纤维及其集合体的性能与测试方法优化探讨

一、纤维的性能

纺织复合材料是由增强体纤维和树脂基体组成的。其中，纤维是组成纺织复合材料的最基本单元，其力学性质对纺织复合材料的性能影响极大。当纺织复合材料受到复杂的外力作用时，其中纤维受到的外力主要是拉伸作用。

（一）拉伸曲线

纤维的拉伸曲线有两种形式，即负荷—伸长（p—Δl）曲线和应力—应变（σ—ε）曲线。以负荷为纵坐标、伸长为横坐标作得的拉伸过程图为p—Δl曲线，它是在带有绘图装置的拉伸试验仪上得到的。由于负荷大小与纤维的线密度有关，对于相同材料，试样越粗，负荷也越大；而伸长大小与纤维试样长度有关，所以负荷—伸长曲线对不同粗细和不同试样长度（即强力仪上、下夹头间距离）的纤维没有可比性。如果将负荷除以试样的线密度（或横截面积）得比应力（或应力）作为纵坐标，将伸长除以试样长度得应变（或以百分率表示的伸长率）作为横坐标，可得σ—ε曲线。纤维的应力—应变曲线可以用来比较各种纤维拉伸性能的不同。两种形式的纤维拉伸曲线，可用同一曲线表示，仅坐标的单位标尺不同而已，如图7-1所示。

图7-1　纺织纤维的拉伸曲线

（二）拉伸性能指标

在比较不同纤维的拉伸性能时，通常采用从拉伸曲线上求特性指标。常用的指标有强伸性、初始模量、屈服点、断裂功四类指标。

1.强伸性　强伸性能是指纤维断裂时的强力或相对强度和伸长（率）或应变。

（1）强力Pb。又称绝对强力、断裂强力。它是指纤维能承受的最大拉伸外力，或单根纤维受外力拉伸至断裂时所需要的力，单位为牛（N）。纺织纤维的线密度较细，其强力单位通常用厘牛（cN），1N=100cN。

（2）断裂强度（相对强度）Pb。它是考虑纤维粗细不同，表示纤维抵抗外力破坏能力的指标，可用于比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质，简称比强度或比应力。它是指每特（或每旦）纤维能承受的最大拉力Pt（或PD），单位为N/tex（N/旦），常用cN/dtex（或cN/旦）。

（3）断裂应力σb。为单位截面积上纤维能承受的最大拉力，标准单位为N/m2（即帕，Pa），常用N/mm2（即兆帕，MPa）表示。

（4）断裂长度Lb。以长度形式表示的相对强度指标，其物理意义是设想将纤维连续地悬挂起来直到其因自重而断裂时的长度，即纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为千米（km）。

三类相对强度的表达式分别为：

式中：A为纤维的横截面积（mm2）；g为重力加速度（9.80665m/s2）；Nt、ND和Nm分别为纤维的特数、旦尼尔数和公制支数。

其间相互关系，可通过纤维质量表达式M=ALγ来转换。其中M为纤维质量（g）；L为纤维长度（m）；γ为纤维密度（g/cm3）。

目前，尚有许多强力机采用工程单位制，强力读数单位为克力（gf）或公斤力（kgf）。当断裂比应力单位采用克力/特或克力/旦时，则断裂长度和断裂强度间的换算式应为：

（5）断裂伸长率（应变）。纤维拉伸至断裂时的伸长率（或应变）称为断裂伸长率（或断裂应变）εb。其表达式为：

式中：l0为拉伸前的试样长度，又称隔距或夹持距（mm）；lb为拉伸断裂时的试样长度（mm）。

断裂伸长率或断裂应变，表示纤维断裂时的伸长变形能力的大小。

2.初始模量　初始模量是指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，即σ—ε曲线在起始段的斜率。依据负荷—伸长曲线（图7-1），可在曲线起始直线段上任取一点a，根据该点的纵、横坐标值和纤维的线密度、试祥长度，可求得其初始模量。

式中：E0为初始模量（N/tex、MPa或N/旦）。

如果拉伸曲线上起始段的直线不明显，可取伸长率为1%左右的一点来求初始模量，但纤维拉伸前，必须处于伸直状态，即有初张力。

初始模量的大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚性。纤维的初始模量大，制品比较挺括；反之，初始模量小，制品比较柔软。

