動態力學載荷對超細鍍金鉬絲力學與電學性能的影響

李建娜，陳 璽，邵慧奇,3，邵光偉,3，蔣金華,3，陳南梁,3

(1.東華大學 產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620；2.東華大學 紡織學院，上海 201620；3.東華大學 紡織科技創新中心，上海 201620)

極細金屬絲紗線具有良好的韌性、彈性和優異的電磁性能[1-2]，在航天領域和日常生活中應用廣泛，并且由于其環保和可重復使用性，一直是紡織工程領域的科研熱點。其中，鍍金鉬絲紗線具有優良且穩定的電導率及電磁性能，被廣泛作為可展開天線反射面金屬網的編織原料，參與后續織造工藝。

經編工藝是用金屬絲制備編織物的重要編織工藝之一。金屬絲在經編編織過程中要經多個金屬編織部件及非金屬導紗部件表面且編織過程包含多種拉伸、彎曲和摩擦作用力[3]。金屬絲紗線耐受編織部件循環彎曲和往復摩擦作用的能力是影響其可編織性能的重要因素；而耐彎曲和摩擦性能大都取決于紗線本身材料特性和紗線結構設計，通過控制紗線結構參數和部件編織參數[4]，可實現對紗線可編織性的綜合控制。因此研究紗線的循環彎曲和往復摩擦穩定性是紗線可編織性的關鍵內容。

在紗線織造過程中，其能否在織機上順利編織是一個關鍵問題，因此有必要在上機前對紗線的可編織性進行評估。然而，在紗線可編織性評估方面，既無統一的評價標準，也無具體的指標范圍[5]，有必要對其進行深入研究，拓寬紗線可編織性數據庫。目前對紗線在織造過程中力學穩定性的系統性和關鍵性研究較少，大量研究人員是對紗線的靜態力學性能進行過較為深入的研究。Iqbal等[6]研究了 5種傳統紗線在針織加工中的力學變化和表面損傷。陳南梁等[7-8]對高性能紗線的可編織性進行了較全面的探究，基于紗線的結構，為每種紗線設計了特定的編織方式，并提出了可編織性的表征方式[9]。徐海燕等[10]測試了鍍金鉬絲紗線靜態彎曲性能，并得出紗線的彎曲剛度與單絲的線密度成正比的結論。目前的工作大都集中于編織過程中靜態力學性能的研究，為更全面地分析紗線的可編織性，需要探究紗線在彎曲循環過程中的剛度演變以及往復摩擦對表觀形態、力學性能和電學性能影響。

本文根據針織編織過程中對鍍金鉬絲的要求，設計循環彎曲測試與往復摩擦測試，綜合實驗數據和理論分析，研究鍍金鉬絲紗線在彎曲循環和摩擦往復加載過程中的力學和電學損傷機制，探究紗線結構-循環載荷-紗線性能的關系。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

圖1示出3種鍍金鉬絲紗線結構示意圖。單絲直徑為28 μm，其中鍍金層厚度為1 μm，雙股和三股紗線由相應數量的單絲通過TU-4型并線機(常州凡微電工科技有限公司)絞合而成。基于之前對絞紗可編織性的研究[11]，本文選用絞距為4.5 mm的雙股和三股紗線。紗線由成都虹波實業股份有限公司提供。

圖1 3種鍍金鉬絲紗線結構示意圖

1.2 循環彎曲測試

參照YB/T 5349—2014《金屬材料 彎曲力學性能試驗方法》，在E42.503型萬能材料試驗機(美國美特斯工業有限公司)上對鍍金鉬絲進行循環三點彎曲測試，如圖2所示。

圖2 循環彎曲測試示意圖

設定恒定加載速度V為1 mm/s，2支承輥的間隔設為18 mm，用應變控制方法對鍍金鉬絲紗線施加50個循環彎曲載荷，應用規律交變位移(位移振幅為0～±3 mm)完成彎曲循環實驗。為評估鍍金鉬絲在循環彎曲過程中的受損情況，采用能量分析法進行研究。假設循環彎曲實驗過程中，紗線與外界無熱量交換，按照能量守恒定律，紗線的能量之間的關系[12]為

U=Ue+Ud

(1)

式中：U為總應變能，mJ；Ue為彈性應變能，mJ；Ud為耗散能，mJ。

紗線在每次循環彎曲載荷中的剛度降低和不可逆結構響應特性用能量耗散率u來定義：

(2)

1.3 往復摩擦測試

考慮到紗線的具體編織工況，為對上機過程中紗線的摩擦情況進行盡量準確的模擬，獲得紗線在織造過程中的摩擦穩定性，專門設計了一款摩擦設備，如圖3所示。其中摩擦測試工作段舌針直徑為1.74 mm。在往復摩擦測試過程中，電動機加載轉速設為50 r/min，試樣張力設為5 cN，摩擦測試往復次數設為200。

