組合式三維機(jī)織復(fù)合材料的制備及其抗高速沖擊性能

翁浦瑩， 康凌峰， 孔春鳳， 李艷清， 祝成炎

(浙江理工大學(xué) “紡織纖維材料與加工技術(shù)” 國家地方聯(lián)合工程實驗室， 浙江 杭州 310018)

組合式三維機(jī)織復(fù)合材料的制備及其抗高速沖擊性能

翁浦瑩， 康凌峰， 孔春鳳， 李艷清， 祝成炎

(浙江理工大學(xué) “紡織纖維材料與加工技術(shù)” 國家地方聯(lián)合工程實驗室， 浙江 杭州 310018)

為研發(fā)輕質(zhì)柔軟的高效防護(hù)裝備，以超高分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維為原料，以正交與準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，設(shè)計了8種組合式三維機(jī)織結(jié)構(gòu)，試制UHMWPE組合式機(jī)織復(fù)合材料。采用彈道侵徹試驗及剛?cè)嵝栽囼灉y試了復(fù)合材料的抗高速沖擊性能及柔軟性，探討了影響材料防彈性能及服用性能的主要因素。結(jié)果表明：正交結(jié)構(gòu)單元能夠有效抵抗剪切作用，適合作為沖擊面；在高速沖擊下，沖擊面為正交結(jié)構(gòu)單元的機(jī)織復(fù)合材料單位面積吸收能量值比沖擊面為準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元的高出35.7%，但準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元對抗拉伸作用有優(yōu)勢，且準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)織物抗彎剛度值僅為組合式結(jié)構(gòu)織物最大值的52%，具有較好的柔軟性。

超高分子質(zhì)量聚乙烯； 組合式結(jié)構(gòu)； 復(fù)合材料； 抗高速沖擊

Abstract In order to develop light and soft protective equipment, 8 kinds of combined woven structures with UHMWPE fibers as fiber material were designed based on orthogonal structure unit and quasi orthogonal structure unit. The high velocity impact performance was tested by ballistic penetration test, and softness was tested by bending strength test. Factors affecting their bulletproof property and wearability were discussed. The results show that orthogonal structure unit exhibits better shear resistance and is suitable as the impact face. At high speed impact, the unit of energy absorbed upon ballistic impact of orthogonal structure unit close to the impact face is 35.7%, which is higher than that of quasi orthogonal structure. It is found that quasi orthogonal structure unit provides better tensile resistance and leads to better softness, and the value of its woven is only 52% of combined woven.

Keywords ultrahigh molecular weight polyethylene； combined structure； composite； high velocity impact performance

多年來，國內(nèi)外對防護(hù)裝備的研究從未間斷，人們不僅要求防護(hù)裝備具有優(yōu)異的防護(hù)性能，同時也追求輕便、柔軟等舒適性。如何設(shè)計出高效、輕質(zhì)的防護(hù)裝備是目前該領(lǐng)域重要課題之一[1-3]。常用于防彈復(fù)合材料的有碳纖維、芳綸與超高分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維等，也有多種成分復(fù)合的纖維材料[4-5]，其中UHMWPE纖維具有高強(qiáng)度、高模量，該纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，柔韌性佳，抗沖擊性能更加優(yōu)越，是作為防彈材料的極佳材料[6-8]。傳統(tǒng)的防彈材料大多為二維層壓復(fù)合材料[9-11]，在高速沖擊作用下，易產(chǎn)生分層現(xiàn)象，相關(guān)研究采用改變織物結(jié)構(gòu)或并織丙綸等加以改善[12-13]。三維機(jī)織結(jié)構(gòu)由于垂紗貫穿于厚度方向，使得層間結(jié)合更加緊密牢固[14-15]。目前研究多以正交結(jié)構(gòu)單元、準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元及角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)單元為構(gòu)成元素，設(shè)計組合式三維結(jié)構(gòu)[16-17]。將3種結(jié)構(gòu)單元相結(jié)合，可以彌補(bǔ)單一結(jié)構(gòu)的不足，更加充分發(fā)揮三維結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢[18-19]。根據(jù)課題組前期研究[20-21]，將剪切增稠液應(yīng)用于組合式三維機(jī)織復(fù)合材料，能有效增強(qiáng)材料的抗沖擊性能。