3.屈服应力与屈服伸长率　在纤维的拉伸曲线上，伸长变形突然变得较容易时的转折点称为屈服点Y。对应屈服点处的应力和伸长率（或应变）就是屈服应力和屈服伸长率（或应变εY，见图7-1）。

纤维材料的屈服点很不明显，往往表现为一段区域，通常用作图法定出（图7-2）。如角平分线法，是在屈服点前后作拉伸曲线的切线1和2，再作两切线1、2交角的角平分线，交拉伸曲线于Y点，Y即为屈服点[图7-2（a）]；如果从两切线1、2的交点作横坐标的平行线交拉伸曲线于YC点，YC即为屈服点[图7-2（a）]，此方法称考泊兰（Coplan）法；如果作坐标原点和断裂点连线ob的平行线，且与拉伸曲线转折区域相切，切点Y即为屈服点[图7-2（b）]，此方法称曼列狄斯（Meredith）法。

图7-2　纤维屈服点的确定

纤维在屈服以前产生的变形主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子链间次价键的剪切，所以基本上是可恢复的急弹性变形；而屈服点以后产生的变形中，有一部分是大分子链段间相互滑移而产生的不可回复的塑性变形。一般屈服点高，即屈服应力和屈服伸长率高的纤维，不易产生塑性变形，拉伸回弹性好，纤维制品的尺寸稳定性较好。

屈服平台区后，纤维拉伸曲线会再次上扬，通常称为强化区。其间转变点为强化点S（图7-1），强化点的求法与屈服点一样，对纤维来说更不明显，且往往是一段区域。强化区分子链段（或称构象）的调整完成，是纤维大分子主链的受力过程，故曲线上升加快。

4.断裂功

（1）断裂功W。指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，即图7-1中p—Δl伸长曲线（ob）下的面积，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量。

它可在强力机测得的拉伸曲线图上用求积仪求得，或以数值积分完成。现行电子强力仪可直接显示或打印出断裂功的数值。断裂功的大小与试样粗细和长度有关。同一种纤维，若粗细不同，试样长度不同，则断裂功也不同。为了纤维间性能的相互比较，常用断裂比功ω表示纤维材料抵抗外力做功的能力。

（2）断裂比功ω。又称拉伸断裂比功。它有两个不同的定义：一是拉断单位体积纤维所需做的功ωV，单位为N/mm2，即折合成同样截面积、同样试样长度时的断裂功；另一定义是重量断裂比功ωW，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功（N/tex）。

（3）功系数η。又称功充满系数。它是指纤维的断裂功与断裂强力Pb和断裂伸长Δlb的乘积之比。

断裂功是强力和伸长的综合指标，它可以有效地评定纤维材料的坚牢度或耐久性能。断裂功或断裂比功大的纤维，表示纤维在断裂时所需吸收的能量大，即纤维的韧性好，耐疲劳性能好，能承受较大的冲击，纤维制品的耐磨性也较好。

对于各种不同纤维，如果断裂点相同时，功系数大的纤维材料，其断裂功也大。同种纤维的不同试样，其功系数变化不大，各种纤维的功系数在0.46～0.65。因此，可在测得断裂强力与断裂伸长后，根据功系数推知其断裂功的大小。

