摩擦對平紋織物防彈性能影響的研究進(jìn)展

周 熠， 張尚勇， 龔小舟, 徐安長

(武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200)

摩擦對平紋織物防彈性能影響的研究進(jìn)展

周 熠， 張尚勇， 龔小舟, 徐安長

(武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200)

在明確柔性材料防彈原理的基礎(chǔ)上，從有限元建模分析和彈道測試2個方面，對彈丸與試樣間摩擦、紗線與紗線間摩擦作用的運行機(jī)制進(jìn)行了概述，分析了摩擦在彈丸能量吸收過程中起到的直接與間接作用，并且總結(jié)了提高摩擦性能的常用手法。研究發(fā)現(xiàn)：提升彈丸與材料之間的摩擦有利于材料應(yīng)變能和動能的吸收，提升紗線間的摩擦有利于防止紗線滑移和擴(kuò)大能量吸收區(qū)域的面積；纖維表面改性技術(shù)可使纖維間摩擦性能得到顯著的提升，但很難滿足產(chǎn)業(yè)化的需要；將紗羅組織與平紋組織相結(jié)合，可增大緯紗的摩擦包角，提升其緯向握持力。相比于表面改性過的纖維材料，紗羅/平紋復(fù)合組織能夠在全自動織機(jī)上制備，可解決批量生產(chǎn)、人力成本過高等技術(shù)難題。

能量吸收； 平紋織物； 紗線間摩擦； 纖維表面改性； 結(jié)構(gòu)組織變化

柔性防彈服主要由高性能纖維制備而成，通過吸收高速沖擊狀態(tài)下彈丸的動能來達(dá)到彈道防護(hù)的目的。盡管在過去的幾十年中不斷有新材料問世，柔性防彈服所用的材料仍然以芳綸和超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維為主。造成這種現(xiàn)象的主要原因是大部分新型材料無法達(dá)到彈道防護(hù)高強(qiáng)度、高模量等性能要求。其他的新型高性能纖維，例如聚對苯撐苯并二噁唑(簡稱PBO)纖維, 其分子結(jié)構(gòu)會受到空氣中水分及紫外線的影響，導(dǎo)致力學(xué)性能降低[1-2]。2,5-二羥基-1,4-苯撐吡啶并二咪唑(M5)纖維雖然擁有優(yōu)于超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維的性能[3]，但仍處于測試階段，并未投入商業(yè)化使用。

由于新型高性能纖維的開發(fā)需要投入大量的人力物力，且周期長，風(fēng)險大，越來越多的科學(xué)家寄希望通過其他手段，達(dá)到提升柔性防彈服防彈性能的目的。近些年來對柔性防彈服的優(yōu)化設(shè)計主要包括：通過增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和模量可有效地提升防彈服的性能；改變布層的結(jié)構(gòu)，例如針對彈丸在高速沖擊下對柔性材料的破壞機(jī)制，利用具有針對性能的材料，制備雜化防彈布層[4]；利用二氧化硅剪切增稠液體，擴(kuò)大柔性材料在高應(yīng)變率沖擊作用下的應(yīng)變區(qū)域[5]；對柔性材料進(jìn)行等離子體處理，增大纖維與纖維間、材料與彈丸間的摩擦力。無論使用何種方法，最終目的都是希望通過擴(kuò)大材料的能量吸收區(qū)域，來提升其防彈性能。

相比于其他組織，平紋織物具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和能量傳播性能[6]，是當(dāng)前柔性防彈服使用最廣泛的結(jié)構(gòu)之一[7]。平紋織物的能量吸收性能由多種因素決定。本文將從平紋織物能量吸收機(jī)制入手，綜合分析摩擦力對其的影響。在總結(jié)現(xiàn)有提升平紋織物摩擦性能方法的基礎(chǔ)上，提出其存在的問題以及改進(jìn)措施，為柔性防彈服優(yōu)化設(shè)計提供重要參考。

1 平紋織物能量吸收機(jī)制

當(dāng)平紋織物受到彈道沖擊時，與彈丸直接接觸的紗線稱為主紗線，對彈丸動能的吸收起主要作用[8]；與主紗線相互交織的紗線稱為次紗線，對織物能量吸收起加強(qiáng)作用。從沖擊點傳遞出2種波，縱向波和橫向波?？v向波沿著纖維軸向，在材料內(nèi)以聲速傳遞[9-10]。橫向波傳遞過的部分，自沖擊點開始發(fā)生橫向偏移[8]。在平紋織物結(jié)構(gòu)中，由于交織點的相互作用，主紗線的橫向偏移會帶動次紗線運動，形成四面體狀的橫向形變。其速度由彈丸沖擊速度和紗線模量所決定[11]。圖1示出了2種波的傳遞示意圖。材料能量吸收機(jī)制很大程度上由子彈沖擊速度所決定[6, 12]。在高速沖擊狀態(tài)下，織物要靠纖維斷裂吸收子彈動能；在低速沖擊狀態(tài)下，大部分子彈動能通過橫向波和縱向波被材料吸收，轉(zhuǎn)換成材料應(yīng)變能和動能，小部分通過紗線抽出和滑移，被摩擦作用損耗掉[8, 13]。

