【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 m/min、統(tǒng)計(jì)次數(shù)等。：取下上夾持器，用張力夾仔細(xì)地在黑絨板上夾取單纖維一端，將其另一端夾入已取下的上夾持器中，用手旋緊上夾持器的螺絲，但不宜過(guò)緊或過(guò)松，然后小心地將上夾持器掛在傳感器下面的掛鉤上，將掛有張力夾的纖維一端夾入下夾持器內(nèi)，旋緊下夾持器螺絲，取下張力夾。選用張力夾的重量是根據(jù)纖維試樣的粗細(xì)和卷曲程度而定，一般選用200mg。： （1）、按標(biāo)準(zhǔn)要求夾好纖維后按“拉伸”鍵，儀器開(kāi)始拉伸并顯示LA，拉伸斷裂后，下夾持器返回，顯示OK及本次所有數(shù)據(jù)并打印。（2）、下夾持器返回到起始位置后，重復(fù)做第二根纖維試驗(yàn)，直到本組試驗(yàn)完畢。（3）、按“復(fù)位”鍵，本組試驗(yàn)完畢。一次拉伸實(shí)驗(yàn)是纖維拉伸機(jī)械力學(xué)性能的試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，纖維被恒速拉伸至斷裂。其中LBex為斷裂伸長(zhǎng)率,Fbex為斷裂強(qiáng)力,LLL3是伸長(zhǎng)率不同的三點(diǎn)，F(xiàn)FF3是這三點(diǎn)上所受的強(qiáng)力。本儀器顯示斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)、斷裂時(shí)間及試驗(yàn)次數(shù)，并打印出上述數(shù)據(jù)及斷裂功、初始模量和三個(gè)不同伸長(zhǎng)時(shí)的強(qiáng)力值。當(dāng)一組試驗(yàn)結(jié)束時(shí)打印上述參數(shù)的平均值（X）、標(biāo)準(zhǔn)差（S）及不勻率（CV）。連接計(jì)算機(jī)可繪制負(fù)荷—伸長(zhǎng)曲線(xiàn)。四、思考題：1. 解釋典型的負(fù)荷—伸長(zhǎng)曲線(xiàn)圖上各線(xiàn)段表征的含義？2. 如何根據(jù)負(fù)荷—伸長(zhǎng)曲線(xiàn)來(lái)判斷材料的性能？實(shí)驗(yàn)四 色那蒙補(bǔ)償法測(cè)定纖維雙折射一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握用色那蒙補(bǔ)償法測(cè)定纖維雙折射率的原理；2．熟悉偏光顯微鏡的結(jié)構(gòu)和使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理天然纖維和經(jīng)過(guò)拉伸取向后的化學(xué)纖維中大分子鏈以取向狀態(tài)排列，使其力學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)出現(xiàn)各向異性。光學(xué)的各向異性表現(xiàn)為雙折射現(xiàn)象。因此可以通過(guò)測(cè)定纖維雙折射率大小來(lái)研究大分子鏈的取向情況。纖維雙折射率測(cè)定的方法很多，應(yīng)用最普遍的是浸沒(méi)法和光程差法。本實(shí)驗(yàn)采用的色那蒙補(bǔ)償法屬于后者，其實(shí)驗(yàn)方法比浸沒(méi)法簡(jiǎn)單，但只適用與整個(gè)截面取向均勻的圓形纖維。1． 雙折射率與光程差的關(guān)系 色那蒙補(bǔ)償法測(cè)定纖維雙折射率的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。由鈉光燈發(fā)出的單色光透過(guò)起偏鏡后是一束平面偏振光，其振動(dòng)方向和起偏鏡的光軸方向相同。