（三）纤维拉伸性能的测量

常用的纤维拉伸性能测试仪器有三种不同类型，即摆锤式强力仪、称杆式强力仪和电子强力仪。

1.摆锤式强力仪　摆锤式强力仪种类很多，如Y 161型单纤维强力机、Y 162型束纤维强力机、Y 371型缕纱强力机和Y 361型单纱强力机等都是摆锤式强力仪，受力拉伸方式较老，现国家标准和常规测量中使用。其基本结构如图7-3所示。上、下夹头夹持住纤维，夹持距由标尺显示，l0为隔距。下夹头由传动机构带动向下运动。在下夹头下降时，通过试样拉动上夹头下降。上夹头挂在半径为R的圆盘上，并随上夹头下降而绕支点顺时针方向回转，带动重锤杆和重锤拾起形成力矩M, M=（G1/2+G）L·sinθ+f，其中f为圆盘转动摩擦力矩，一般忽略。M与纤维拉力形成的力矩Mf=R·P达成平衡，即P=M/R。由此可知，试样上的负荷P与重锤杆摆动角θ的正弦成正比。随着传动机构引导下夹头不断下降，试样上张力增大，此时试样被拉伸，上、下夹头之间的距离增加，可以由标尺和上夹头上的指针读出伸长量。仪器上配备有自停装置。许多仪器还附有绘图装置，自动绘制拉伸曲线。带自动积分仪的还可直接读出断裂功数值。

图7-3　摆锤式强力仪

摆锤式强力仪属于等速牵引式强力仪，由上、下夹头同时以不同速度下降，力的施加亦呈非线性，所以试样的拉伸变形无一定规律。

2.秤杆式强力仪　早期采用的测定棉纤维的卜氏（Pressley）强力仪和Uster公司生产的Dynamat自动单纱强力仪（斜面式）都属于这一类型，又称杠杆式强力仪。其工作原理如图7-4所示。上、下夹头夹持纤维，在秤杆上的重锤以等速v左移，使纤维受力拉伸。重锤左移产生力矩，纤维受力矩P·R平衡，所以与l成正比。由于下夹头不动，上夹头上移量就是试样的伸长。这类仪器属于等加负荷CRL（Constant rate of loading）型的。

图7-4　秤杆式强力仪

3.电子强力仪　电子强力仪的测力和测伸长机构不是机械式的。其测力机构是在固定梁上装有电阻应变丝，上夹头受到试样传送来的拉伸力，引起电阻应变丝的微小变形而改变电阻值。通过电阻应变仪对信号的检测放大后，直接显示出拉伸力的大小。同时，由于电阻应变丝的变形极小，下夹头的位移量基本上就等于试样伸长变形量Dl，从而直接根据移动速度v与时间t的积，得出Dl。电子强力仪的测试原理如图7-5所示。理论上，惯性和摩擦阻力对测量的影响为零，精度高，且能适应高速负荷试验。仪器还可以配备电子式的自动记录仪、自动绘图仪、自动积分仪等，使测量、读数、记录、绘拉伸图、计算等工作全部自动化。常用的Instron材料试验机还备有不同负荷容量的传感器，可以分别测定纤维、纱线、织物或绳索的拉伸性能。还配备有不同形式的夹头装置和附件，可以进行拉伸、压缩、剪切、弯曲和摩擦等性能测量，同时还可以对试样进行定负荷或定伸长反复拉伸疲劳实验。这类仪器还配备有专门小气候，使试样在不同温度和湿度条件下进行力学性能测定等。这类仪器属于等速伸长CRE（Constant rate of elongation）型，因功能全，常称为万能材料试验机（Universal material testing machine）。

图7-5　电子强力仪的测试原理示意图

（四）拉伸断裂机理

纺织纤维在整个拉伸变形过程中的具体情况是十分复杂的。纤维开始受力时，其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸，即键长、键角的变形。拉伸曲线接近直线，基本符合胡克定律。当外力进一步增加，无定形区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向，这时一部分大分子链伸直，紧张的可能被拉断，也有可能从不规则的结晶部分中抽拔出来。次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移，纤维变形比较显著，模量相应逐渐减小，纤维进入屈服区。当错位滑移的纤维大分子链基本伸直平行时，大分子间距就靠近，分于链间可能形成新的次价键。这时继续拉伸纤维，产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏，由此进入强化区，并表现为纤维模量再次提高。直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂，致使纤维解体。

具有弹性但伸长很小的纤维，如玻璃纤维，断裂表现为经典的脆断模式，即当负荷增加到一定程度时，断裂从一裂缝A开始，由于应力集中的原因，裂缝迅速扩展，形成光滑的断裂面A—B。当在未断裂部分上的应力足够大时，形成完全破坏的粗糙断裂端面（B—C），见图7-6（a）和图7-6（b）。黏弹性纤维如锦纶和涤纶，在拉伸过程中除断裂扩展外，开始时先形成一“V”字形缺口（A），并扩展（A—B），最后断裂（B—C），如图7-6（a）～图7-6（c）所示。图7-6（d）为这种破坏的典型特征；图7-6（e）是纤维拉伸中纤维表面出现的裂缝特征。