圖3 往復摩擦加載設備示意圖

1.4 力學性能測試

參照ASTM D2256—2002《使用單鏈法測定紗線拉伸性能的標準試驗方法》，采用萬能材料試驗機測試鍍金鉬絲紗線摩擦前后的拉伸力學性能。拉伸速率為50 mm/min，初始隔距為250 mm。每種試樣測試5次，剔除異常值，求取平均值，并計算標準差。

對彎曲循環前后的鍍金鉬絲紗線進行了彎曲剛度計算，見下式：

(3)

式中：B為彎曲剛度，cN·mm2；w為彎曲撓度，mm；F為彎曲撓度為3 mm處的彎曲載荷力，cN；n為試樣中的金屬絲根數；L為2個支承輥間的跨距，mm。

鍍金鉬絲循環彎曲后的彎曲剛度損耗率[13]計算公式見下式：

(4)

式中：η為循環彎曲后的彎曲剛度損耗率，%；B0與Bc分別對應第1個彎曲周期與第50個彎曲周期內的彎曲剛度，cN·mm2。

1.5 外觀形貌觀察

為對比鍍金鉬絲在承受往復摩擦載荷前后的形貌特點，采用SAPO型體視顯微鏡(新加坡徠卡微系統公司)觀察宏觀形貌，用Hitachi SU8000型場發射掃描電鏡(日本日立有限公司)觀察微觀形貌，并對金屬絲的表面的元素進行定量和定性分析。

1.6 接觸電阻測試

圖4示出接觸電阻測試設備示意圖。使用絕緣塑料板(10 cm ×10 cm)作為測試基底，將未摩擦的單股鍍金鉬絲作為標定金屬絲，選取摩擦前后的單股、雙股和三股鍍金鉬絲作為待測金屬絲，將標定金屬絲和待測金屬絲交叉固定于測試基底上，并在上方輔以50 cN的壓力，確保兩金屬絲在接觸點處接觸良好，借助導電銀漿將兩金屬絲與34460A數字萬用表(馬來西亞是德科技公司)的紅黑表筆連接，測試金屬絲的接觸電阻。每種規格的金屬絲測量10次，取平均值。值得注意的是，在測試摩擦后鍍金鉬絲的接觸電阻時，應將摩擦區域的紗線與標定金屬絲接觸。

圖4 接觸電阻測試設備示意圖

2 結果與討論

2.1 循環彎曲性能分析

圖5 循環彎曲加載分析

2.1.1 彎曲剛度損耗率分析

鍍金鉬絲紗線彎曲循環過程中的F-w曲線與彎曲剛度損耗率曲線如圖6、7所示。鍍金鉬絲紗線在循環彎曲加載作用下，每個循環周期內的彎曲曲線顯示為閉合環，即彎曲滯后圈，因此該紗線表現為彈塑性。由滯后圈可知，鍍金鉬絲紗線在三點彎曲循環載荷下發生不可逆的結構響應，這是由其加捻結構和本身物理性質所決定的。根據實驗結果，分析鍍金鉬絲紗線在循環加載過程中的力學響應和結構響應行為，將循環彎曲加載中的紗線結構響應分為2個步驟：在加載初期，鍍金鉬絲紗線整體性良好，有效利用單絲間摩擦力矩，并且紗線發生彈性變形；由于彎曲點處的應力集中，紗線出現塑性變形以及結構的調整，導致紗線彎曲剛度下降。

圖6 鍍金鉬絲紗線循環彎曲載荷-彎曲撓度曲線

一般來說，材料的抗彎曲疲勞性能與曲線重合度成正比[14]。測試結果表明，雖然3種鍍金鉬絲的彎曲曲線在50個循環周期內大致重合，但是彎曲循環后鍍金鉬絲的彎曲剛度略有損耗，單股、雙股和三股金屬絲的彎曲剛度損耗率分別為4.05%、7.12%、6.00%(見圖7)。雙股金屬絲的損耗率大于單股和三股金屬絲的彎曲剛度損耗率，這也證實了其彎曲曲線重合度較低的現象。從紗線結構角度上進行分析可知，多股金屬絲在彎曲點處處于部分單絲滑移狀態，而內部摩擦力是紗線滑移的阻礙，相比于其他2種鍍金鉬絲，雙股鍍金鉬絲中內部單絲間結構保持率較低，結構穩定性較差，從而彎曲穩定性較差。