本文研究以UHMWPE為原料，在基本結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)上設(shè)計組合式三維機(jī)織結(jié)構(gòu)，結(jié)合剪切增稠液的優(yōu)勢，制備組合式機(jī)織復(fù)合材料。通過彈道侵徹試驗，測試復(fù)合材料抗高速沖擊性能，分析織物結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料防彈性能的影響。并對其進(jìn)行剛?cè)嵝詼y試，分析材料柔軟度。

1 試樣制備

1.1 原料選擇

試驗采用寧波大成新材料股份有限公司生產(chǎn)的111 tex的超高分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)無捻絲作為原料。平行長絲纖維束容易受靜電影響造成絲束松散，為提高紗線的可織性，對無捻絲加以弱捻，即100 捻/m的UHMWPE作為經(jīng)紗，而緯紗直接選用UHMWPE無捻絲。

1.2 儀器及設(shè)備

ASL2000-20-E型電腦小樣機(jī)，天津市隆達(dá)機(jī)電科技發(fā)展有限公司；JJ-1型增力電動攪拌器，常州普天儀器制造有限公司；PS-40A型超聲波清洗機(jī)，深圳日升五金制品有限公司；LC-213型鼓風(fēng)干燥箱，上海愛斯佩克環(huán)境公司；氣控高速發(fā)射裝置，濟(jì)南華醫(yī)特環(huán)保器材有限公司；LLY-01型電子硬挺度儀，萊州市電子儀器有限公司。

1.3 組合式機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計

試樣選用正交結(jié)構(gòu)單元及準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元，分別記為A、B，將2種結(jié)構(gòu)單元通過層狀復(fù)合形式組合，并任意調(diào)整結(jié)構(gòu)單元位置，確定結(jié)構(gòu)單元數(shù)為4，設(shè)計8種組合式機(jī)織結(jié)構(gòu)，其平面狀三維結(jié)構(gòu)經(jīng)向截面如圖1所示。

1.4 織物織造

組合式機(jī)織物上機(jī)經(jīng)密為200 根/10 cm，上機(jī)緯密設(shè)織機(jī)最大值，利用實驗室自行改造的ASL2000-20-E型電腦小樣機(jī)試制以上8種組合式機(jī)織物。其中制得AABB及ABAB實物外觀見圖2。

1.5 試樣復(fù)合工藝

選用實驗室自制的剪切增稠液體(STF)，以PEG-400為分散介質(zhì)，20 nm的SiO2為分散相粒子，其中SiO2固含量為35%，將STF與無水乙醇以1∶1.5的質(zhì)量比進(jìn)行稀釋并用超聲波清洗器振蕩30 min，使其混合均勻。將織物平整地浸入稀釋液中5 min，取出后在鼓風(fēng)干燥箱中放置13 min，制得UHMWPE組合式機(jī)織復(fù)合材料。

2 測 試

2.1 彈道侵徹試驗

采用定制的氣控高速發(fā)射裝置進(jìn)行彈道侵徹試驗，測試STF-組合式機(jī)織物復(fù)合材料的抗高速沖擊性能，試樣尺寸為17.5 cm×17.5 cm，試驗原理如圖3所示。采用測試儀1得到子彈的入射速度，測試儀給出子彈的剩余速度，子彈質(zhì)量為5.6 g，利用下式計算復(fù)合材料單位面積吸收能量。

I=E/D

式中：E為吸收能量，J；m為子彈的質(zhì)量，kg；vs為子彈的入射速度，m/s；vr為子彈的剩余速度，m/s；I為單位面積吸收能量，J·m2/kg；D為復(fù)合材料的面密度，kg/m2。