图7-6　纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面

（五）纺织纤维拉伸性质的影响因素

影响纺织纤维拉伸性质的主要因素有纤维内部结构和试验条件。

1.纤维内部结构　这是影响纤维拉伸性质的根本原因（或内因）。其中主要是纤维大分子的聚合度以及表示纤维大分子链集聚排列特征的取向度和结晶度。

（1）纤维大分子的聚合度影响纤维的强度。纤维强度随纤维大分子聚合度的增大而增加，但当聚合度n增加到一定值后，n再增加时，纤维强度增加减慢甚至不再增加。聚合度的作用如同短纤维纱中的纤维长度。纤维长度短，纤维易于滑移而不是断裂。故纤维的断裂决定于大分子的相对滑移和分子链断裂两方面。随着聚合度增加，大分子链间的次价键数目增多，剪切阻力增大，大分子链间不易滑移，大部分分子链断裂，所以纤维断裂强度提高。当聚合度足够大，分子链间滑动阻力已大大超过分子链的断裂强力时，再增加聚合度，其作用也就越来越不显著了。对于化学纤维，聚合度太高，纺丝液黏度增加还会出现纺丝困难。但是，生产高强度化纤时，提高聚合度是保证高强的首要条件。

（2）纤维大分子的取向度决定有效承力分子数。取向度高的纤维，有较多的大分子排列在平行于纤维轴的方向，且夹角越小，拉伸纤维时，分子链张力在纤维轴向的有效分力越大、纤维强度也越高。在化学纤维中，纤维分子取向度随纺丝过程中的牵伸倍数的增大而提高，使纤维断裂强度增加，断裂伸长率降低，如图7-7所示。

图7-7　不同取向度纤维的应力—应变曲线

（3）纤维的结晶度影响纤维的强度。结晶度越高，纤维中分子排列越规整，缝隙孔洞较少且较小，分子间结合力越强，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得较高，但其伸长率低，脆性增强。图7-8所示为聚丙烯纤维结晶度对拉伸性能的影响。

图7-8　聚丙烯纤维结晶度对拉伸性能的影响

图7-9　温度对涤纶拉伸性能的影响

2.试验条件　这是外因，包括温度、湿度、试样长度、试样根数、拉伸速度以及拉伸试验机类型等方面。对同样的纤维，由于试验条件不同，所得到的拉伸性能实测结果将有很大的差异。所以，纺织纤维力学性质的实验结果均为“条件值”，它随试验条件不同而改变，这在实际应用中必须注意。

（1）温度。温度高时，纤维大分子热运动能高，大分子柔曲性提高，分子间结合力（次价键力）削弱。因此，纤维断裂强度下降，断裂伸长率增大，初始模量降低，如图7-9所示为温度对涤纶拉伸性能的影响。

（2）试样长度。纤维长度方向上各处截面的面积和结构不均匀，因而同一根纤维上的截面强度不完全相同，断裂总是发生在纤维最弱处。当试样长度长时，最弱的弱环被测到的机会就多，则平均强力偏低。这一概念称为弱环定律。按弱环定律推导的结果可知，纤维试样越长，平均强度越低；被测试样的不均一性越大，试样长度对测得的强度影响也越大。因为试样越长，弱环出现的概率越大。

（3）试样根数。由束纤维试验所得的平均单纤维强力比单纤维试验时的平均强力低，而且束纤维根数越多差异越大。这是由于束纤维中各根纤维的断裂伸长率不均匀，伸直状态也不相同，导致各根纤维不同时断裂的结果。

（4）拉伸速度。拉伸速度对纤维断裂强力与伸长率的影响较大。拉伸速度v大，即拉伸至断裂经历的时间短，纤维强力（或比强度Pb）偏高，初始模量Eo偏大，但断裂伸长率εb无一定规律。对高强低伸型的纤维，断裂伸长率随拉伸速度增加而降低。

