化。再向试样吹人惰性气体，使其冷却、凝固；或利用通电极板间的静电场使试样悬浮，用激光加热熔化，当激光停止照射时，试样于原位冷却。试样温度可用非接触法测量。悬浮熔炼的优点是试样没有在容器中熔炼，避免了容器壁引起的非均质形核，可减小临界冷却速度。其缺点是，试验的悬浮与加热是同时通过试样中的涡流实现的，当试样冷却时也必须处于悬浮状态，即试样在冷却时还必须克服悬浮涡流带来的热量，所以冷却速度不可能很快, 增加了制备难度，制备的块状非晶合金尺寸较小。

(2)深过冷液淬法：此方法是将试样用低熔点氧化物(如B2O3)包裹起来，在石英管中感应加热熔化，最后淬入水中得到非晶态合金试样。低熔点氧化物的作用一是用来吸取合金冶炼中的杂质颗粒，避免这些颗粒成为形核的核心，二是将合金熔液与容器壁隔离开来。由于包裹物始点低于熔体熔点，因而可避免合金母材与容器壁直接接触，最大限度地避免了非均质形核。

(3)高压模铸法：该方法是将母合金放人套筒内，在高频感应线圈中熔化，再用高 压快速将合金液压人铜模内，铜模外通水使试样快速冷却。由于该方法的冷却速率很大，可以获得较大体积的非晶态合金。

此外还有定向凝固、射流成形、压实成型等多种大块非晶合金制备工艺。国内关于大块非晶合金的研究开展不多，主要采用落管、氧化物包裹、磁悬浮、射流成形及水淬 等技术制备大块非晶合金。国内制备的大块非晶合金的最大直径为90mm。由于目前制备的非晶合金的尺寸较小，影响了非晶合金作为结构材料的使用范围。块状非晶合金的微观结构

非晶合金的原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有”。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过4-5个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别，短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。

材料结构与性能报告(1)4.1化学短程有序

非晶态金属至少含有两个组元，除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有序的影响通常只局限于近邻原子，因此一般用近邻组分与平均值之差作为化学短程有序参数，对于二元A-B体系为：

up=1-ZAB/(ZcB)=1-ZBA/(ZcA)其中ZAu和ZuA分别代表A(或B)原子近邻的B(或A)原子配位数，Z是原子总配位数。cA和cu分别是A与B原子在合金中的平均浓度。当A和B两种原子直径明显不同时，A原子的总本位数ZA与B原子的总配位数Zi3不再相同，ZA≠Ze，这时短程有序另一种定义。

4.2拓扑短程有序

指围绕某一原子的局域结构的短程有序。常用几种不同的结构参数描述非晶态与合金的结构特征，主要有原子分布函数、干涉函数、近邻原子距离与配位数和质量密度。原子分布函数，设非晶态结构是各向同性的均匀结构，其平均原子密度Po为--定体积y中包含的原子数N:

Po=N/V 描述某一原子附近的密度变化可用径向分布函数RDF(r):

RDF(r)=4*3.14xr2p(r)

其中r是距某中心原子的距离，p(r)是距离r处的密度，由上式可知，RDF(r)dr代表以某个原子为中心，在半径r处、厚度为dr的球壳内的原子数，从而RDF(r)=dN/dr表示原子数目(密度)随距离增加的变化。

定义约化径向分布函数G(r)为:

G(r)=4x3.14*r[p(r)-po] 几种过渡金属-类金属非晶态合金的约化径向分布函数如图8-1所示，函数值随着与中心原子的距离增大而呈有规律的起伏。此外，还定义双体分布函数g(r): z(r)=p(r)/p。

当合金中包含几种不同类原子时，引入偏径向密度函数pii(r)、偏双体分布函数gii(r)、偏约化径向分布函数GO(r)等参数描述原子之间的结构关系。例如，pji(r)指与某个第i类踩子的距离为r处，单位体积中第j类原子的数目。上述各个原子分布函数中，原子密度p(r)和原子径向分布函数RDF(r)有明确物理意义，G(r)的物理意义虽然不明确，但它同RDF(r)一样能反映非晶态结构特征，对体系作x射线衍射测量得到结构因数S(Q)，块状非晶合金的研究进展

外壳等商业产品由于大块非晶中不存在晶体中的滑移位错，在较低温度下具有很好的粘滞流动性，可以较好地发生超塑应变利用这个特性，可以把大块非晶合金进行各种塑性加工，制成所需的各种形状由于其优异的力学性能和较好的热稳定性，大块非晶合金在军事方面也得到了应用，可以用来制造反坦克的动能穿甲弹。

Zr基大块非晶合金具有很高的弹性实验表明,用其做成的小球与同样大小的钢球在量筒中从相同高度(15m左右)自由落下后做弹性来回运动，前者比后者的弹动时间足足长了大块非晶合金具有很高的强度和强度-密度比，以及很好的弹性能，因而具有很好的应用潜力。基大块非晶合金由于抗拉强度高、延展性好、弹性能高、冲击断裂性能高和抗腐蚀性高，且具有非常好的能量传递性能，已被用来制作高尔夫球杆和其击球部位(球头)，使用该材料做成的高尔夫球头能够将99％的能量传递到球上。

在化学方面，由于大块非晶具有抗腐蚀、储存能量(吸氢和析氢)和高催化特性，将有可能在海洋业和能源方面得到应用。块体非晶合金在结构上是原子长程无序而近程有序排列的亚稳材料，每个短程有序的原子团可以视为一个高活性点，而这种高活性、高耐蚀性材料是最理想的电极催化材料。如果使用这种材料制作电极, 其催化活性将提高以上，可大大提高制碱工业的生产效率，降低生产成本，由此所产生的经济效益是十分巨大的。

由于新型基非晶合金具有低饱和磁致伸缩，使得它们的软磁性能可与传统的Fe-Si-B非晶合金相比拟，甚至更优。日本研制的Fe基大块非晶合金软磁材料的磁导率，比硅钢片材料及传统晶体结构的磁性材料15倍，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室也已经制备出了直径达到以上的低磁能损耗的大块基软磁产品专家预测,大块非晶合金软磁材料制品将很快应用于电子信息，如计算机、通讯设备和工业自动化等高技术产业和电力等传统产业另外，硬磁性大块非晶合金也将是一种很有潜力的永磁材料。

