在静负荷下研究玻璃纤维的耐疲劳性具有很大的实际意义,因为在生产和使用过程中玻璃纤维都处于张拉状态。复合材料用户也都希望了解有关玻璃纤维的疲劳性能以及影响因素。
研究纤维拉伸时,施加负荷的速度对两种工业玻璃成分的细纤维强度的影响。所得结果列于表1。从表看出,拉伸速度对细纤维强度不产生重大影响。只是在速度大大增加时,强度才增加10%~20%。他们还研究了施加不同强力负荷下纤维破坏所需要的时间,即纤维的耐久性。试验是在 60%~65%的湿度下进行的。试验结果表明。对细纤维来说,如果长期处于张力作用之下,都会在很大程度上“疲劳”。如在平均断裂负荷60%的暂时负荷下,只有个别试样断裂,而在2~8昼夜长时间负荷作用下,全部试样断裂。随着负荷增大,则纤维破坏加速。还有,在同一应力条件下,各个试样的耐久性波动相当大,从几秒到几十小时。这是由于试样的不均一性,即试样中存在着不同程度的缺陷,而各种缺陷的发展要求不同的时间所致,这是符合强度统计理论的。
表1 施加负荷速度对两种工业玻璃纤维强度影响
详细研究了介质对玻璃纤维疲劳程度的影响(图1)。在非极性煤油中,疲劳现象表现不太显著。而在相对干空气中,几乎不发生疲劳现象(曲线Ⅰ)。在湿度为30%的空气中,纤维疲劳在相当于断裂负荷63%的负荷下便表现出来。
图1 铝硼硅酸盐玻璃纤维在应力和各种介质长期作用下强度极限与时间的关系曲线
Ⅰ—介质为相对干空气;Ⅱ—介质为非极性煤油;
Ⅲ—介质为湿度为30%的空气;Ⅳ—介质为湿度为85%的空气,或水
(1kgf/mm2=9.81MPa)
在85%的湿度下,纤维疲劳更快,只在相当于断裂负荷50%的负荷下,纤维即破坏。与此同时还证明了纤维在表面活性物质的影响下,由于吸附水分而强度下降。
玻璃纤维的疲劳主要取决于吸附作用对纤维强度的影响程度。渗透到微裂纹中的水分加速了微裂纹的增长。微裂纹的破坏时间与其施加的应力和纤维中微裂纹尺寸有关。其它因素对纤维的疲劳影响较小。提高纤维耐疲劳性的途径是:①通过玻璃成分的改进和改变纤维成型工艺参数,减少纤维表面微裂纹的数量和尺寸;②纤维表面施涂憎水性物质,防止吸附水进入微裂纹中。