（5）拉伸试验机类型。如前所述，不同类型拉伸试验机，在拉伸过程中对试样施加负荷的方式不同，如等速伸长型（CRE）、等加负荷型（CRL）和等速牵引型。同时，绝大多数纺织纤维一般不服从胡克定律，其拉伸曲线大多为凹向应变轴的非线性形式。因此，不同类型的试验机所测得的纤维拉伸性能没有可比性。例如，采用等速伸长型得到的纤维断裂强度要比等加负荷型低，而初始模量则较高。其主要原因是由于在纤维的各变形阶段拉伸速度是不同的。

二、纱线的性能

纱线是由纤维须条或长丝束经加捻得到的集合体，截面中至少由数十根到上百根纤维组成。纱线直径在毫米尺度，其长度可以是连续无限的，是典型的细长物体。因此，用于表征纤维力学性质的指标和力学性质时间依赖性完全适用于纱线。区别在于纱线的力学性质不仅与纤维本身性状有关，更为关键的是取决于纤维在纱中的排列形态，即纱线结构特征和纤维间的相互作用。由于纱线中纤维排列的不规则和卷曲、纤维间相互作用的不完善和滑移，使纱线的力学行为不同于纤维，如初始模量低、断裂强度低、断裂伸长率大、屈服点不明显、应力松弛和蠕变较容易、动态模量低和正切损耗高等。(www.xing528.com)

平行长丝纤维束必须经加捻后才能顺利进行织造，否则容易引起毛丝。长丝用作绳、线时也必须进行适当加捻，以使长丝纤维间形成一个紧密的、相互作用的整体。但加捻后的长丝条与长丝纤维的拉伸性能有较大的区别。下面对长丝纱条的初始模量和断裂强度进行简单分析。

假设长丝纱在短片段内具有理想的圆柱形螺旋线的几何结构，即每根长丝在纱中保持着螺旋角不变的螺旋线轨迹，其径向位置没有转移变化；纱条中的长丝纤维性质均匀；在拉伸时，纱的直径没有变化。则可以得到纱中纤维轴与纱轴倾角为θ的纤维变形与纱轴向变形间关系为：

式中：εf为纤维的应变；εy为长丝纱的应变。

上式表明：在纱中心的长丝纤维（θ=0）的应变与长丝纱的应变相等，在纤维倾斜角为θ（相应于纱半径r处）时的应变值降低到εycos2θ。

假设纤维服从胡克定律，所受的张力Pf为：

式中：Ef为纤维的弹性模量；r为纤维的半径。

该纤维对长丝纱轴向的应力σy贡献为：

式中：分子表示纤维张力Pf在纱轴向的有效分力；分母表示纤维横截面积在纱轴向的占有面积，如图7-10所示，图中（a）为纱中r半径位置、一个螺距h、螺旋线纤维l的展开图。

图7-10　加捻长丝纱中倾斜纤维的受力分析

将上式推广到整个纱条截面积分可得纱条的应力σy为：

α为纱条外层纤维的倾斜角（或捻角）。根据模量的定义：

这表明长丝纱的模量随着捻回角α的增大而减小。这一简单关系与实验结果较一致。

普拉持（M.M.P1at）指出：既然位于纱轴线上的纤维变形等于纱的轴向变形，在拉伸纱线时，纱条中心的长丝纤维首先断裂，然后剩下的长丝继续断裂，并逐渐向外层扩展，直到长丝纱断裂为止。赫尔进一步假设，如果中心纤维断裂时的纱条张力为纱条的断裂强力，且长丝符合胡克定律，则长丝纱条的断裂强度为Efεbcos2α。式中，εb为长丝纤维的断裂应变，Efεb即为长丝纤维的断裂强度，即加捻长丝纱条的断裂强度为纤维断裂强度的cos2α倍。