6结束语

非晶合金，因特殊的结构和优异的性能自产生以来一直是材料学界的热点研究领域之一。近年来对非晶合金进行了广泛的研究，取得了很大的进展，已突破昔日贵金属的限制, 许多日常重要的工程合金系统如Fe、Co、NiCu 等都可制备出块体非晶合金，这为其实际应用创造了条件，如今工程应用也已逐步兴起。但作为一类新型的材料, 非晶合金仍处于研究探索阶段，在基础理论、制备工艺和实际应用中还有许多问题亟待解决，主要体现在以下几个方面。

还没有一套完整的理论或成熟的物理模型用来指导块体非晶的研制，目前对于合金系统组元的选择还只能凭经验规律，但这些规律都不具备普适性。这主要是由于还没有充分理解非晶合金形成的本质, 因此需要加强对非晶合金物理转变过程的研究。

材料结构与性能报告(1)(2)目前所制备的块体非晶尺寸还不够大，只有Zr基、Pd基等少数几种合金体系可达较大尺寸，这在很大程度上限制了这种新型结构材料的广泛应用，因而需要我们在理解非晶合金形成本质的基础上，改进目前块体非晶制备所需的苛刻工艺条件。因机械合金化在制备非晶合金上的独特优势，目前可以优先发展机械合金化工艺。

(3)提高块体非晶的热稳定性。由于块体非晶属亚稳态材料，在热力学上是不稳定的, 只有把这类材料加热到一定温度以上才会使其变为晶态材料。因此，必须设法提高块体非晶的热稳定性，以拓宽其应用范围。

(4)任何材料都有其自身的缺陷，虽然发现了一系列具有大塑性的块体非晶合金，但总体来说其塑性都还有待提高，而且非晶合金的拉伸塑性几乎为零。长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料一直是材料领域追求的目标，非晶合金塑性的进一步提高，必将为非晶合金的应用开辟更广阔的空间。

参考文献

[1] Duwez P Willens R.H.Continuous series of metal stable so1id solution in silver．

copper alloys．Applied Physics, 1960;31:1136-1139．

[2]Luborsky F E.Amorphous, metal lie alloys.London: Butter worth, 1983, 30(2): 45-47.[3]Jones H.RaPid,solid i of metal and alloys.London: Institution of Metallurgists.1982 ,10:78-79.[4]Inoue A, Zhang T, Masumoto T, Zr-Al-Ni amorphous alloys with the glass transition temperature and significant super cooled liquid region.Materials Transactions JIM, 1990, 3l(3):177-183．

[5] Shindo T, Waseda Y, Inoue A.Prediction of critical on Positions for bulk glass Formation in La-based, Cu-based and Zr一based tern arryallows.Materials Transactions JIM, 003, 44(3): 351-357.[6] Inoue A.Stabilization of metallic Per cooled liquid and bulk amorphous Alloys.Acta Material , 2000, 48:279-306.[7]Takeuehi A,Inoue A.Classification of Bulk Metallic Glasses by Atomic Size Difference, Heat of Mixing and Period of Constituent Elements and Its Application to Characterization of

the

Main

Alloying

Element.Materials

Transactions JIM,2005,46(12):2817-2829.[8]Inoue A,Shen B L,Chang C T.ULTRA-high strength above 5000MPa and soft magnetic

块状非晶合金的研究进展

properties of Co-Fe-Ta-B bulk glassy alloys [J].Acta Materialia, 2004, 52(14);4092-4099 [9]Lu Z P, Liu C T, Thompso N.Structural amorphous steels[J].Phys Rev Lett, 2004, 92:245503 [10]Chen Q J, Fan H B, Shen J, et al.Critical cooling rate and thermal stability of

Fe-Co-Zr-Y-Cr-Mo-B amorphous alloy[J].J Alloys Comp，2006,407(1/2):25-128 [11]Zhang B, Pan M X,Zhao D Q,et al.Soft bulk metallic glasses based on cerium [J].Appl Phys lett, 2004(85): 61-68 [12]Inoue A, Shen B L, Chang C T.Ultra-high strength above 5000MPa and soft magnetic properties of Co-Fe-Ta-B bulk glassy alloys[J].Acta Materialia, 2004, 52(14):4093-4099.[13]Qiu K Q, Wang A M, Zhang H F, et al.Mechanical properties of tungsten fiber reinforced Zr-Al-Ni-Cu-Si metallic

glass

matrix

composite[J].Intermetallics，2001, 10(11/12):1283-1288.[14] Inoue A , Gook J.S.Mater Trans[J] 1995;36: 1180 [15]Inoue A, Takeuchi A, Zhang T.Metall MaterrTans, 1998;29A: 1779 [16]井上明久.素形材[M], 1999;5: 5 [17]Inoue A.Bulk Amorphous Alloys, trans tech publisher[D], 1998 [18]Nishyama N, Inoue A.Mater.Trans[J]1996;31: 1531

金属材料结构性能 篇2

蜂窝夹层结构具有比强度高、比刚度大等优点, 因而在卫星、飞机、轮船、汽车、桥梁建造等领域被广泛的应用并不断快速增长。由于蜂窝夹心结构的复杂性和设计的多样性, 在研究其力学性能时一开始就对其进行比较系统详尽的分析存在较大的困难。出于计算效率的原因, 在分析蜂窝夹芯结构人们更倾向于将其等效成为板或是壳模型, 而并非去考虑其真实的微观结构。目前人们对蜂窝夹芯等效参数的确定大多都是基于Gibson和ashby[1]的研究工作。富明慧, 尹久仁[2]和王颖坚[3]在Gibson和Ashby的基础上分别考虑了蜂窝壁板的伸缩变形的影响和蜂窝壁弯矩的作用, 对Gibson公式作了适当的修正。Chang和Ebcioglu[4]以及Kelsey[5]等在对六边形蜂窝格子的有效地横向剪切模量进行了开创性的工作, 后人[6,7,8,9,10]又对六边形和其他二维的多孔结构的有效弹性常数的研究大量的研究工作。