當(dāng)這樣一束平面偏振光進(jìn)入纖維時(shí)，因?yàn)槔w維具有雙折射性質(zhì)而被分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的分光。一束分光的振動(dòng)方向垂直于纖維軸，稱(chēng)為o光；另一束分光的振動(dòng)方向平行于纖維軸，稱(chēng)為e光。在正單軸晶體中（纖維一般為正單軸晶體），o光的折射率no小于e光的折射率ne。而光線(xiàn)的傳播速度和折射率成反比，因此振動(dòng)面平行于纖維軸的光線(xiàn)（e光）速度較慢，稱(chēng)為慢光，設(shè)此慢光在纖維中的速度為v‖；振動(dòng)面垂直于纖維軸的光線(xiàn)（o光）速度較快，稱(chēng)為快光，設(shè)此快光在纖維中的速度為v⊥。設(shè)t‖、t⊥分別為兩平面偏振光在纖維中通過(guò)路程D所需時(shí)間，則t‖=D/ v‖；t⊥=D/v⊥。因?yàn)関‖v⊥，所以t‖t⊥。因此可以設(shè)想當(dāng)快光自纖維中透出時(shí)，慢光尚在纖維中，而當(dāng)慢光自纖維中透出的瞬間，快光以在空氣中傳播了v（t‖t⊥）的距離（v為光在空氣中傳播的速度）。因?yàn)閮蓚€(gè)平面偏振光從纖維中透出后進(jìn)入空氣中的傳播速度相等，因此v（t‖t⊥）就是在傳播中快光（o光）超前慢光（e光）的距離，即光程差。設(shè)光程差為R，則由折射定律可得平行與垂直偏光的折射率分別為： ， 所以，R=D（n‖n⊥）=DΔn上式表明，光程差R等于偏振光在纖維中通過(guò)的距離D和纖維雙折射率Δn的乘積。因偏振光在纖維中通過(guò)的距離D即等于纖維平均d，所以雙折射率Δn可表示為：由此可知，具有各向異性的纖維材料，其雙折射率直接與快、慢光之間的光程差有關(guān)。通常把色那蒙補(bǔ)償法歸屬于光程差法，其原因也在于此。平面偏振光射入纖維后分散成o光和e光之間的光程差也可以用位相差來(lái)表示。光程差R和位差δ之間的關(guān)系為： (1)圖2 入射平面偏振光經(jīng)纖維分解后示意圖ZYAeA0θ2．兩束平面偏振光的疊加 平面偏振光在射入具有各向異性的纖維材料時(shí)會(huì)分解為兩束互相垂直的o光和e光，但在離開(kāi)纖維后這兩束光有會(huì)相互疊加成混合光。由于兩束光之間存在一定的位差δ，則根據(jù)δ的不同，其疊加后的混合光一般都是橢圓或圓振動(dòng)，僅在某些特殊情況下才是直線(xiàn)振動(dòng)。這里需借助于必要的數(shù)學(xué)分析來(lái)證明上述結(jié)果。若設(shè)從偏鏡透過(guò)的平面偏振光振幅為A，其振動(dòng)方 向與纖維軸夾角為θ，則其透過(guò)纖維后被分解為垂直和平行于纖維軸的兩束平面偏振光的振幅分別為：Ao=Asinθ,Ae=Acosθ。（如圖2）兩束光各自的振動(dòng)方程可表述為：Y=Aesin(ωt + φe)Z= Aosin(ωt + φo)它們疊加后的合振動(dòng)方程①為 （2）A0AeObA0AeOacOA0Ae圖3 不同位相差的兩垂直振動(dòng)合成示意圖a—位相差為2nπ b位相差為（2n+1）π c位相差為非特殊值合振動(dòng)方程（2）一般為橢圓方程。橢圓形狀因位相差（φoφe）的不同而異。圖3為振動(dòng)疊加的示意圖。合振動(dòng)方程因位相差的不同會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況：（1） 位相差為2nπ(n為整數(shù))，即纖維厚度恰使o光、e光產(chǎn)生nλ的光程差。此時(shí)方程（2）簡(jiǎn)化為,其合振動(dòng)為一直線(xiàn)偏振光。圖3a為此類(lèi)振動(dòng)合成示意圖。實(shí)驗(yàn)中，使纖維軸方向與起偏鏡光軸方向夾角45。C，即偏振光振動(dòng)方向與纖維軸夾角為45。，則通過(guò)纖維分解后的兩束偏振光的振幅相等，即Ao=Ae。