上述简单分析表明：加捻长丝纱条的初始模量或断裂强度随着捻系数的增大而降低，其定量关系可用捻回角α的cos2α倍来表示。但是实际长丝纱的拉伸性质是复杂的，图7-11原理性地表示了长丝纱断裂强度与捻回角余弦cosα间的关系。即随着捻度增加，长丝纱的断裂强度逐渐降低。弹性模量与捻度间关系也有类似的结果。实际中，模量或断裂强度在开始时的上升，主要是由于长丝纱中纤维拉伸性能的不均匀性在加捻中得到改善。当捻度为零时，相当于平行纤维束，各根长丝纤维是在各自最薄弱的地方断裂；随着捻度的增加，纤维间压力增大，相互抱合，减少了纤维在自身薄弱处断裂的可能性；随着捻回角增大，逐步达到在整根长丝纱条截面上最薄弱环节处的纤维同时断裂，这时的长丝纱条强度最大，为σmax。当进一步增大捻回角或捻系数，纤维倾斜产生的负作用增加显著，纱条强度开始下降。

图7-11　长丝纱的强度与捻回角余弦的关系

三、织物的性能

在纺织复合材料中，增强纤维体系是由各种不同类型的纺织结构（即织物）组成。织物是纤维和纱线的后续制品，需要经过机织、针织、编织等不同方法制备。因此，织物的力学性质要比纤维和纱线的力学性质复杂得多，是多方面因素的综合。相同纤维或纱线经不同方法制备的织物性能存在很大的差异，其对应的测试方法也存在一定的区别。

（一）拉伸性能的测试方法

织物平面有经、纬两个方向，其性质有较大差别，故其拉伸性能测试，应在经、纬两个方向分别进行单轴拉伸试验。在我国国家标准中允许采用三种类型的强力试验机——等速伸长强力机（CRE）、等速牵引强力机（CRT）和等加负荷强力机（GRL）。应用广泛的摆锤式强力机属于等速牵引类。

1.机织物　对机织物拉伸性能的测试方法，一般有扯边纱条样法、抓样法与切割条样法三种。

（1）扯边纱条样法（Raveled-strip method）。将一定尺寸的织物试样扯去边纱到规定的宽度（一般为5cm），并全部夹入织物拉伸试验机夹钳内的一种测试方法，如图7-12（a）所示。

（2）抓样法（Grab method）。将一定尺寸的织物试样仅一部分宽度夹入夹钳内的一种试验方法，如图7-12（b）所示。

（3）切割条样法（Cut-strip method）。对部分针织品、缩绒制品、毡制品、非织造布、涂层织物及其他不易扯边纱的织物，则采用切割条样法。此方法为切割成规定尺寸的试样全部夹入夹钳内。但必须注意，切割时应尽可能与织物中的经向（或纬向）纱线相平行。

与抓样法相比，扯边纱条样法所得试验结果的离散较小，所用试验材料比较节约，但抓样法的试样准备较容易和快速，并且试验状态较接近实际使用情况，所得试验强度与伸长的结果比条样法略高。

2.针织物　针织物不宜采用上述矩形试样做拉伸试验。因为针织物裁成矩形试样拉伸时，会明显出现横向收缩，使夹头钳口处产生剪切应力特别集中，从而造成大多数试样在钳口附近断裂，影响试样结果的准确性。有关实验研究表明，以采用梯形或环形试样较好。梯形试样如图7-12（c）所示，试验时，两端的梯形部分被钳口夹持。环形试样如图7-12（d）所示，试验时，两端是缝合的（图中折线缝合处）。这两种试样能改善钳口处的应力集中现象，且伸长均匀性也比矩形试样好。如果要同时测定强度和伸长率，以用梯形试样为宜。

图7-12　织物拉伸试验的试样及夹持方式

3.非织造布　非织造布可以采用机织或针织试样和夹持方法进行拉伸试验，但大多采用宽条（一般10～50cm，甚至更宽）或片状试样。前者在一般强力仪上进行；后者在双轴向拉伸机上进行。

针织物在被拉伸时由于线圈的变形、滑移，伸长率比机织物大。

非织造布的拉伸行为，即应力—应变曲线，与其主结构的纤维排列方向密切相关。

（二）织物的拉伸性能指标

织物拉伸断裂时所应用的主要力学性能指标有断裂强度、断裂伸长率、断裂功、断裂比功等。这些指标与纤维、纱线的拉伸断裂指标意义相同，这里就不同之处加以比较。

1.断裂强度和断裂伸长率　断裂强度是评定织物内在质量的主要指标之一。断裂强度指标，也常常用来评定织物日照、洗涤、磨损以及各种后整理加工后对织物内在质量的影响。织物断裂强度指标单位常用N/5cm，即5cm宽度的织物的断裂强力。当不同规格织物需要进行相互比较时，也可与纤维和纱线一样采用相对断裂强度指标如N/m2、N/tex、N/（g/m2）等进行比较。