1 金属蜂窝夹层结构的三点弯曲试验

蜂窝夹层结构在承受三点弯曲载荷时, 结构的上面板和下面板分别承受拉伸和压缩载荷作用, 而蜂窝芯子主要承受的是剪切载荷, 并且在压头附近的局部区域承受平压载荷作用。图1给出了蜂窝夹芯结构在弯曲载荷作用下的破坏过程, 在弯曲在载荷作用下, 由于面板相对于芯子厚度较大, 所以在整个加载过程中, 面板没有出现致命性的破坏模式。结构主要有芯子屈曲破坏、芯子分层破坏以及芯子剪切破坏等几种破坏模式。加载过程中蜂窝芯子首先出现屈曲变形 (如图1 (a) 所示) 紧接着在压头附近出现屈曲破坏以及面板的皱曲、芯子屈曲 (如图1 (b) 所示) 或是芯子的剪切破坏 (如图1 (c) 所示) 直至结构达到整体失效。

通过测试不同面板厚度的蜂窝夹层结构的弯曲性能, 我们发现面板厚度不同, 结构的破坏模式也不尽形同。对比破坏形态图2可知, 当面板厚度较薄时, 由于蜂窝芯子的约束作用, 上面的薄板较容易受压屈曲, 发生屈曲破坏, 因而导致最终的整体破坏, 当面板厚度较大时, 上面板虽然也受压缩载荷的作用, 但是由于厚度较大, 不易发生屈曲破坏, 因此结构最终破坏模式主要以芯子破坏为主。

2 金属蜂窝夹层结构的弯曲性能数值模拟

2.1 计算模型

有限元模型:

应用ABAQUS有限元软件, 采用ABAQUS自带的金属延性损伤模型对蜂窝夹层结构的侧压力学性能进行数值模拟。本文中的所使用的蜂窝夹层结构的数值模型如图3所示。

2.2 面板厚度对弯曲性能的影响

2.2.1 破坏形态

本小节探究了不同面板厚度对结构弯曲力学性能的影响, 模拟计算了0.12mm、0.24mm、0.50mm和1.0mm四种不同面板厚度的的弯曲响应。图4列出不同面板厚度的结构破坏形态, 可以看出随着面板厚度的增加, 面板屈曲现象会逐渐减弱乃至最后消失, 并且面板厚度越薄越易屈曲, 这与图2所示的试验结果一致。

2.2.2 载荷位移曲线

不同面板厚度的载荷-位移模拟结果如图5和表1所示。随着面板厚度的增加, 结构的承载能力也随之增加。面板厚度较大时, 其对弯曲最大载荷随厚度的变化较平缓, 在面板厚度较小时, 面板厚度对最大载荷的影响较为突出, 这主要是因为, 当面板厚度较小时, 加载过程中面板非常容易出现局部屈曲的破坏模式, 根据Allen[11]模型可知面板是承受弯曲载荷的主要结构, 因而面板的屈曲会显著地影响结构的承载能力, 而面板厚度较大时, 则不会出现局部破坏的现象, 所以在面板厚度达到一定之以后, 极限载荷变化相对平缓。

2.3 焊接角度对弯曲性能的影响

2.3.1 破坏形态

本小节探究了不同焊接角度对结构弯曲力学性能的影响, 模拟计算了90、80、70和60四种焊接角度的的弯曲响应。图6列出不同焊接角度结构的破坏形态。由图6可以看出, 由于倾斜的芯子在受力时会容易对面板产生压缩效应, 所以有一定倾斜角度的结构上面板会更容易发生屈曲, 与垂直焊接最大不同的是, 有一定倾斜角的结构是在上面板处破坏。

2.3.2 载荷位移曲线

不同焊接角度的载荷-位移模拟结果如图7和表2所示, 可以看出焊接角度对弯曲性能在线弹性阶段的影响并不是非常明显, 则主要是因为在弯曲载荷的作用下, 芯子结构主要起到一个支架的作用, 本身并不承受太大的载荷, 因而在改变芯子结构的时候只要不改变芯子的有效高度, 结构的承载能力并不会受较大影响。对比发现不同的焊接角度对结构的弯曲强度有一定影响, 焊接角度为70度时结构承载能力最弱。

3 结论

3.1 通过力学性能测试, 得到了夹芯结构在弯曲载荷下的破坏形貌、不同面板厚度的结构的破坏模式的差异以及几种主要破坏模式 (包括面板局部屈曲破坏、塑性变形、芯子屈曲破坏、芯子分层破坏以及芯子剪切破坏) ;

3.2 通过数值模拟分析可知:随着面板厚度的增加结构承载能力加强, 且承载能力随厚度非线性变化;不同的焊接角度对结构的线弹性性能影响较小, 焊接角度为70度时结构承载能力最弱。

摘要：本文通过力学实验和有限元模拟方法研究了金属蜂窝夹层结构的静态力学性能。通过三点弯曲试验分析了不同结构参数下的破坏模式;通过有限元方法模拟了不同面板厚度、不同焊接角度的蜂窝夹层结构的弯曲性能。

金属材料结构性能 篇3

一、纳米晶的结构特征

纳米晶内部结构的高度均一，使纳米晶成为构筑纳米有序结构材料极具潜力的结构单元，并且由于纳米晶的粒径处于纳米级别的尺度，使之具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊的物理效应。

1.小尺寸效应。纳米颗粒的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干波长或透射深度等物理特征尺寸相當或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，纳米颗粒表现出新的光、电、声、磁等体积效应，其他性质都是此效应的延伸。

2.表面效应。纳米微粒表面原子与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大，随着粒径减小，表面原子数迅速增加，微粒的比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。由于表面原子数的增多，原子配位不足，导致纳米微粒表面存在许多悬键，表面活性很高，极不稳定，同时也引起表面原子电子自旋构象和电子能谱的变化。

3.量子尺寸效应。当粒子尺寸下降到某一值时，金属材料的费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，而半导体材料则能隙变宽，以及由此导致的不同于宏观物体的光、电和超导等性质。具体到不同的半导体材料，其量子尺寸是不同的，只有半导体材料的粒子尺寸小于量子尺寸，才能明显地观察到量子尺寸效应。

4.宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。

二、纳米晶材料的性能

半导体纳米材料的尺度是处于原子簇和宏观物体的交界区域，是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质，它有着不同于传统固体材料的性能，并且表现出奇异的力学、光学、电学、磁学、热学和表面活性等特性。

1.力学性能。由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在，使其杨氏模量减小了30%以上，此外，由于晶粒减小到纳米量级，使纳米材料的强度和硬度高于粗晶材料4-5倍。晶界对于物质的力学性能有着重大的影响，纳米晶材料的晶粒尺寸极小而均匀，且晶粒表面清洁对于力学性能的提高都是有利的，因此纳米晶材料的力学性能与大晶体材料相比有着许多优点。