2.2 剛?cè)嵝詼y試

采用LLY-01型電子硬挺度儀，參照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定》測試織物的抗彎剛度。經(jīng)、緯向試樣各6條，尺寸為20 cm×2.5 cm。

3 結(jié)果與討論

3.1 織物結(jié)構(gòu)對材料抗高速沖擊性的影響

對8種組合式機(jī)織復(fù)合材料進(jìn)行基本性能測試及彈道侵徹試驗，結(jié)果如表1、2所示。

表1 復(fù)合材料防彈性能測試結(jié)果

表2 復(fù)合材料基本性能測試結(jié)果

各織物結(jié)構(gòu)均由4個結(jié)構(gòu)單元組成，但由于正交結(jié)構(gòu)單元和準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)差異，織物厚度方向的經(jīng)緯紗根數(shù)不等，以致織物厚度不一致?？椢锝?jīng)STF復(fù)合后，試樣質(zhì)量增加，由質(zhì)量增加率表示。圖4示出BAAB組合式機(jī)織物經(jīng)STF復(fù)合前后實物圖。圖中顯示：復(fù)合前織物經(jīng)緯紗清晰分明，UHMWPE纖維具有光澤；經(jīng)STF浸泡烘干后，織物表面經(jīng)緯紗黏結(jié)，可見STF有效滲透到織物孔隙間且附著在纖維表面。對BAAB織物在復(fù)合前進(jìn)行彈道侵徹試驗，得到單位面積吸收能量為77.46 J·m2/kg，而浸漬STF后，試樣單位面積吸收能量為98.46 J·m2/kg，較浸漬前增加了27.1%。故剪切增稠液在阻礙子彈侵徹中起到了一定的作用，當(dāng)子彈以高速沖擊試樣，STF瞬間固化，加強(qiáng)了試樣抵抗沖擊能力，降低子彈前進(jìn)速度；在子彈射出試樣后，STF又呈現(xiàn)為液狀。

3.1.1 表觀破壞形態(tài)

選用各結(jié)構(gòu)織物在彈道侵徹試驗中由第1發(fā)子彈測試產(chǎn)生的彈孔拍攝成像，觀察試樣彈孔截面，結(jié)果如圖5所示。圖中顯示：各受彈面纖維斷裂較為平整，主要是在較大的沖擊力下，試樣纖維產(chǎn)生剪切斷裂；而子彈出射面相對隆起，纖維拉伸斷裂較為粗糙，因為在子彈繼續(xù)侵徹試樣直到完全射出，纖維受到強(qiáng)大的拉伸。根據(jù)織物結(jié)構(gòu)的不同，經(jīng)子彈侵入后，試樣呈現(xiàn)的表觀形態(tài)略有差異。

圖5(a)、(b)示出BBBB試樣受彈面與出彈面的表觀圖。子彈頭部為圓錐形，頂端尖銳，在子彈接觸試樣表面，在厚度方向產(chǎn)生了剪切應(yīng)力波，使表層纖維瞬間斷裂，四周破壞面積較大；隨著子彈的繼續(xù)侵入，子彈尾部呈圓柱狀，試樣破壞主要因素為壓縮應(yīng)力波的傳遞，UHMWPE受到嚴(yán)重擠壓產(chǎn)生拉伸變形，但由于該纖維拉伸強(qiáng)度極大，僅有少量纖維斷裂，其余大部分纖維在子彈的高速沖擊下伸長，因而造成彈孔周邊的鼓包現(xiàn)象。

將表層準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元由正交結(jié)構(gòu)單元替代，得到ABBB結(jié)構(gòu)，試樣破壞表觀見圖5(c)、(d)。沖擊面經(jīng)剪切作用后，部分紗線斷裂，但相較于BBBB結(jié)構(gòu)，彈孔四周影響面積較小，正交結(jié)構(gòu)單元經(jīng)緯紗平鋪，經(jīng)垂紗束縛，紗線彎曲擾度小，易將剪切應(yīng)力波向周圍傳遞，減少試樣損傷程度。出彈面纖維拉伸鼓起現(xiàn)象明顯，由于準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元是同層經(jīng)緯紗上下交織且以垂紗捆綁，其中一塊區(qū)域受到拉伸作用，在平面及厚度方向上的緊密聯(lián)系，使得抵抗拉伸能力加強(qiáng)。