通常分别对织物的经、纬向测定其断裂强度和伸长率，但有时也对其他不同方向测定。因为衣服的某些部位是在织物不同方向上承受张力的。近年来，开发出双轴向拉伸试验机，其拉伸作用原理如图7-13所示。图7-13（a）为两向拉伸力均等的情况；图7-13（b）为两向拉伸力不等（或一端保持不动）的情况；图7-13（c）为非对称的平行四边形变形拉伸。双轴向织物强力机尚未普及，但由于织物在使用过程中同时受到来自多个方向的拉伸作用，特别是对伸缩性较大的针织物和产业用非织造布。双轴拉伸有时比单轴拉伸更为重要。

图7-13　双轴向拉伸试验作用原理

2.断裂功　织物在外力作用下拉伸到断裂时，外力对织物所作的功称为断裂功。因为织物拉伸曲线函数不易取得，一般是用面积仪或用计算方法来测量拉伸曲线下的面积即断裂功。目前国内已试制成附加于强力仪上直接读数的织物断裂功仪。用这种仪器测量比用画图计算方法效率高。为了对不同结构的织物进行比较，常采用断裂比功WW[J/（g/m2）]表示：

式中，W为织物断裂功（J）；w为织物试样的平方米重量（g/m2）。

断裂功为织物拉伸至断裂时所吸收的能量，也就是织物具有抵抗外力破坏的内在结合能，因而织物的断裂功越大，织物越坚牢。

（三）织物的拉伸断裂机理

在单轴拉伸试验中，当织物采用条样法拉伸时，其基本受力变形过程如图7-14所示。

图7-14　纤维在单轴拉伸时的基本受力变形过程

（1）机织物的拉伸断裂机理。对机织物，拉伸力作用于受拉系统纱线上，使该系统纱线由原先的屈曲逐渐伸直，并压迫非受拉系统纱线，使其更加屈曲。在拉伸的初始阶段，随着拉伸力增加，织物的伸长变形主要是由受拉系统纱线屈曲转向伸直而引起的，并包含一部分由于纱线结构改变以及纤维伸直而引起的变形；到拉伸后阶段，由于机织物受拉系统纱线已基本伸直，伸长变形主要使纱线和纤维伸长与变细，使织物的线密度或平方米克重下降，拉伸方向的试样结构变稀。

（2）针织物的拉伸断裂机理。对针织物，拉伸力作用于受拉方向的圈柱或圆弧上，首先使圈柱转动、圆弧伸直，引起线圈取向变形，沿拉伸方向变窄、变长，纱线的交织（纠缠）点发生错位移动；使织物在较小受力下较大地伸长；当这类转动和伸直完成后，纱线段和其中的纤维开始伸长，直接表现出织物的稀疏和垂直受力方向的收缩。

（3）非织造布的拉伸断裂机理。对非织造布，拉力直接作用于纤维和固着点上，使其中纤维以固着点为中心发生转动和伸直变形，并沿拉伸方向取向，表现出织物变薄，但密度增加，强度升高；随后，纤维伸长，固着点被剪切或滑脱。前者为主导时，则非织造布强度增加；后者为主导时，则强度增加减缓或下降。

因此，通常织物拉伸的初始模量均较低，随着织物中纱线、纤维的伸直和沿受力方向的调整，拉伸曲线陡增。机织物拉伸方向的纱体显著变细，纤维变长，垂直于拉伸方向产生纱线屈曲收缩；而针织物的纱线和非织造布的纤维相互靠拢，使织物逐渐横向收缩，呈束腰现象，如图7-14（b）所示。但机织物的束腰现象不如针织物和非织造布明显，这也是针织物、非织造物要求加大试样夹持宽度或双轴向拉伸的原因。此后继续拉伸，部分纱线或纤维达到断裂伸长，而开始逐根断裂，直至大部分纤维和纱线断裂后，织物结构解体，试样断裂。