2.光学性能。纳米材料与常规材料在结构上有很大差别，特别是在电子态、缺陷态和能级态结构方面，突出表现在小尺寸颗粒和庞大体积分数的界面，界面原子排列和键位的组态的无规则性较大，使纳米晶材料的光学性能出现一些与常规材料不同的新现象。

表面效应和量子效应对纳米材料的光学特性有着很大的影响，使其表现出优异的光学性质。纳米晶半导体随着颗粒粒径的减小，带隙随之增加，因而导致光吸收谱和发射谱的频移。

3.电学性能。由于纳米材料晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。Gleiter等人对纳米金属Cu、Pd、Fe块体的电阻与温度关系进行了系统的研究，结果表明纳米材料的电阻高于常规材料，电阻温度系数强烈依赖于晶粒尺寸，当颗粒小于某一临界尺寸（电子平均自由度）时，电阻温度系数可能由正变负，而且纳米材料的电学性能决定于其结构，如随着纳米碳管结构参数的不同，纳米碳管可以是金属性的、半导体性的。

4.磁学性能。当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要的影响。Herzer研究指出，当Fe基非晶薄带经适当退火处理具有纳米晶结构时，材料的各向异性和矫顽力明显下降而具有更为优异的软磁性能。纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子有关，与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的小尺寸效应。

5.热学性能。由于纳米材料界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，因此，纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。纳米金属或合金的比热比同类粗晶材料可高出10%～80%，而纳米微粒的熔点、晶化温度和开始烧结温度均比常规粉体低很多，这是因为颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远远小于大块材料，纳米粒子熔化时所需增加的内能小于大块材料，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

6.表面活性。随着纳米微粒粒径减小，比表面积增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等，使得纳米微粒具有高的表面活性，适于作催化剂和贮氢材料。

除了以上提到的性能，由于纳米晶的特殊结构，纳米晶材料的超塑性、表面活性、自扩散性等都与其多晶体材料有着很大的差异。

纳米晶材料所具有的优良性能使其展现出广阔的应用前景，尤其是聚合物纳米复合材料具备特殊的结构和优异的性能，它集两者优秀的综合性能和协同效应，并且一直是物理、化学、材料学科等科学领域密切关注的重要课题之一。随着技术进步及新工艺、新方法的不断研究开发，纳米复合材料必将进一步深入到人类社会的各个方面。

金属材料结构性能 篇4

介孔结构磷酸钛正极材料的制备及其电化学性能

利用溶胶凝胶模板法结合煅烧的`方法,通过外加和不加模板剂,分别制备出介孔结构和非介孔结构的磷酸钛正极材料,所得样品的结构和比表面积分别用X射线粉末衍射仪和低温N2吸脱附技术进行了表征,并对其电化学行为进行了研究.充放电测试结果表明,介孔结构的磷酸钛正极材料表现出优越的电化学性能,在500 mA/g充放电条件下,首次放电容量高达81.9 mAh/g,而非介孔结构的磷酸钛正极材料的首次放电容量仅为11.4 mAh/g.

作 者：王琼 WANG Qiong 作者单位：湖南科技学院,生命科学与化学工程系,湖南,永州,425100刊 名：化学研究 ISTIC英文刊名：CHEMICAL RESEARCH年，卷(期)：200920(4)分类号：O646关键词：介孔结构 磷酸钛 正极材料 电化学性能

金属材料机械性能基础知识 篇5

1)屈服点(σs)：

钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，此时应力不增加或开始有所下降，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点，

设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N(牛顿)/mm2，(MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2)

2)屈服强度(σ0.2)

有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。

3)抗拉强度(σb)

材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。

设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb= Pb/Fo (MPa)。

4)抗压强度(σlc)

材料试样受压力时，在压坏前所承受的最大应力。

5)抗弯强度(σcb)

材料试样受弯曲力时，在破坏前所承受的最大应力。

4)伸长率(δs)

材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。

5)屈强比(σs/σb)

钢材的屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。

6)硬度

硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

①布氏硬度(HB)

以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)，

②洛氏硬度(HR)

当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：

HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。

HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。

HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。

③维氏硬度(HV)

以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)

1.2 力学性能与可成形性及使用性能的关系

要使钢板获得所需的形状，必须使其永久变形，所采取的工艺可以是局部或整体弯曲、深冲、张拉或这些成型方法的组合。

(1)薄钢板的屈服强度表示出成形后的可成形性和强度，对普通碳素钢板的成形，屈服点值过高，常常有可能发生过大的回弹、成形时容易破断，磨具磨损快以及由于塑性不良而出现缺陷。然而材料的屈服点小于140Mpa时，又可能经受不住成形过程中施加的应力，对用于较复杂或复杂成形加工或冲压加工的钢板，通常要求具有比较低的屈服强度值，而且屈服比值愈小，由钢板的成形性能愈好。

(2)中厚板的冷态可成形性与材料的屈服强度和伸长率有直接关系。屈服强度值愈低，产生永久变形所需的应力愈小;伸长率值愈高，高的延展性可以允许承受大的变形量而不致断裂。

(3)对用于建筑结构、桥梁及机械结构件的钢板，为防止构件断裂，要求钢板材料具有特点的抗拉强度，而为防止构件变形，又要求钢板材料具有一定的屈服强度，因此对这类用途的钢材都要求规定抗拉强度、屈服强度的最小值或范围值。

数控机床的结构性能要求 篇6

JC35导读：机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。

经济型数控机床的机床本体由下列各部分组成：

（1）主传动系统，其功用是实现主运动。

（2）进给系统，其功用是实现进给运动。

（3）机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。

（4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。

（5）实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。

（6）刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）。

（7）自动托盘交换装置（APC）。

（8）特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。

其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似，但由于数控机床在功能和性能上的要求与传统机床存在着巨大的差距，所以数控机床的机床本体在总体布局、结构、性能上与传统机床有许多明显的差异，出现了许多适应数控机床功能特点的完全新颖的机械结构和部件。

经济型数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备。尽管数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，但仍然为机械制造厂家所普遍采用并取得很好的经济效益，其原因在于数控机床能自动化地，高精度、高质量、高效率地解决中、小批量的加工问题。数控技术、伺服驱动技术的发展及在机床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特性包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如各基础件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定连接面和运动啮合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起数控刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度和切削过程的特性，所以，提高机床的静刚度是机床结构设计的普遍要求。数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各种外力负载更加恶劣，而且加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿，所以，数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为了保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构应具有更高的静刚度，有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50％。