AAAA試樣彈孔截面如圖5(o)、(p)所示，受彈面表觀破壞清晰，出彈面纖維斷裂根數(shù)較多，但鼓包相對不明顯，涉及面積也略小，正交結(jié)構(gòu)單元在拉伸作用下抵抗能力較弱。

分析8組試樣表觀圖可知，沖擊面為正交結(jié)構(gòu)單元，受彈面破壞面積較小，正交結(jié)構(gòu)單元抵抗剪切作用具有優(yōu)勢；而子彈繼續(xù)侵入試樣，在壓縮應(yīng)力波的影響下，準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元由于結(jié)構(gòu)上的特征能夠很大程度上的抵抗拉伸斷裂，產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象。

3.1.2 能量吸收

利用氣控高速發(fā)射裝置測試復(fù)合材料的抗高速沖擊性能，得到入射速度及剩余速度，為更加清晰比較各試樣的抗高速沖擊性能，結(jié)合試樣面密度，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單位面積吸收能量，由于相同結(jié)構(gòu)織物3次測試后所得結(jié)果方差較小，故選用每種結(jié)構(gòu)織物第1次測試所得單位面積吸收能量作為分析。由表1可見，改變織物結(jié)構(gòu)單元組合形式及調(diào)換結(jié)構(gòu)單元位置，其復(fù)合材料所得到的抗高速沖擊性能各不相同。試樣均為4個結(jié)構(gòu)單元組成，純正交結(jié)構(gòu)單元試樣和純準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元試樣相比，正交結(jié)構(gòu)的單位面積能量吸收數(shù)值較準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)高出21.5%，因此織造單種結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合材料選擇多層正交結(jié)構(gòu)為宜。

ABBB組合式結(jié)構(gòu)試樣具有最佳抗高速沖擊性能，彈道侵徹試驗過程中，子彈依次侵入1個正交結(jié)構(gòu)單元及3個準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元。正交結(jié)構(gòu)單元彎曲撓度較小，試樣受剪切作用時，應(yīng)力波向四周傳遞較快。與正交結(jié)構(gòu)單元相比，準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)交織點(diǎn)較多，在子彈的拉伸作用下，纖維拉伸變形所需要的能量加強(qiáng)，有效降低子彈穿過復(fù)合材料的速度，試樣單位面積吸收能量較大。將首個正交結(jié)構(gòu)單元替換為準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元，構(gòu)成BBBB結(jié)構(gòu)試樣，其單位面積吸收能量值比原來降低26.3%。表明正交結(jié)構(gòu)單元能夠有效抵抗剪切作用，適合作為沖擊面。

將ABBB結(jié)構(gòu)中某個準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元由正交結(jié)構(gòu)單元替換，試樣單位面積吸收能量均有所下降?？垢咚贈_擊性能最弱的是AAAB組合式結(jié)構(gòu)，試驗時子彈依次通過連續(xù)3個正交結(jié)構(gòu)單元與1個準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元，計算得到單位面積吸收能量為91.06 J·m2/kg，僅為ABBB組合式結(jié)構(gòu)復(fù)合材料吸收能量的71.27%。正交結(jié)構(gòu)單元先受剪切作用，纖維產(chǎn)生剪切斷裂，而后該作用力轉(zhuǎn)換為拉力，纖維受拉伸破壞較為嚴(yán)重。與準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元相比，正交結(jié)構(gòu)單元抵抗拉伸作用的能力較弱。