圖7 鍍金鉬絲紗線彎曲剛度損失

2.1.2 能量損耗分析

基于彈塑性變形理論，采用能量分析法定義紗線的破壞，比較不同單絲股數的鍍金鉬絲的動態能量耗散情況，反映出紗線的剛度下降和結構響應情況。總應變能U是彎曲加載曲線下方的面積，表示循環載荷對紗線做的總功；彈性應變能Ue是彎曲卸載曲線下方的面積，是總功儲存于紗線中的可逆能量，表示紗線的彈性變形；耗散能Ud是彎曲加載曲線與彎曲卸載曲線間的面積，代表紗線塑性變形及不可逆結構響應所消耗的能量。

每個加載-卸載循環的總應變能、彈性應變能、耗散能和耗散率如圖8所示。由圖8(a)可知，在循環加載過程中，單股、雙股和三股鍍金鉬絲的總應變能均隨著循環加載次數的增加而減小并慢慢趨于穩定，其中總應變能與單絲股數成正比。

圖8 鍍金鉬絲紗線在循環彎曲載荷下的能量耗散分析

單股、雙股和三股鍍金鉬絲紗線的彈性應變能變化規律相同，都是在50個循環內逐步衰退，如圖8(b)所示。對應于紗線的彈性在循環內逐漸下降，解釋了循環前后彎曲剛度損耗的現象。彈性應變能的持續減小源于2個方面：一是在施力輥作用下，一部分紗線塑性變形，發生耗散能的積累；二是紗線在應力集中效應的作用下，結構保持率發生變化。另外，從能量曲線可看出，隨著彎曲循環數增加，紗線彈性應變能的衰退速度變小，這可能是由于鍍金鉬絲紗線在加載初期的結構響應比較強烈，而紗線在彎曲加載過程中結構響應趨于穩定。

紗線的耗散能導致其力學性能在循環載荷過程中出現連續退化，因此用加載過程中的耗散能描述紗線在循環加載過程中的剛度損耗程度。在循環彎曲載荷作用下，為適應彎曲循環加載，紗線外部發生加捻結構調整，內部單絲結構出現內應力屈服，因此一部分應變能轉變成了耗散能。

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雙股和三股鍍金鉬絲的耗散率接近，均大于單股鍍金鉬絲，其中雙股鍍金鉬絲的耗散率略大，這與之前的彎曲曲線重合度低和彎曲剛度損耗率高的結果相一致。在彎曲循環過程中，紗線結構響應由外向內擴展，這些變化主要是由于外部彎曲應力-內部單紗摩擦力-兩端張力耦合作用。由于在雙股鍍金鉬絲彎曲受載方向存在著單絲間互相滑移的極大可能，這種不穩定結構使雙股紗線在循環彎曲載荷下的剛度利用率最小，因此雙股鍍金鉬絲紗線在循環彎曲過程中具有較高的能量耗散率。

2.2 往復摩擦性能分析

200次往復摩擦加載后，記錄分析鍍金鉬絲紗線的宏觀力學性能和電學性能以及微觀表面形貌，研究金屬絲編織加工過程中的往復摩擦穩定性能。

2.2.1 摩擦前后表觀形貌分析

用顯微成像技術檢測紗線在往復載荷下的形貌損傷程度，200次往復摩擦前后鍍金鉬絲紗線的表觀形貌如圖9所示。圖9(a)示出摩擦前紗線的宏觀紗線表面形貌，圖9(b)示出摩擦后紗線的表觀形貌。可見，由于在兩端有張力的情況下，摩擦點處的紗線仍為彎曲狀態，推測紗線在摩擦載荷作用下發生塑性變形。圖9(c)示出紗線摩擦前的微觀表面形貌，可見紗線表面鍍層均勻且無劃痕。圖9(d)示出紗線摩擦后的微觀表面形貌，可見紗線鍍金層有明顯刮痕，由掃描電鏡放大照片可知，往復摩擦后的雙股鍍金鉬絲表面出現大量鍍層剝落。通過場發射掃描電子顯微鏡對摩擦前后的鍍金鉬絲表面進行能譜元素分析，Au元素分析結果見表1所示。摩擦后紗線表面的Au元素占比均下降，其中摩擦后的雙股鍍金鉬絲的Au元素損耗率大于另外2種鍍金鉬絲，說明雙股紗線表面的金鍍層損傷更為嚴重，該能譜元素分析結果與上述掃描電子顯微鏡照片中鍍層觀測結果一致。

表1 鍍金鉬絲摩擦前后Au元素

注：1#、2#、3#分別為單股、雙股和三股金屬絲。

對照圖中鍍金層損傷形貌推斷，在往復摩擦加載過程中，與鉤針接觸的紗線產生應力集中，鉤針對紗線的摩擦區成為塑性變形和斷裂強度下降的重點區域，鍍金鉬絲紗線的摩擦損傷模式表現為鉤針接觸區的鍍金層破壞、單絲塑性變形和紗線結構變化，紗線的結構整體性下降。紗線在往復摩擦加載初期，損傷主要出現于鍍金層，隨著加載的增加，損傷表現為紗線結構的變化和單絲的塑性變形，由此可見鍍金鉬絲紗線的破壞由外向內擴展。