3D打印建筑结构材料的性能研究 篇7

3D打印技术自问世以来, 迅速改变了诸多行业的生产工艺, 达到了传统工艺难以实现的生产效果。在传统的生产制造领域, 产品成本很大程度上源于标准模具, 并通过标准化和规模化的生产来分摊。3D打印技术可使单一产品的成本与其生产数量无关, 并能进行产品的个性化和定制化生产, 从而达到先进的生产制造水平。目前, 3D打印技术的优势集中体现在工业设计领域, 3D打印机以粉末状塑料或金属为原料, 采用数字建模和逐层打印的方法, 满足各种常规或异形模型及原型的生产制造需求, 打印出实物模型。传统打印机完成的是二维平面打印, 而3D打印机完成的是三维立体打印, 打印出的是实物模型。

2014年3月, 10套3D打印简易房屋在中国上海青浦区张江高新区面世, 2015年1月, 3D打印两层别墅和6层住宅楼在中国江苏苏州工业园区面世, 在随后的时间里, 一些3D打印的建筑物相继出现, 世界其他国家的研究人员也相继发布计划使用3D打印技术进行房屋建造的消息, 在全球范围内中国的马义和首先尝试了在建筑领域使用3D打印技术[1]。随着3D打印简易房屋、别墅和住宅楼信息的发布, 3D打印建筑引发了社会各界的广泛热议和专业领域内的探究。

2 3D打印建筑的基本施工工艺

3D打印建筑技术是以信息集成技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式, 实现了制造从等材、减材到增材的重大转变。已有3D打印建筑建造的基本过程为, 工厂车间内3D打印机连续的打印出建筑物的墙体, 对部分体积过大的墙体进行切割作业, 分段运出车间。房屋的基础、梁、楼板和柱等使用传统工艺建造, 3D打印墙体运抵房屋建造施工现场后进行吊装, 并对打印出的墙体进行局部浇筑, 对各建筑构件进行焊接等作业, 完成房屋建造。总体分析, 现阶段的3D打印建筑是使用3D打印新型墙体材料和传统建筑构件建造的装配式建筑, 并且此类建筑中仅有墙体是3D打印机打印。

3 3D打印墙体的生产制造工艺与原材料

3D打印墙体的生产制造机械被称为“3D打印机”。如图1所示, 该打印机按照“行车”的原理制造, 用机械组件代替了传统行车的缆绳, 该组件集合了供料系统、传动系统和计算机系统, 可按照计算机的预设程序上下左右移动。在材料供应稳定的条件下, 整套机械的运行仅需1名操作手进行开机和关机作业。整套机械犹如一个放大数10倍的喷墨打印机, 在三维空间内按预设的轨迹完成机械“送出物”的层层堆叠, 形成结构物, 因此, 将该套机械称为3D打印机。

无论是平面打印机还是3D打印机, 其主要功能在于将机械送出物在平面或空间内进行布置, 并利用送出物的性质, 得到预期的结构物。如果平面打印机的送出物被称为墨, 那么不妨将墙体3D打印机的送出物也称为“墨”。

墙体3D打印机的墨主要由水泥、砂子、玻璃纤维、水和钢筋等组成, 其中不存在传统意义上的粗骨料, 类似于传统的砂浆材料。玻璃纤维主要是短玻璃纤维, 其作用原理相当于加筋原理。如图2所示, 墙体3D打印机的墨像是被挤出的牙膏。为了能使墨快速形成强度, 并在连续堆叠的情况下控制水泥和沙子混合物的塌落度, 短玻璃纤维可使混合物的黏稠度提高, 有效控制混合物的物理状态, 类似于速凝剂、增稠剂等外加剂也应该是必须的。根据实物测算, 3D打印出的墨在塌落结束并形成强度后, 平均宽度为30mm, 平均厚度为18mm。

水泥与玻璃纤维混合使用的原理符合玻璃纤维增强水泥 (GRC) 制品的生产制造原理。考虑到硅酸盐水泥中熟料矿物中的C3S (即3Ca O·Si O2) 、f-Ca O水化时析出的Ca (OH) 2与玻璃纤维中Si O2发生反应, 破坏了纤维的硅氧骨架, 使玻璃纤维变细变脆, 逐渐失去强度, 影响了此类产品的寿命。为提高此类制品的耐久性, 还需要采取两项措施: (1) 从玻璃纤维方面着手, 改变玻璃纤维成分, 提高其抗碱侵蚀的性能, 或在玻璃纤维表面覆盖涂层, 使玻璃纤维与Ca (OH) 2隔离; (2) 采用碱度较低的水泥, 如使用硫酸盐水泥代替硅酸盐水泥[2]。在实际生产过程中耐碱玻璃纤维被应用。

传统房屋墙体的基本功能对用于生产墙体的3D打印生产工艺与原料提出了极高的要求, 计算机系统控制下的供料系统和传动系统可以有效地保证3D打印墙体用料的标准, 并实现了无人化的操作。由此分析, 墙体3D打印有着严格用料、节省人工、尺寸准确等优势, 同时鉴于3D打印墙体无需传统模板, 可有效控制建筑材料的浪费, 提高建筑的装配率, 因此墙体3D打印又具备了先进制造的特征。

4 3D打印墙体的性能优势与提升空间

墙体是房屋的重要组成部分, 必须满足结构、保温与节能、抗震、隔音等方面的要求。如果3D打印墙体以实际应用为目标, 那么此类墙体必须满足上述基本要求。如图3、图4和图5所示, 同济大学材料科学与工程学院对3D打印梁、柱和墙体进行了测试, 并于2014年12月14日出具的《3D打印建筑结构材料性能测试总结报告》[3]显示, 3D打印材料强度等级相当于C20, 早期强度较高, 后期强度增长乏力, 在标准养护条件下28d后强度基本不增长;打印的方向不影响打印材料的抗压强度;在长径比搭配合理的纤维材料作用下, 打印材料的抗折、劈拉强度和轴心抗压强度均比较优秀, 达到高等级水平;打印材料的静弹性模量值为1.5×104MPa, 与28d龄期抗压强度相似的砂浆相比, 其弹性模量为砂浆的50%;打印材料的吸水率为3.7%, 远低于一般的水泥基材料, 据分析打印材料的配方中含有增稠剂, 增强了打印材料空隙的封闭性, 在常压条件下水分不易进入内部, 因此打印材料吸水率偏低;打印材料与C20等级的普通混凝土的耐久性能基本持平, 抗渗标号P6, 抗冻标号D150;打印材料不能抵抗氯离子的渗入, 其抗氯离子渗透值达到2000C以上, 远低于耐久性混凝土;打印材料60d碳化数据大于8mm, 按照结构材料的使用寿命要求, 该指标偏大, 与配方中的原材料组成有关, 若考虑仅仅是C20等级的材料, 该指标可以接受。

