激光辐照拉伸纤维的形变机理及特征

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1、职川太学媾。k学位论文激光辗照按{枣纤维静彩交执理及特征犍籽学专业研究生李元杰强导教蛹昊失诚本工作蹿在将新型的具有独特性质的激光能源应用于纤维拉伸，研究在微小区域高能量密度条件下运行的不同予传统拉停工艺懿鲆维形变梳理及其特，蔹。以聚对笨二早鼗乙二鹣(PET)为铡，说明这～特定控伸形成豹纤维的性能特征，通过微观缩构的表征，对其特性予以结构方面的解释，从而为激光辐照拉律榜步建立了工艺一缝拣一性裁三嚣匏关系。论文主豢有竣下6都分：1)通过讨论纤维的强度、模量、韧性与结构关系、制备特定性能纤维的方法、结稳模型在建立对纾缍缀梅与牲能关系串翡癍角，糖寤镶备高强琏模纾缝必须改善纾维三个方

2、露的结构；一是完善纤维的结晶结构，加强纤维无定形区域分子链的物理交联点；二怒降低纤维无定形区域分予镪的链端和链环，提裹纤维截霭上承受应力缒分孑链数；三是尽量减少无定形区域分子链筑长度差异，实现应力分布疑均匀。归纳了目前制备高强高模纤维的主要方法，包括溶液统丝法、溶胀一挝镩法、振动挺律法、区域拉静法，重京说臻送域拉蒋是一种仍有待深入研究并具有前景的工艺手段。由此引出通过激光辐照实现隧小区域拉僻的设想。2)讨谂7以激光加工凝台物材料的不周方式(切割、焊接、烧蚀等)对激光波长和功率有不同要求，说骥本工作中选择二氧亿碳(c02)激光进行纤维控髂鹣器嚣。势避一步阕硬了C02激攫器翁工

3、露棘理、e02激毙素熬特点数及对聚合物材料的作用。C02激光束的主要特点包括高单龟性、商相干谴、商方彝性、鑫嶷度等；作愚静实震是COz激光黪电磁波与聚合甥串簌子鞠霖子蒸圜之间发生各种糕合振动，由于装合物的粘性，振动引起麟擦，媾电磁能转换成熟能，聚合物温度侠遮上升。由于C02激先滚长10．6tun，箕光予熊重鸯O．176eV，远小于纯合物的逛离簸，不会壹接引起聚合物的黪鼹。激光对聚合物材料作用时发生非线性光学(如自聚焦)、产生弹性应力等现象：纤维的几何尺寸影响激蠢能量静转换效率，当纤维壹径枣予激龙波长lO倍对发茔寒氏敦嚣效应，加大了纤维对激光能燧的吸收效率，这种吸收效率同样受

4、纤维的取向结构中文攮要和结晶结构、纤维温度的影口I(4，为激光辍照拉伸机理的讨论奠定基础。归纳了进行激光辐照拉伸时激光能源部分可调参数及其效应，指出本工作中使用的激光器的输出功率为30，70W，激光束的腰粗约2mm，瑞利距离为1184mm，纤维的位置在这个距离范围之内，。3)论述了本工作中用于聚合物结构表征的主要方法(如密度梯度、差示扫描精热(DSC)、广角x．射线衍射(WA)(D)、声速、傅熙叶变换红外光谱(FTlR))的基本原理、相应的表征内容及其局限性，阐述了本工作中备种表征方法的测试条件，为建立工艺一结构一性能关系奠定实验基础。4)推导并建立了激光辐照拙伸过程中纤维

5、的形变模型。探讨了激光能量转换、应变、应变速率和拉伸过棍中纤缎形变特点。认为在采用的拉伸条件下可以忽略结晶对应力的影响，纤维应力受纤维温度、应交、应交速率的控制；纤维结晶过程主要在形变结束后进行；稳态拙伸条件下得到能量平衡方程。分析了纤维特征参数包括热对流系数、纤维密度、纤维比热的变化规律，表明；热对流系数醚着纤维速度的增加和纤维半径的减小而逐渐增大，但增长速率逐渐减，j、；密度在扳伸j建程中变化不会太大，变化小于lO％；纤维比热随着温度的升商而线往增加。分析了激光辐照拉伸过程中热传导、热对流、熟辐射三种燕传递方式，并予戬相互院较，表明纤维升潺过程中，热对流是能量散失的主要

6、方式，热传等次之，热辐射影桷最，j、，当纤维温度范围在350-650K、平均速度大予1．0m／s、纤维半径小予309m条件下，热传导耜热辐射静影晌可以忽略，热对流是主要静热传递模式。模擞了激光辐照拉佛过程串纤维的温度、癍力、成变、应变速率等物理量变仡规律。逶过与传统熬拉律工艺院较表碉：激光辐照拉{枣形变过程串，纤维最高温凄哥达500K，较热辊控镩纤维最高溢旋商约70K，达到PET纾维毁大结鑫速率温度；最大舞溢速率是热辊拉镩静秘倍；形变区域小，奁O，2mm左右熬区阑内完残形交，露热辊控{牵需在终lmm才能宠成。爨姥，激必辐照控{枣形变速率离，最大形交速率是热辊羧律麴10倍；壶

7、于拉l枣i遣程中，激光辐照控姊纤维激度上舞较赢，降低了纤维的最大龄裂嶷力，从覆降低了终维的最大控{枣张力，因越激光辐照拉{枣对，拉{枣张力较，l、。从霭预见，激光辐照披{孛终维必然毒与传统工艺下懿拉镩绥缀不溺静特缓墼耋熬结构积性能。5)磺究了激光辐照挝{孛工艺与工艺参数黩蛙韪的关系。考察了激光功率、鲤川大学搏t学袋论文光强分毒、纾缕供给速发、挝挣比秘拉姊区翦增嬲热扳数温度、绣缀楣对激光焦点的距离等工艺参数的影响。结果表明，纤维拉伸应力随着激光辐照功率的增黼两减小，餐箍着纾维相对激竞焦点距霭豹增鸯辩瑟增大，达到t00