當(dāng)相位差為2nπ時(shí)，合成的平面偏振光的振動(dòng)方向與起偏鏡光軸方向相同，與檢偏鏡光軸方向垂直，不能通過(guò)檢偏鏡。因此纖維中厚度能使兩個(gè)分光產(chǎn)生nλ光程差的地方呈現(xiàn)黑色條紋。若纖維取向度較高，可以有幾處使o光、e光分別產(chǎn)生λ、2λ、3λ……的光程差，在顯微鏡視野中相應(yīng)處均出現(xiàn)黑色條紋。每?jī)上噜徍谏珬l紋間為一個(gè)波長(zhǎng)的光程差，總光程差為nλ（n為黑色條紋數(shù)）。（2）兩分振動(dòng)位相差為（2n+1）π，即纖維厚度恰使o光、e光產(chǎn)生光程差。此時(shí)方程（2）簡(jiǎn)化為，其合振動(dòng)也為一直線(xiàn)偏振光。圖3為此類(lèi)振動(dòng)合成示意圖。當(dāng)纖維軸與起偏鏡光軸方向成45。C夾角時(shí)，合振動(dòng)方向與檢偏鏡光軸方向相同，合成后的平面偏振光完全通過(guò)檢偏鏡，相應(yīng)處在顯微鏡視野中呈現(xiàn)明亮條紋（兩相鄰條紋間亦為一個(gè)波長(zhǎng)的光程差）。（3） 偏振光通過(guò)纖維后兩個(gè)分光產(chǎn)生的光程差不等于nλ或,即o光、e光位相差不為2nπ或(2n+1)π特殊值。此時(shí)合振動(dòng)為一橢圓偏振光。圖3c為這類(lèi)合振動(dòng)示意圖。對(duì)卷繞絲樣品來(lái)說(shuō)，因?yàn)槠淙∠蚨刃。ㄟ^(guò)卷繞絲后兩個(gè)分光的光程差不滿(mǎn)一個(gè)λ,合振動(dòng)就屬于這種情況(λ/2情況除外)。另外，牽伸絲樣品取向度較大，通過(guò)牽伸絲后兩分光的光程差不是恰好為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，還有不滿(mǎn)一個(gè)波長(zhǎng)的小數(shù)部分，與這小數(shù)部分位相差相對(duì)應(yīng)的合振動(dòng)也屬于這種情況。因?yàn)闄E圓偏振光的電矢量振動(dòng)方向隨時(shí)都在發(fā)生變化，所以它與檢偏鏡光軸方向之間沒(méi)有一個(gè)固定的夾角，無(wú)法用旋轉(zhuǎn)檢偏鏡的方法在視野中找到完全消光的位置，也就無(wú)法確定相位相差來(lái)求得雙折射值。因此就需要使用補(bǔ)償法把橢圓偏振光變?yōu)槠矫嫫窆狻?．橢圓偏振光變?yōu)槠矫嫫窆獾难a(bǔ)償原因 （1）當(dāng)o光與e光位相差為奇數(shù)倍時(shí)，合振動(dòng)方程（2）可簡(jiǎn)化為：(a)YZO(b)ZYO(c)ZYO(d)ZYOAA圖4 合成后橢圓偏振光長(zhǎng)、短軸方向示意圖此時(shí)合振動(dòng)為正橢圓。其長(zhǎng)、短軸分別與o光、e光的振動(dòng)方向相同[如圖4（a）]。即：若合成后的橢圓偏振光長(zhǎng)、短軸分別與合成前的o光、e光振動(dòng)方向相同時(shí)，則o光、e光之間有л/2的位相差。圖25 斜橢圓與正橢圓等效轉(zhuǎn)換示意圖ZYOA0’ZˊYˊA0’Ae’Ae’若纖維軸與平面偏振光振動(dòng)方向之間夾角為45。，o光、e光的振幅相等，即Ao=Ae=A， 時(shí)，則合成后是圓偏振光[如圖24（b）]。此為橢圓偏振光的特例。（2） o光與e光位相差為任意值時(shí)（不是л/2的整數(shù)倍），合振動(dòng)為斜橢圓。其長(zhǎng)、短軸方向不與o光、e光的振動(dòng)方向相同[如圖4（c）]。若纖維軸與平面偏振光方向夾角為45。時(shí)，合振動(dòng)仍為斜橢圓。其長(zhǎng)、短軸方向在以2A為邊長(zhǎng)的正方形對(duì)角線(xiàn)上[如圖4(d)]，即與起偏鏡光軸方向成0?；?0。的方向上。（3）λ/4玻片的作用；由于合振動(dòng)方程在一般位相差情況下為斜橢圓，無(wú)法用旋轉(zhuǎn)檢偏鏡的方法在視野中找到完全消光的位置，因此就需要使用補(bǔ)償?shù)霓k法，將橢圓偏振光變?yōu)槠矫嫫窆?。