3D打印梁抗弯抗剪性能试验结果显示, 3D打印梁的抗弯、抗剪破坏模式与现浇混凝土梁相同;3D打印梁的抗弯承载力、抗剪承载力均高于整浇梁;对于挠度, 现有挠度计算公式对3D打印梁挠度估算误差较大;3D打印梁表面的裂缝会沿着模板薄弱截面发展;内部混凝土的裂缝数量少于模板表面的裂缝数量。

3D打印柱偏压试验结果显示, 3D打印柱在小偏心和大偏心受压时, 均是模板先破坏;3D打印柱在偏压作用下的承载力比相同偏心距下的普通钢筋混凝土柱降低10%~20%, 原因可能是3D打印柱的施工接缝降低了试件整体性, 同时3D打印模板不能有效约束内部混凝土的变形。

3D打印剪力墙抗剪承载力试验结果:高度比较大的高剪力墙易发生弯曲破坏;高度比较小的低剪力墙易发生剪切破坏;3D打印墙体由于特殊结构形式, 相较于等截面的混凝土剪力墙, 其开裂时间明显滞后, 开裂荷载更高;等截面的3D剪力墙构件和整浇混凝土剪力墙承载力极限值比较接近。

根据上述试验数据分析, 结合房屋建造对结构材料技术指标的要求, 3D打印梁、柱和墙暂不适宜作为房屋结构材料被使用。根据墙体的受力特点, 房屋墙体可划分为承重墙、自承重墙、围护墙和隔墙。考虑到3D打印材料形成强度后的尺寸, 以及房屋建造对得房率的要求, 3D打印墙体不适宜作为隔墙被使用。根据3D打印墙体现有的技术指标, 同时考虑3D打印建筑技术优势, 其作为围护墙被应用于房屋建筑中是一个发展方向。由于在已有的试验数据中未曾体现3D打印材料的耐火性、抗震性等重要技术指标, 因此3D打印墙体在房屋建造中的最终应用有待论证。

5结语

新一轮科技革命和产业变革正在世界范围内孕育兴起, 各国纷纷抢占未来产业制高点, 发达国家加紧实施“再工业化”, 我国产业转型、提质增效迫在眉睫。《中国制造2025》是中国版的“工业4.0”规划。《中国制造2025》围绕创新驱动、智能转型、绿色发展, 将在国际合作中进一步提升中国制造业水平。以信息技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式, 正在引发整个制造业的深刻变革。3D打印是制造业有代表性的颠覆性技术, 实现了制造从等材、减材到增材的重大转变, 改变了传统制造的理念和模式, 具有重大价值。

3D打印建筑技术的发展现状表明, 此项技术实现了在建筑材料研究中的突破, 做到了在世界范围内的首创, 以实例验证了技术的价值和可行性, 需要给予高度的肯定。从理论研究到应用研究还需要做大量的工作, 其中, 包括材料综合性能的改进、技术产品化和实际应用价值的全面论证、完整技术体系的建立、产品检测与标准建立的推动等。3D打印建筑技术的研究成果已为此项技术的发展打下了一个良好的开局, 科技的发展、生产的需求等因素在为此项技术提出严格要求的同时, 也正为其发展营造一个更适宜的环境。

摘要：3D打印技术引领了诸多行业生产工艺的变革, 研究人员对在房屋建造中使用3D打印技术取得了显著的成绩。对3D打印建筑技术发展现状的研究表明, 此项技术代表了行业的发展方向, 但现有的技术仍需提升, 并进一步加强对实际应用的论证。

关键词：3D打印建筑,原材料,试验,墙体

参考文献

[1]蒋萌, 李云辉, 苏达.3D打印建筑---建筑业的一场革命[J].工程建设与设计, 2015, 331 (11) :32-37.

[2]许红升, 杨小平, 苏素芹, 等.碱性环境条件下玻璃纤维的侵蚀性研究[J].腐蚀与防护, 2006, 27 (3) :130-135.

丽赛纤维结构和性能初步研究 篇8

关键词:丽赛纤维结构性能

中图分类号:TS102文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0002-02

前言

丽赛纤维(Richel)即Polynosic(波里诺西克)纖维,又称虎木棉,富强纤维,是一种新型的高湿模量纤维。最早问世于1959年,到六十年代,发展达到鼎盛时期,当时仅日本就有东洋纺织、富士纺织、帝人、钟纺等九家知名企业竞相生产这种纤维。但随后而来的尼龙、腈纶、涤纶的大规模工业化生产,使合成纤维主导了纺织业。到了九十年代,世界上制造Polynosic纤维的企业只剩下了日本东洋纺和富士纺两家。但当世界上发达国家纷纷退出纤维素纤维生产领域的同时,合成纤维的迅猛发展也遭到了能源紧张及资源过度开发的压力,加之人们生活水平的提高和环保意识的增强,人们对服装面料的要求也越来越高,趋向于舒适性,美观性和绿色环保性。因此,纤维素纤维、新型再生纤维素纤维重新受到人们的关注,棉毛丝麻开始重新走入人们的生活,天丝,莫代尔,竹纤维,大豆蛋白纤维、丽赛纤维等新型纤维也重新进入人们的视线。其中丽赛纤维因其各方面优异的性能在生产中开始有大量的应用。

丽赛纤维是黏胶纤维的一种。但它既有传统黏胶纤维较好的服用性能,又具有优异的湿态强力,湿态初始模量约为38.5cn/dtex,高于天丝和莫代尔,故称其为高湿模量纤维。它具有良好的耐碱性,可以进行丝光处理。此外它的结构、性能与Tencel(Lyocell)纤维比较接近,但在价格、加工工艺等方面却有明显的优势。用Richcel制成的织物尺寸稳定性较好,收缩率较小,较耐洗、耐穿;色泽鲜艳,悬垂性好;并且由于Richcel纤维的耐碱性好,与棉混纺织物可进行丝光处理,所以织物手感与光泽得到了改善。鉴于上述丽赛纤维、织物的优点,有必要对纤维的结构性能有进一步的认识,以便更好的指导生产,开发新产品。

