【文章內(nèi)容簡介】 ，梳去其中短纖維，并扯去過長纖維，最后把整理平直的纖維束放在黑絨板上。：纖度（線密度）dtex、夾持長度mm、拉伸速度mm/min、統(tǒng)計次數(shù)等。：取下上夾持器，用張力夾仔細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，但不宜過緊或過松，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)纖維試樣的粗細和卷曲程度而定，一般選用200mg。： （1）、按標準要求夾好纖維后按“拉伸”鍵，儀器開始拉伸并顯示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，重復做第二根纖維試驗，直到本組試驗完畢。（3）、按“復位”鍵，本組試驗完畢。一次拉伸實驗是纖維拉伸機械力學性能的試驗，在試驗過程中，纖維被恒速拉伸至斷裂。其中LBex為斷裂伸長率,Fbex為斷裂強力,LLL3是伸長率不同的三點，F(xiàn)FF3是這三點上所受的強力。本儀器顯示斷裂強力、斷裂伸長、斷裂時間及試驗次數(shù)，并打印出上述數(shù)據(jù)及斷裂功、初始模量和三個不同伸長時的強力值。當一組試驗結(jié)束時打印上述參數(shù)的平均值（X）、標準差（S）及不勻率（CV）。連接計算機可繪制負荷—伸長曲線。四、思考題：1. 解釋典型的負荷—伸長曲線圖上各線段表征的含義？2. 如何根據(jù)負荷—伸長曲線來判斷材料的性能？實驗四 色那蒙補償法測定纖維雙折射一、 實驗?zāi)康?．掌握用色那蒙補償法測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、實驗原理天然纖維和經(jīng)過拉伸取向后的化學纖維中大分子鏈以取向狀態(tài)排列，使其力學、光學等物理性質(zhì)出現(xiàn)各向異性。光學的各向異性表現(xiàn)為雙折射現(xiàn)象。因此可以通過測定纖維雙折射率大小來研究大分子鏈的取向情況。纖維雙折射率測定的方法很多，應(yīng)用最普遍的是浸沒法和光程差法。本實驗采用的色那蒙補償法屬于后者，其實驗方法比浸沒法簡單，但只適用與整個截面取向均勻的圓形纖維。1． 雙折射率與光程差的關(guān)系 色那蒙補償法測定纖維雙折射率的光學系統(tǒng)如圖1所示。由鈉光燈發(fā)出的單色光透過起偏鏡后是一束平面偏振光，其振動方向和起偏鏡的光軸方向相同。當這樣一束平面偏振光進入纖維時，因為纖維具有雙折射性質(zhì)而被分解為兩束振動方向相互垂直的分光。一束分光的振動方向垂直于纖維軸，稱為o光；另一束分光的振動方向平行于纖維軸，稱為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。而光線的傳播速度和折射率成反比，因此振動面平行于纖維軸的光線（e光）速度較慢，稱為慢光，設(shè)此慢光在纖維中的速度為v‖；振動面垂直于纖維軸的光線（o光）速度較快，稱為快光，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路程D所需時間，則t‖=D/ v‖；t⊥=D/v⊥。因為v‖v⊥，所以t‖t⊥。因此可以設(shè)想當快光自纖維中透出時，慢光尚在纖維中，而當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）。因為兩個平面偏振光從纖維中透出后進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會分解為兩束互相垂直的o光和e光，但在離開纖維后這兩束光有會相互疊加成混合光。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，僅在某些特殊情況下才是直線振動。這里需借助于必要的數(shù)學分析來證明上述結(jié)果。若設(shè)從偏鏡透過的平面偏振光振幅為A，其振動方 向與纖維軸夾角為θ，則其透過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）兩束光各自的振動方程可表述為：Y=Aesin(ωt + φe)Z= Aosin(ωt + φo)它們疊加后的合振動方程①為 （2）A0AeObA0AeOacOA0Ae圖3 不同位相差的兩垂直振動合成示意圖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為振動疊加的示意圖。合振動方程因位相差的不同會出現(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。此時方程（2）簡化為,其合振動為一直線偏振光。圖3a為此類振動合成示意圖。實驗中，使纖維軸方向與起偏鏡光軸方向夾角45。C，即偏振光振動方向與纖維軸夾角為45。，則通過纖維分解后的兩束偏振光的振幅相等，即Ao=Ae。當相位差為2nπ時，合成的平面偏振光的振動方向與起偏鏡光軸方向相同，與檢偏鏡光軸方向垂直，不能通過檢偏鏡。因此纖維中厚度能使兩個分光產(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。每兩相鄰黑色條紋間為一個波長的光程差，總光程差為nλ（n為黑色條紋數(shù)）。（2）兩分振動位相差為（2n+1）π，即纖維厚度恰使o光、e光產(chǎn)生光程差。