高速攝影技術在高強低伸纖維拉伸過程中的應用研究

文/孫宇 李一平

1 高強低伸纖維在拉伸試驗中影響精確度的因素

高強低伸纖維由于具有高比強、高性能等特點，在現代社會得到廣泛的應用[1-3]。具有代表性的有碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和芳綸纖維等等。在這些纖維的力學指標中，伸長率和模量是對其評價的重要內容。但這些纖維在拉伸測試過程中，都會遇到一個共同的問題，使得測試結果發生或大或小的偏差。這個問題就是纖維單絲本身的高強低伸，使得誤差在結果中占的比例偏大。

以碳纖維為例，一般的市售碳纖維單絲的直徑約5μm～8μm，且具有高度脆性。伸長率在0.5%～2.0%之間[4]，由于測試系統的靈敏度和測試纖維的強度是一個存在矛盾的對象。高靈敏的測試系統很難兼顧高強度的測試，就好比電子天平。靈敏度越高的天平，所測試的重量就越輕。不可能用高靈敏度的天平稱量幾噸重的物品。目前盡量使用高靈敏度的儀器，但是當測試的纖維力學范圍超過這個靈敏度所能支持的范圍，纖維的伸長率和模量指標就會發生偏差，而有些測試系統為了彌補這些偏差，有些會利用數學模型進行修正。但始終還是無法克服靈敏度和測量強度這對矛盾因素。

在纖維進行拉伸試驗的過程中，纖維從固定端的滑移和抽拔同樣難以完全避免，有些非常微小的滑移或抽拔現象即使發生，試驗者也很難觀察出來，從而加大了誤差在測試結果中的比例。

2 高速攝影技術的應用

高速攝影技術是以高頻記錄高速運動過程的一種方法， 將獲得的信息以一幀幀圖片記錄， 在指定的軟件上慢速放映， 實現被記錄運動對象的慢速回放過程。高速攝像可以實現短時間內對高速目標運動過程的采集， 采集完的片段以較慢的速度放映， 所記錄的目標運動過程可以被緩慢、清晰地呈現出來[5]。利用高速攝影技術，我們在纖維單絲拉伸的過程中，在纖維本身上做好記號標記。然后纖維的伸長率和模量的計算不從儀器上讀取，而是通過對拉伸過程的慢鏡頭回放獲得。通過這樣的過程可以非常精確地觀察纖維從拉伸到受力，到逐漸拉長變細，最后斷裂的每一個狀態。由于畫面回放可以反復觀察，可以有效剔除拉伸過程的偏離情況，例如纖維從夾頭的滑移、抽拔等情況。從根本上解決了高強低伸纖維在拉伸試驗中待解決的問題。

3 高強低伸纖維單絲強伸試驗

3.1 試驗樣品

本文選取了4種高強低伸的纖維：碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和芳綸。這些纖維用途廣泛，具有研究價值。這些纖維的基本參數和生產廠家如表1所示。

表1 4種測試纖維的基本參數和生產廠家

3.2 儀器與設備

OLYMPUS BX51型顯微鏡，上海新纖儀器有限公司的XQ-1A型單纖維拉伸試驗機。

高速攝影機 JVC :GC-P100AC 1000幀/秒。

3.3 高速攝影機的拍攝和畫面計算

當纖維固定在拉伸試驗機上，準備開始拉伸試驗時，在待測纖維上，用對比色漆記號筆進行記號標記。啟動高速攝影機，拍攝從儀器啟動到纖維拉斷的全過程。然后對拍攝畫面進行慢放分析，準確判斷纖維斷裂的畫面。利用畫面分析軟件計算纖維的伸長率和模量。

3.4 試驗參數方案

試驗參數按照以下內容進行設置：

（1）夾持隔距為2 0 m m；（2）拉伸速度在2mm·min-1；（3）固定纖維用的紙卡為斷裂強度在259.54N左右的中厚硬型紙卡；（4）粘著固定纖維用的膠水為環氧樹脂類膠水；（5）每種纖維有效拉伸超過50根。

4 結果與分析

高速攝影機的影像可以反復回放并截取圖片。但由于單纖維非常細，需要對畫面進行一定的處理，方便觀察。由于纖維的斷裂伸長的計算是直接從纖維自身的標記計算的。固定纖維處的滑移和抽拔問題就可以完全排除在外。圖1～圖3是玄武巖纖維在拉伸前、拉伸后未斷裂前和纖維斷裂時的圖片。

圖1 玄武巖纖維固定在上下夾頭后，伸直而未伸長時的截圖

圖2 玄武巖纖維在拉伸后，未斷裂前的截圖

圖3 玄武巖纖維剛剛被拉斷時的截圖

根據高速攝影機的畫面回放，對纖維上記號的移動距離利用畫面播放軟件進行測量和計算。將測試儀器顯示的數據和高速攝影回放得到的數據進行對比，結果見表2。

表2 4種不同纖維通過測試儀器和高速攝影技術測得的伸長率和模量結果對比

從表2對比的結果可知，通過高速攝影技術得出的纖維伸長率和模量結果比用測試儀器測試得出的結果更加接近標稱值。這一結論能夠說明利用高速攝影技術得到纖維伸長率和模量的方法比用儀器直接測量得更為準確。拉伸玻璃纖維所產生的系統誤差是最大的，其次是芳綸纖維，再次是玄武巖纖維，最后是碳纖維。

高速攝影技術的應用，有效解決了高強低伸纖維單絲力學性能測試中，儀器靈敏度和測量強度的矛盾。使得測試結果更加準確。

5 需要注意的問題

在使用高速攝影技術的過程中，有如下幾個問題需要注意：

1）選用的畫面播放軟件必須是和該攝影機相匹配的原版軟件。避免由于播放軟件的兼容性出現時間上和畫面距離上的差異。

2）在判斷纖維斷裂的時間點上，要以纖維斷裂的第一幀畫面作為斷裂的時間點。這需要試驗人員耐心的仔細的反復觀察。

3）纖維的伸長計算用畫面軟件點對點直接測量更為準確。不要使用時間乘以夾頭移動速度的方式計算，避免產生誤差。