本文实验所用Richce纤维是由丹东东洋特种纤维有限公司出品,上海中纶纺织科技发展有限公司运营的。它的生产采用了日本东洋纺专有技术及原料体系,原料源于日本进口的天然针叶树精制木浆,资源可再生,废弃物可自然降解,安全环保。

1 丽赛纤维的结构特征

纤维结构是纤维固有的特征,是纤维的本质属性。不同的纤维有其不同的物理、化学性质,其又决定着纤维各自的使用特性,而产生和保持这种特性的根本原因在于纤维自身的结构。所以对一种新纤维进行研究,首先就应从了解纤维结构开始。通过对纤维结构的测试,从本质上认识这种纤维材料,进而将其结构特征与其物化性能联系起来,开发出最适合此类材料的产品。

1.1 纤维的微观结构

1.1.1 原纤化

丽赛纤维的原纤化等级为3,仅次于天丝的4级,高于棉的2级,莫代尔的1级,使其原纤化成为该纤维的一个突出特点。由于原纤化的存在,使某些纺织品风格更加独特,手感细腻柔软,亲肤性强,穿着舒适,受到人们的青睐。但也有些织物的风格要求表面光洁明亮,仿丝感强,因此也需要在染整过程中进行整理,防止原纤化。

1.1.2 取向度

丽赛纤维的取向度为80%～90%,高于普通黏胶(70%～80%),使得它的断裂强度高,断裂伸长小。

1.1.3 结晶度

丽赛纤维的结晶度为45%～50%,较天丝(40%),普通黏胶(25%)高,但低于棉。结晶度越小,吸湿性越好,再加上晶粒较大,因此丽赛纤维的吸水率较高,上染率高于棉,与棉混纺的织物要注意混纺的纱线的均匀性,染色的一致性。

1.1.4 聚合度

丽赛纤维的聚合度为450～550,高于普通黏胶(250～300),与天丝相当(500～550)。在一般情况下,随着聚合度的提高,纤维具有如下性能:①纤维取向度、结晶度提高。②纤维具有高强低伸性质。③纤维耐碱性提高。④纺织品加工的适应性,织物尺寸稳定性,耐洗性也相应提高,作为服装面料也扩大了适应性。

丽赛纤维恰恰具有了上述特性。

1.1.5 膨润度

丽赛纤维的水膨润度为60%,低于天丝(67%),莫代尔(78%),普通黏胶(90%),高于棉(45%),因此湿态时尺寸保持性好,缩水率低。

1.2 纤维形态结构

黏胶纤维由于纺丝凝固条件的影响,一般表皮层(简称表层)和内芯层(简称芯层)的结构有相当区别。表层大分子的取向度较高,结晶区颗粒小,结晶度较低;芯层大分子取向度较低,结晶颗粒较大,结晶度较高。黏胶纤维中有一些品种,利用特殊的纺丝工艺条件,可以使纤维截面中皮层很厚,芯层很薄,甚至几乎没有芯层,全是皮层。这些品种的黏胶纤维弹性好、强度高,耐疲劳性好。也可制的几乎没有皮层结构,只有芯层结构的黏胶纤维,高湿模量纤维接近这一类,丽赛纤维即是全芯结构[1]。

1.2.1 纤维横截面形态

实验方法:纺织材料切片实验。

实验仪器:Ｙ172型纤维切断器及生物显微镜。

实验结果:丽赛纤维截面图与其他几种纤维素纤维比较如图1。

实验表明丽赛纤维的横截面为光滑的圆形全芯结构,和天丝相似,不同于普通粘胶的锯齿型皮芯结构。独特的结构使丽赛纤维表面光泽好,织成的面料极富弹性,悬垂性好,手感柔软滑爽。

1.2.2 纤维的长度与细度

纤维的长度与细度是评定纤维可纺性能的首要条件,若纤维的细度和长度无法达到所要求的标准,其他的物理化学性质再好也无法满足纺织加工的需要。它们不仅影响着织物和纱线的品质,而且也是决定采用何种纺纱加工工艺和如何选择工艺参数的重要因素。

就细度而言,在其他条件不变时,纤维越细,纺出的成纱强度越高。当成纱强度要求一定时,选用较细的纤维纺出的纱线也越细。这是因为,细纤维在成纱截面内所含的纤维根数多,纤维之间的接触面积大,摩擦力大,纤维之间滑脱几率小,因而使得成纱的强度提高。纤维细度对成纱条干不匀率也有显著影响,纤维越细,成纱的条干越好,条干不匀率越低[1]。

单对长度来说,在纱线结构中纤维长度越大,纤维与纤维之间接触长度越大,纤维之间的摩擦力越大,纤维之间滑移小。在这种情况下造成纱线断裂的原因以纤维断裂为主,纤维之间的滑脱次之。根据这一原理,我们可以判断不同条件下纱线不同的断裂机理。当纤维长度较短时,纤维的长度将成为影响纤维成纱质量的主要因素。当纤维长度达到一定数值时,长度对成纱强度的影响相对变小。通常情况下,在保证纱线具有一定强度的前提下,纤维愈长,纺出的纱线的极限细度愈细,长度愈短纺出纱的细度愈粗。在应用中我们对纤维长度的要求不能简单地一概而论,应根据实际需要去选择。

1.2.2.1 纤维长度测试

用中段切断称重法测定等长切断化纤的长度[2].实验仪器为Y171型纤维切断器(10mm)和扭力天平(25mg),利用纤维切断器切取一端排列整齐纤维束的中段称取中段和两段重量,利用公式Lm=W0/(2Ws/(Ls+Lss)+Wc/Lc)求出平均长度Lm为38mm。

W0--纤维总重量;Wc—中断纤维重量;Ws—短纤维重量;

LC--中段纤维长度;LSS--最短纤维长度;Ls--短纤维界限。

实验结果表明此纤维属于棉型短纤维.化纤短纤维的长度和细度一般可分为棉型、毛型和中长型。棉型化纤较细(线密度1.3～1.7dtex),类似棉花,主要用于棉混纺,或纯纺,长度较与之混纺的棉纤维略长。化纤较长时,可以改善成纱条干,并提高纱布强度。