此時方程（2）簡化為，其合振動也為一直線偏振光。圖3為此類振動合成示意圖。當纖維軸與起偏鏡光軸方向成45。C夾角時，合振動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波長的光程差）。（3） 偏振光通過纖維后兩個分光產(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。此時合振動為一橢圓偏振光。圖3c為這類合振動示意圖。對卷繞絲樣品來說，因為其取向度小，通過卷繞絲后兩個分光的光程差不滿一個λ,合振動就屬于這種情況(λ/2情況除外)。另外，牽伸絲樣品取向度較大，通過牽伸絲后兩分光的光程差不是恰好為波長的整數(shù)倍，還有不滿一個波長的小數(shù)部分，與這小數(shù)部分位相差相對應(yīng)的合振動也屬于這種情況。因為橢圓偏振光的電矢量振動方向隨時都在發(fā)生變化，所以它與檢偏鏡光軸方向之間沒有一個固定的夾角，無法用旋轉(zhuǎn)檢偏鏡的方法在視野中找到完全消光的位置，也就無法確定相位相差來求得雙折射值。因此就需要使用補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償原因 （1）當o光與e光位相差為奇數(shù)倍時，合振動方程（2）可簡化為：(a)YZO(b)ZYO(c)ZYO(d)ZYOAA圖4 合成后橢圓偏振光長、短軸方向示意圖此時合振動為正橢圓。其長、短軸分別與o光、e光的振動方向相同[如圖4（a）]。即：若合成后的橢圓偏振光長、短軸分別與合成前的o光、e光振動方向相同時，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方向之間夾角為45。，o光、e光的振幅相等，即Ao=Ae=A， 時，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（不是л/2的整數(shù)倍），合振動為斜橢圓。其長、短軸方向不與o光、e光的振動方向相同[如圖4（c）]。若纖維軸與平面偏振光方向夾角為45。時，合振動仍為斜橢圓。其長、短軸方向在以2A為邊長的正方形對角線上[如圖4(d)]，即與起偏鏡光軸方向成0。或90。的方向上。（3）λ/4玻片的作用；由于合振動方程在一般位相差情況下為斜橢圓，無法用旋轉(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補償片（又稱色那蒙補償片）。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產(chǎn)生的。從圖5可以設(shè)想將原來由沿OY、OZ方向振動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、短軸、方向振動的振幅、的兩個分振動疊加而成的正橢圓偏光。由此可進一步推斷：對任何一個長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、短軸方向振動的兩個分振動疊加而成的正橢圓。如前（1）所述，這兩個分振動總有л/2奇數(shù)倍的位相差[參見圖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軸或短軸方向一致。這樣，當透過試樣后的合成橢圓偏振光再經(jīng)λ/ 4玻片的補償，使橢圓的長軸和短軸振動的兩個分振動之間的位相差減小或加大л/2而成為nπ(n為整體)。當兩個分振動之間的位相差成nπ時，合振動將成為平面偏振光，其振動方向在與橢圓外切矩形的對角線上（圖6中用單點劃線表示）。應(yīng)特別指出，從對圖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，經(jīng)λ/ 4玻片玻片補償后的合成偏光才成為平面偏振光，因此實驗中需特別注意。圖6 橢圓、圓偏振光經(jīng)玻片補償后變成平面偏振光，其振動方向示意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補償后的平面偏振光的振動方向與起偏鏡光軸方向之間的夾角θ（又稱為補償角）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，可以通過求出補償角θ而進一步求出通過纖維后o光與e光的位相差，繼而求出雙折射Δn。②補償后的平面偏振光的振動方向與原檢偏鏡方向不垂直（參見圖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)。如逆時針旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，當檢偏鏡光軸方向與補償后的平面偏振光振動方向重又保持垂直時，視野中的明亮纖維重又變成黑暗，則此時檢偏鏡旋轉(zhuǎn)的角度即等于補償角θ。補償角的兩倍即是兩分光的位相差。如遇到補償角θ大于90。的情況時，則逆時針旋轉(zhuǎn)檢偏鏡就找不同全消光的位置，此時就需順時針旋轉(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，則補償角θ=180。β。測定牽伸絲補償教時，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)一個干涉環(huán)的兩條黑線未并擾，中間的光亮部