超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维因其优异的力学、耐化学腐蚀、抗冲击性和耐磨性能等,被广泛应用于民用和军事领域。其与碳纤维、芳纶纤维并称为当今世界三大高科技特种纤维。近年来,我国UHMWPE纤维产业取得了长足发展,但由于国外技术的封锁和国内研发基础薄弱,国内产品多集中在中低端市场,高性能纤维仍然需要大量进口。现有纤维加工多采用引进国外设备、原料,模仿国外工艺的方式,关于UHMWPE纤维加工原理的研究薄弱,无法从根本上实现对纤维加工工艺的优化和性能的提升。目前UHMWPE高性能纤维工业化生产主要采用凝胶-热拉伸方法,该方法主要分三部分:1)溶胀过程;2)挤出纺制冻胶丝;3)冻胶丝的多级热拉伸。溶胀过程中温度、时间及搅拌方式是决定原料是否充分塑化、纤维结构分布均匀性的关键。在这个阶段,分子链达到一定程度的解缠结状态,形成初步松散的网络结构。挤出过程中,在料筒的高温和螺杆的强剪切搅拌作用下,分子链进一步解缠结。纺丝过程中,喷丝口挤出的丝条快速降温发生相分离形成冻胶丝。在多级热拉伸阶段,低取向片晶逐步转变为沿拉伸方向高度取向的伸直链晶体。UHMWPE纤维的高性能源于高度取向的伸直链晶体。因此,研究并揭示纤维纺制过程中结构演变过程、围观机理对UHMWPE纤维工业加工调控至关重要。UHMWPE纤维的加工是温度、拉伸等多场耦合驱动的多尺度结构快速演化过程。针对UHMWPE纤维加工的特征,本论文工作研制了凝胶纺丝装置和连续拉伸装置,用以制备冻胶丝和模拟工业化UHMWPE纤维加工过程。结合自制双轴单向拉伸装置和高时间、空间分辨的同步辐射X射线散射技术,辅以扫描电子显微镜(SEM)、力学测试等研究手段,系统地研究了冻胶丝和萃取后冻胶丝拉伸过程中结构演化,揭示了温度、应变参数空间内冻胶丝结构演化机理,构建了预拉伸/后拉伸参数-结构-性能的关系。本工作可为UHMWPE高性能纤维加工工艺的调控提供基础性数据。本论文的主要结果和结论总结如下:本文以重均分子量为450万左右的UHMWPE为研究对象,采用凝胶-热拉伸法,选用国产矿物油(白油)为溶剂,经过溶胀、挤出纺丝获得分子链处于解缠结状态的UHMWPE冻胶丝。冻胶丝再经过后续拉伸获得高性能纤维。研究了UHM W P E高性能纤维纺制过程中的结构演变。1)结合工业化生产和实验室条件,自行设计一套模块化连续拉伸装置。该装置能模拟工业化生产工艺,在实验室条件下实施纺丝过程。实验证明该装置能在满足实验室研究的条件下进行小规模纤维拉伸试验。这套设备的创新之处是在于它是模块化的,可以根据不同实验需求进行组合,一套设备通过不同的组合可以实现三种不同的功能:连续拉伸、作引导牵引辊、拉伸流变仪。2)采用离线宽角与小角X射线散射技术(SAXS与WAXS)跟踪初生冻胶丝在110℃连续拉伸过程中的结构演变。发现子午线方向(拉伸方向)片晶排列长周期随着拉伸的进行逐渐增大,而赤道方向呈现微弱降低现象。结晶度随拉伸的进行,呈现出前期逐渐上升,后期逐渐下降的趋势。这些现象说明拉伸过程中的结构演变为:拉伸前期,由于拉伸诱导结晶生成了微纤结构。随着拉伸进一步进行,无定型区的分子链被拉直后,晶区中的分子链被逐步从折叠链片晶中拉出,最终导致折叠链片晶结构的消失,生成伸直链纤维晶。3)采用原位SAXS和WAXS跟踪冻胶丝在远离熔点和接近熔点温度拉伸过程中的结构演变。在25 ℃的拉伸过程中,在应变硬化之前片晶朝向拉伸方向发生旋转,而折叠链晶体破坏和伸直链纤维形成发生在应变硬化期间。在100℃的拉伸过程中,在应力平台区之前,拉伸诱导晶体熔融,并在应力平台区开始时形成纤维晶。进一步拉伸导致晶体块的剪切位移,并最终破坏折叠链晶体以形成伸直链纤维。4)将冻胶原丝先行萃取,然后再拉伸。用离线WAXS、SEM研究两种不同牵伸比的初生纤维在拉伸过程中的形变机理。基于不同牵伸比的2D WAXS图案、样品的取向参数(f)、结晶度(Xc)和垂直于(200)晶面方向的晶粒尺寸(L(200))等实验结果,发现拉伸前处于各向同性的晶体,在拉伸过程中快速转变为高度取向的晶体,分子链沿拉伸方向排列。结晶度则由开始的近60%快速降低到40%左右并维持不变。由此我们提出了一种通过熔融或破坏来解释形变行为的晶体滑移模型。萃取后的纤维在120 ℃拉伸属于固体拉伸,在拉伸过程中,快速取向的分子链伴随着熔融和破坏,随着拉伸进一步进行,片晶间发生滑移。