1.2.2.2 纤维细度测试

利用中段称重法测量纤维细度[2],实验仪器为Y171型纤维切断器(10mm)和扭力天平(25mg),利用纤维切断器切取10mm长的纤维,经称重,计数根数。根据定重制细度定义求出公制支数Ｎm=10n/Gf(ｎ－纤维根数,Ｇf－棉束中段重量),再转换单位,求得細度为1.56dtex。此纤维属棉型化纤,较细。

1.2.3 卷曲性测定

纤维卷曲是纺织纤维不可缺少的性质之一。纤维的卷曲可以使短纤维在纺纱时增加纤维之间的摩擦力和抱合力,提高纤维的可纺性能。同时增加纤维的卷曲还可改善纤维弹性和纤维集合体的蓬松性,使织物柔软丰满,具有良好的抗皱性与保暖性,对改善纤维和织物光泽都有一定的作用。所以要评价一种纤维的综合性能,纤维的卷曲性能是必不可少的。

本文采用YG361卷曲弹性仪对丽赛纤维的卷曲性能进行了测定,测试结果表示:一般对化学纤维的卷曲数要求在12～14个/25cm,卷曲率在10%～15%左右,卷曲弹性回复率在70%～80%左右为宜[2]。从丽赛纤维卷曲性能测试的结果中我们可以了解到:丽赛纤维的卷曲率、卷曲恢复率、残留卷曲率及卷曲数均较好,可以作为优秀的针织和机织面料。当丽赛用于生产针织产品时,由于短纤卷曲度较好,纤维中存留静态空气较多,所以具有较好的保暖性;与弹力丝混纺制成的弹力布,不但具有良好的弹性,而且还兼有丽赛纤维本身所具有的系列优良性能。

2 纤维机械性能

2.1 实验方法及数据

实验仪器为YG001型电子式单纤维强力仪,此仪器可做纤维一次拉伸实验和定伸长下负荷拉伸实验。本次应用的是一次拉伸实验,试样长度为10.00mm,采用定速拉伸,拉伸速度为5.00mm/min,测量次数为30次。

2.2 结果分析

由图2可看出,丽赛的干强度高于棉、普通粘胶、莫代尔,仅次于天丝,湿强较高,湿干强比高于莫代尔,仅次于天丝、棉,克服了粘胶湿强小的缺点,扩大了其应用范围。丽赛的干态初始模量为39.1cn/dtex,湿态初始模量为38.5cn/dtex,高于天丝和莫代尔,故又称其为高湿模量纤维。纤维初始模量大,其织物的尺寸稳定性好,挺括,不易起皱。另外其纤维断裂伸长小。

3 吸湿性能

3.1 回潮率测定

纺织材料的吸湿或放湿是一种普通的自然现象,同时又是一个动态平衡过程。纺织材料的吸湿或放湿不仅会引起材料本身的重量变化,而且会引起一系列的性质变化,这对商品贸易、重量控制、性能测定以及生产加工等都会有影响。大多数纺织纤维吸湿后有明显的横向膨胀、刚性降低,断裂伸长增加,强度、摩擦、导电性等都会有变化,这些性质变化对纺织加工工艺及成品质量会造成不同程度的影响。因此测定纤维的吸湿非常重要。纺织材料的吸湿量指标通常用回潮率和含水率表示。

本实验用烘箱法(Ｙ802型烘箱)测得的纤维回潮率为13%,与普通粘胶相等,高于天丝(11.9%)和天然纤维。由于纤维的吸湿性好,在纺纱过程中有效的遏制了静电现象的发生,保证了纤维纺纱过程的顺利进行,因此可纺性较好。另外织物吸湿性好,穿着舒适,不易起静电,美观干净。

4 纤维的电学性能

4.1 纤维比电阻测定

天然纤维一般易于吸湿,回潮率较高,比电阻较低。天然纤维在加工过程中因摩擦而产生静电,由于纤维比电阻低,所以静电可以及时消除。合成纤维一般吸湿性差,回潮率低,比电阻较高。未上油的化学纤维在加工过程中静电容易积聚,必须给以一定油剂。测量化学纤维的比电阻是预测纤维可纺性的重要方法。为了使化学纤维顺利纺纱,其质量比电阻一般控制在109Ω·g/cm2以内。本实验采用YG321型纤维比电阻实验仪测得的纤维平均电阻Ｒ＝1.3×107Ω,根据公式ρm＝Ｒ×ｍ／l2求得的质量比电阻为5.0×107Ω。结果表明丽赛纤维属于纤维素纤维,吸湿性较好,因此其质量比电阻较小,与黏胶纤维相当,在纺纱中不易产生大量静电,可纺性较好。

Richcel纤维具有高强度、高湿模量、高聚合度和适当的伸度,湿干强度比佳,吸湿性好,在性能上与Tencel纤维接近,而明显优于Modal纤维;它的耐碱性好,与棉混纺织物还可进行丝光处理,改善织物手感与光泽。在实际应用中,可用于生产针织产品,具有良好的保暖性,同时作为一种绿色环保纤维,丽赛纤维与人体皮肤具有良好的亲和性,而且十分柔软,许多舒适性指标都接近于羊绒,被业界称之为“植物羊绒”。它的初始模量较大,回弹性好,利用这一性能,可制成蓬松度较好,手感丰满的仿毛类毛衫织物。由于其吸湿性较好,织成的织物具有良好的导湿透气性,同时因为纤维对人体皮肤无刺激性,且柔软滑糯,是生产T恤面料的理想选择。当用于机织面料时,制成的衬衫面料形态尺寸稳定性好,挺括有骨感,且手感滑糯。作为一种纤维素纤维,丽赛纤维染色鲜艳,富有光泽,且织物成形性好,因而可被广泛用于制作女装面料。此外还可直接将该纤维用来生产毛巾产品,而不需像棉那样先要对棉纤维进行丝光处理以除掉纤维上的蜡质,然后再用来生产成品。

综上所述,无论从原料来源,还是纤维的各项性能来看,由丽赛纤维制成的产品代表着未来纺织品的发展方向,具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]姚穆等.纺织材料学.北京:中国纺织出版社,1990.

[2]赵书经.纺织材料实验教程.北京:中国纺织出版社,1989.

[3]张玉莲.绿色纤维.北京:中国纺织出版社,2001.