其方法是在光路中加入一片?4補(bǔ)償片（又稱(chēng)色那蒙補(bǔ)償片）。圖5的斜橢圓是由入射偏振光與纖維軸成45。C而位相差又為任意值時(shí)產(chǎn)生的。從圖5可以設(shè)想將原來(lái)由沿OY、OZ方向振動(dòng)的兩平面偏振光疊加而成的斜橢圓偏光,等效地看做由沿該橢圓長(zhǎng)、短軸、方向振動(dòng)的振幅、的兩個(gè)分振動(dòng)疊加而成的正橢圓偏光。由此可進(jìn)一步推斷：對(duì)任何一個(gè)長(zhǎng)短軸在任意方向的斜橢圓偏光都可以等效地看作由沿該橢圓長(zhǎng)、短軸方向振動(dòng)的兩個(gè)分振動(dòng)疊加而成的正橢圓。如前（1）所述，這兩個(gè)分振動(dòng)總有л/2奇數(shù)倍的位相差[參見(jiàn)圖4（a）]。若在光路中加入λ/4玻片，并使玻片的光軸方向與斜橢圓的長(zhǎng)軸或短軸方向一致。這樣，當(dāng)透過(guò)試樣后的合成橢圓偏振光再經(jīng)λ/ 4玻片的補(bǔ)償，使橢圓的長(zhǎng)軸和短軸振動(dòng)的兩個(gè)分振動(dòng)之間的位相差減小或加大л/2而成為nπ(n為整體)。當(dāng)兩個(gè)分振動(dòng)之間的位相差成nπ時(shí)，合振動(dòng)將成為平面偏振光，其振動(dòng)方向在與橢圓外切矩形的對(duì)角線(xiàn)上（圖6中用單點(diǎn)劃線(xiàn)表示）。應(yīng)特別指出，從對(duì)圖6的等效原理分析得知，只有使λ/4玻片的光軸方向與起偏鏡光軸方向平行，并使纖維試樣與起偏鏡光軸成45。C時(shí)，經(jīng)λ/ 4玻片玻片補(bǔ)償后的合成偏光才成為平面偏振光，因此實(shí)驗(yàn)中需特別注意。圖6 橢圓、圓偏振光經(jīng)玻片補(bǔ)償后變成平面偏振光，其振動(dòng)方向示意θθθθθθθθθθθθ旋轉(zhuǎn)后檢偏方向纖維軸方向檢偏方向起偏方向由圖6可以看出①補(bǔ)償后的平面偏振光的振動(dòng)方向與起偏鏡光軸方向之間的夾角θ（又稱(chēng)為補(bǔ)償角）為o光與e光位相差的二分之一。設(shè)位相差為δ，即：δ=φoφe=2θ【1】因此，可以通過(guò)求出補(bǔ)償角θ而進(jìn)一步求出通過(guò)纖維后o光與e光的位相差，繼而求出雙折射Δn。②補(bǔ)償后的平面偏振光的振動(dòng)方向與原檢偏鏡方向不垂直（參見(jiàn)圖6），使顯微鏡視野中的纖維中呈現(xiàn)光亮，光亮程度和θ角大小有關(guān)。如逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，當(dāng)檢偏鏡光軸方向與補(bǔ)償后的平面偏振光振動(dòng)方向重又保持垂直時(shí)，視野中的明亮纖維重又變成黑暗，則此時(shí)檢偏鏡旋轉(zhuǎn)的角度即等于補(bǔ)償角θ。補(bǔ)償角的兩倍即是兩分光的位相差。如遇到補(bǔ)償角θ大于90。的情況時(shí)，則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)檢偏鏡就找不同全消光的位置，此時(shí)就需順時(shí)針旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，使纖維中間部分的亮條紋變成黑暗。設(shè)此旋轉(zhuǎn)教為β，則補(bǔ)償角θ=180。β。測(cè)定牽伸絲補(bǔ)償教時(shí)，視野中出現(xiàn)的干涉圖樣可能呈現(xiàn)兩種情況：一種是最內(nèi)一個(gè)干涉環(huán)的兩條黑線(xiàn)未并擾，中間的光亮部分為不滿(mǎn)一個(gè)波長(zhǎng)的小數(shù)部分，它的位相差大小由上述方法測(cè)定（通過(guò)卷繞絲的兩分光的光程差也由