2.2.2 摩擦前后拉伸性能分析

采用針鉤模擬法對鍍金鉬絲試樣施加往復摩擦載荷，對摩擦前后的金屬絲進行拉伸測試，從中得出斷裂強力和斷裂伸長，計算紗線斷裂強度和斷裂伸長率，并對摩擦200次前后的拉伸數據進行比較，得出斷裂強度損耗率和斷裂伸長損耗率。往復摩擦前后鍍金鉬絲紗線的拉伸性能如圖10所示。

圖10 鍍金鉬絲紗線在往復摩擦作用前后的拉伸性能

往復摩擦載荷加載后，鍍金鉬絲的斷裂強度均有損耗，單股、雙股和三股鍍金鉬絲的斷裂強度分別降低了約12.57%、25.65%和24.58%，這是由于往復摩擦作用力使得金屬絲達到屈服極限，紗線發生塑性變形。斷裂伸長是由于拉伸使傾斜的單絲沿軸向轉動和單絲的滑移，可用于表示紗線的拉伸變形能力。200次往復摩擦作用后，鍍金鉬絲的斷裂伸長率分別明顯下降，單股、雙股和三股鍍金鉬絲的斷裂伸長率降低了42.31%、66.59%和32.51%，表明摩擦后的金屬絲存在弱節，拉伸變形能力變弱。其中單股鍍金鉬絲的斷裂強度和斷裂伸長損耗最小，是3種結構紗線中摩擦穩定性最好的，可用于上機織造，但由于其強度較低，需要對上機參數進行特別調整。雙股鍍金鉬絲的強度和伸長率下降明顯，力學穩定性最差，不適合上機織造。而三股鍍金鉬絲的斷裂強度和斷裂伸長率均優于單股鍍金鉬絲，且性能損耗沒有雙股鍍金鉬絲那么大。綜合考慮，單股和三股鍍金鉬絲紗線在往復摩擦后的力學性能較穩定，可用于后期織造。

2.2.3 摩擦前后電學性能分析

為揭示表面金鍍層在往復摩擦加載后的表面損傷行為及往復摩擦對后續織物電磁屏蔽性能的影響，應用界面接觸法，采用自制的實驗設備測試鍍金鉬絲紗線摩擦前后的接觸電阻，其結果如表2所示。

表2 鍍金鉬絲紗線摩擦前后接觸電阻

往復摩擦后的鍍金鉬絲的接觸電阻增大了3.04%、5.33%和6.21%。這是因為針鉤接觸紗線作持續性往復運動，使得接觸區紗線的鍍金層刮痕明顯，導致鍍金鉬絲的接觸電阻增大。值得注意的是，往復摩擦后鍍金鉬絲的接觸電阻增幅并不大，這可能是由于金屬絲的直徑僅為27 μm，即標定金屬絲和待測金屬絲的接觸面很小，所以電阻增長不明顯，但是該研究也表明鍍金鉬絲在往復摩擦后表面鍍金層損傷以及織造過程中的往復摩擦作用對其后續織物的力、電性能有影響。

3 結 論

本文研究對鍍金鉬絲紗線進行彎曲應力循環和摩擦應力往復加載-卸載測試，基于彈塑性變形和能量分析理論，探索紗線的動態力學響應和結構響應行為，結合實驗結果和理論分析選擇適合上機織造的紗線結構。

在彎曲循環載荷下，鍍金鉬絲出現塑性變形和不可逆結構響應，存在彎曲剛度損耗行為。另外，在往復摩擦載荷下，鍍金鉬絲的破壞模式表現為由外向內的鍍層損傷、紗線結構不可逆響應和單絲塑性變形，鍍金鉬絲基本性能在往復摩擦載荷作用下存在明顯損耗。

相比于雙股鍍金鉬絲，單股和三股鍍金鉬絲動態力學響應較穩定，基本性能損耗及能量耗散率低，能達到穩定織造的要求，更適宜用作電磁屏蔽織物的原材料。考慮到單股鍍金鉬絲強度較低，需要對上機參數進行特別調整，因此三股鍍金鉬絲上機織造可操作性更高。

本文研究有助于進一步理解鍍金鉬絲紗線在循環和往復載荷加載下的力學性能降低與結構破壞機制，可用于紗線在可編織研究領域中的細觀和宏觀結構優化設計，為鍍金鉬絲紗線的可編織性仿真模擬提供數據支持，豐富鍍金鉬絲紗線可編織性仿真數據庫。