美国研究人员发现高性能纤维的失效机理

内布拉斯加大学林肯分校的Dzenis教授课题组与美国陆军实验室合作，采用聚焦离子束(FIB)铣削和纳米压痕技术研究了PPTA(芳纶)和UHMWPE纤维(高分子量聚乙烯纤维)的失效机理。与UHMWPE纤维相比，PPTA的吸收能是UHMWPE的两倍；与PPTA相比，沿纤维长度方向UHMWPE中纳米原纤维束的分离更长，这与PPTA单根纤维中的横向相互作用更强有关。随着UHMWPE纤维尺度的增加，纳米纤维之间的横向作用(即纳米桥接)逐渐增加，造成了吸收能的增加，而这种纳米桥接大小与多少直接决定了纤维的失效与否。研究者认为未来的研究重点是了解负载是如何跨越这些不同尺度进行转移的。

对UHMWPE纤维在三种不同尺度下的分离能进行分析后，发现不同尺度下纤维的分离能符合幂律关系，随着纤维尺度的增加，分离能逐渐提高。从微观角度出发，研究者认为正是由于纤维束之间的横向桥接的增加导致随着纤维尺度的增加，分离能的提高，而这种横向桥接的多少和大小对纤维的失效起到了决定性作用。这一研究不仅解释了纤维的失效机理，还为多尺度纤维模型的建立、高性能纤维的失效分析提供了实验支持，为开发高性能纤维提供了可能性。(高分子科学前沿)