ABAB、ABBA、AABB、BAAB均由2個正交結(jié)構(gòu)單元與2個準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元組合，但其結(jié)構(gòu)單元前后位置不同，導(dǎo)致了復(fù)合材料抗高速沖擊性能的差異。調(diào)換結(jié)構(gòu)單元位置，使得紗線交織點(diǎn)的分布發(fā)生變化，紗線與紗線間堆砌的緊密度各不相同，最終導(dǎo)致復(fù)合材料單位面積吸收能量的高低不等。分析可知正交結(jié)構(gòu)單元能夠有效抵抗剪切作用，準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元對于緩解拉伸作用具有優(yōu)勢。

3.2 織物結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料剛?cè)嵝缘挠绊?/p>

抗彎剛度表示織物抵抗彎曲形變的能力，也是反映織物舒適性的一項指標(biāo)，抗彎剛度越大，表示織物柔軟性越差。由表2可見，BBBB結(jié)構(gòu)試樣總抗彎剛度為16.45 cN·cm，ABBB結(jié)構(gòu)試樣測試結(jié)果表明其柔軟性僅次于BBBB結(jié)構(gòu)試樣，而AAAA結(jié)構(gòu)試樣總抗彎剛度較大，達(dá)到21.72 cN·cm，故準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元織物具備較好的柔軟性，抵抗拉伸作用能力強(qiáng)。

觀察8種織物結(jié)構(gòu)的總抗彎剛度值可以發(fā)現(xiàn)，A、B結(jié)構(gòu)單元兩兩組合后，總抗彎剛度值略高，ABAB結(jié)構(gòu)試樣測試值高達(dá)34.25 cN·cm，約為BBBB結(jié)構(gòu)試樣抗彎剛度值的2倍。這是由于組合式結(jié)構(gòu)中，2種不同結(jié)構(gòu)單元相結(jié)合，使得織物紗線間的緊密度提高，試樣抗彎剛度增強(qiáng)，柔軟性能有所減弱。

4 結(jié)束語

本文研究以正交結(jié)構(gòu)單元、準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元為基本單元，設(shè)計8種組合式結(jié)構(gòu)，成功織造織物，并經(jīng)STF復(fù)合工藝制備復(fù)合材料。單位面積吸收能量為材料彈道性能指標(biāo)，抗彎剛度為織物柔軟性指標(biāo)，通過測試與分析得到以下結(jié)論：

1)非沖擊面均為3個準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元，沖擊面為正交結(jié)構(gòu)單元的試樣與沖擊面為準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元的試樣相比，前者的單位面積吸收能量數(shù)值高出35.7%，受彈面纖維斷裂平整，在高速沖擊最初階段受到剪切應(yīng)力波作用，故相對于準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)，正交結(jié)構(gòu)單元能夠有效抵抗剪切作用。

2)沖擊面均為正交結(jié)構(gòu)單元，將非沖擊面中的某個準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元替換為正交結(jié)構(gòu)單元，則單位面積吸收能量值均呈現(xiàn)下降趨勢，且出彈面均呈現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，在高速沖擊中后續(xù)階段壓縮應(yīng)力波傳遞，因此相對于正交結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元對于抵抗拉伸作用有優(yōu)勢。

3)相較于正交結(jié)構(gòu)單元，準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)單元具有較好的柔軟性，且準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)織物抗彎剛度僅為組合式結(jié)構(gòu)織物最大值的52%，因為組合式結(jié)構(gòu)織物紗線間的緊密度提升，織物柔軟性下降。

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Preparation and high velocity impact performance of combined 3-D woven composites

WENG Puying, KANG Lingfeng, KONG Chunfeng, LI Yanqing, ZHU Chengyan

(NationalEngineeringLabforTextileFiberMaterialandProcessingTechnology(Zhejiang),ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

10.13475/j.fzxb.20141205906

2014-12-29

2015-11-25

浙江省國際科技合作專項(合作研究)項目(2012C24013)；浙江省教育廳科研計劃項目(Y 201226166)；浙江省高校重中之重學(xué)科開放基金資助項目(2013YXQN02)；浙江理工大學(xué)研究生創(chuàng)新研究項目(YCX14011)

翁浦瑩(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為現(xiàn)代紡織技術(shù)及新產(chǎn)品研究。祝成炎，通信作者，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn。

TB 332

A