美國研究人員發現高性能纖維的失效機理

內布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了PPTA(芳綸)和UHMWPE纖維(高分子量聚乙烯纖維)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，造成了吸收能的增加，而這種納米橋接大小與多少直接決定了纖維的失效與否。研究者認為未來的研究重點是了解負載是如何跨越這些不同尺度進行轉移的。

對UHMWPE纖維在三種不同尺度下的分離能進行分析后，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，研究者認為正是由于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了決定性作用。這一研究不僅解釋了纖維的失效機理，還為多尺度纖維模型的建立、高性能纖維的失效分析提供了實驗支持，為開發高性能纖維提供了可能性。(高分子科學前沿)