织物在整个拉伸过程中，因为束腰其截面积是在变化的。实际中，以织物的强力除以截面积AF或平方米克重w所获得的强度（应力σF或比强度pF）只是一个名义上的强度。真实强度应该是截面积A（ε）或平方米克重w（ε）随应变ε变化的函数，即：

式中：σF为真应力；pF为真比应力。

此概念和计算式可用于纤维、纱线和其他各种材料。而且织物的真实断裂不是同时发生的，而是在织物最弱的纱线处首先断裂，形成应力集中进而纱线迅速逐根断裂，致使织物断裂，如图7-14（c）所示。

织物中纱线强力利用程度，可用拉伸方向的纱线或束纤维在织物中的强度利用系数表示。它是织物某一方向的断裂强力P与该向各根纱线断裂强力Pi之和的比值。计算式如下：

式中：eF为纱线或纤维在织物中的强度利用系数；pF、pY、pB分别为织物、纱线、平行纤维束的强度值。

针织物和非织造布不存在eF＞1的情况，原因是这种交互作用和均匀化不存在，但针织物和非织造布随着各自的密度增加，也有eF值增大的趋势，因为密度越大所提供交互作用的可能性增大。

如果机织物和针织物的紧度或排列密度过大，或织物中各根纱线强力不匀，或纱线在织造时过多损伤，尤其是纱线捻系数过大（接近甚至超过临界捻系数），交织点挤压的补偿作用已不能弥补纱线的强度损伤或残余应力，织物中的纱线强度利用系数eF＜1。

（四）织物断裂强力的估算

1.机织物　机织物断裂强力除实测外，还可根据织物密度、纱线断裂强力来估算。对机织物条样法的估算式如下：

式中：PeT, W分别为织物经向和纬向断裂强力估算值（N）；PT, W为织物经向和纬向排列密度（根/10cm）；PY为纱线的平均断裂强力（N），eF为纱线强度利用系数。

2.针织物　对针织物可以根据横密PA（5cm内线圈横列方向的线圈纵行数）或纵密PB（5cm内线圈纵行方向的横列数）和纱线的勾接强力PL来估算断裂强度Pe。

式中：Pe为针织物断裂强力估算值；PL为纱线的平均勾接强力；eF为强度利用系数。

因为每只线圈是由两个线圈柱和两个弧段组成，纵向强度因变形后的双根圈柱作用约比横向大两倍。而横向拉伸时，由于圈弧的伸直和圈柱纱线的转动，横向伸长约为纵向的两倍。

3.非织造布　假设一支纤维束的平均断裂强度为pB（N/tex）；用该纤维制成非织造布在零隔处拉伸时的强度利用系数为eF，则不考虑黏结和纠缠作用的非织造布强度为pF0，即：

考虑黏结和纠缠作用，总强度pF实际为力学的串联结构模量，而力值或模量值相当于电阻的并联，即：

式中，B为黏结作用强度。当B=0时，pF=0，且往往B＜pF0，即黏结作用弱于纤维的强度，所以非织造布要增强，一定要增加黏结作用强度B。

（五）织物拉伸性能的影响因素

1.机织物　影响机织物拉伸性能的因素主要有纤维性质、纱线的线密度和结构、经纬密度和织物结构、上机张力以及测试条件。

2.针织物　针织物拉伸性能的影响因素与机织物相同，只是强度相对机织物偏低，这是因为针织物的勾接强度小，且纱线相互间的挤压、摩擦作用小。而针织物伸长大是由于线圈的变形、纱线在交织点的错位移动等。影响针织物的强伸性能的还有线圈及圈套结构。其对纱线乃至纤维的弯曲性能要求更高，影响纤维弯曲刚度的所有因素都将间接地影响织物的拉伸性能，尤其是纤维的表面摩擦性能和卷曲特性，将直接影响纤维间的相互作用，进而影响织物的拉伸性能。

3.非织造布　影响非织造布的拉伸性能的因素，除去不存在纱线这一结构元素和上机张力外，还有非织造布织物的密度ρ或空隙率ε或体积分数fV。纤维排列状态对非织造布的拉伸性能影响更大。