圖1 橫向波和縱向波的傳遞示意圖Fig.1 Propagation of transverse and longitudinal wave

2 摩擦對能量吸收機(jī)制的影響

DUAN等[13-14]通過有限元建模發(fā)現(xiàn)，盡管在彈丸高速沖擊過程中，只有一小部分能量因摩擦作用而損耗掉，織物應(yīng)變能和動能的轉(zhuǎn)化在很大程度上卻取決于材料和彈丸間的摩擦。在摩擦因數(shù)較低的條件下，主紗線會發(fā)生滑移，導(dǎo)致主紗線上應(yīng)力分布區(qū)域較小，從而降低織物的能量吸收。BAZHENOV[15]用水對芳綸平紋織物進(jìn)行潤濕，從而降低織物的摩擦性能，并且對干燥狀態(tài)下和潮濕狀態(tài)下的織物進(jìn)行高速沖擊測試。實驗結(jié)果表明潮濕狀態(tài)下的織物不利于吸收彈丸動能，其紗線抽出區(qū)域比干燥狀態(tài)窄，印證了有限元模型得出的結(jié)論。

此外，DUAN等[13]認(rèn)為紗線間摩擦力的存在會限制紗線的相對滑移，從而影響退屈曲過程，減少織物與彈丸的接觸時間。然而，KIRKWOOD等[16-17]通過低速彈道沖擊實驗發(fā)現(xiàn)，對于遠(yuǎn)離打擊面的織物來說，纖維幾乎不會發(fā)生斷裂，彈丸動能主要被織物形變和紗線在抽拔過程中的退屈曲和軸向滑移所消耗。將實驗數(shù)據(jù)和準(zhǔn)靜態(tài)紗線抽拔數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，因紗線抽出而損耗的能量占總能耗的60%。也就是說，增加紗線間摩擦有益于加強(qiáng)交織點對紗線的握持力，從而增加因紗線抽出而造成的能量損耗。LEE等[18]認(rèn)為，普通狀態(tài)下的織物在彈丸沖擊過程中主紗線易發(fā)生滑移。復(fù)合材料狀態(tài)下的織物，由于基體材料消除了紗線間的滑移作用，使得纖維更傾向于通過斷裂吸收能量，因此織物在纖維被約束的狀態(tài)下更有利于能量吸收。ZENG等[19]利用桿件單元建立網(wǎng)格模型模擬平紋機(jī)織物的結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)現(xiàn)，紗線間摩擦因數(shù)在0～0.1變化時，平紋織物模型的彈道極限幾乎增加了1倍。進(jìn)一步增加摩擦因數(shù)會略微降低織物的彈道極限。也就是說，紗線間摩擦和織物能量吸收之間并不是簡單的遞增或遞減關(guān)系，而是存在一個臨界摩擦因數(shù)。在低于此摩擦因數(shù)的范圍里，織物能量吸收隨紗線間摩擦增加而增加；高于此摩擦因數(shù)的范圍里，織物能量吸收隨紗線間摩擦增加而減小。ZENG的模型表明，此臨界摩擦因數(shù)為0.1。

BRISCOE等[20]對芳綸機(jī)織物進(jìn)行表面改性，從而改變紗線間的摩擦性能。實驗結(jié)果表明，被聚二甲硅氧烷(PMDS)處理過的織物，摩擦因數(shù)為0.18±0.03，能量吸收最低；經(jīng)索氏萃取的織物，摩擦因數(shù)為0.25±0.03，具有最好的能量吸收性能；未處理織物的摩擦因數(shù)為0.22±0.03，而其能量吸收在前二者之間。 彈道沖擊實驗結(jié)果表明，紗線間摩擦因數(shù)在高于0.1的范圍中，對能量吸收的加強(qiáng)仍有影響。ZHOU等[21-22]利用三維連續(xù)型有限元模型，提出臨界摩擦因數(shù)在0.4左右，和實驗結(jié)果更為相符。在隨后研究中，他們分析了紗線間摩擦因數(shù)μ在0，0.4和0.8狀態(tài)下受彈丸沖擊的應(yīng)力分布圖。當(dāng)μ=0時，在主紗線上應(yīng)力分布區(qū)域細(xì)長，但由于紗線間滑移作用，使得織物會過早發(fā)生斷裂；當(dāng)μ=0.4時，應(yīng)力分布區(qū)域變粗短，說明紗線間摩擦的存在會影響應(yīng)力波在主紗線的傳遞，但由于交織點之間抱合作用的影響，使得應(yīng)力能夠擴(kuò)散到次紗線上；當(dāng)μ=0.8時，由于摩擦力過大，在彈丸的沖擊區(qū)域形成應(yīng)力集中，也減少了彈丸與織物的接觸時間。

綜上所述，彈丸與材料間的摩擦有利于防止紗線發(fā)生滑移，導(dǎo)致彈丸動能無法充分轉(zhuǎn)換為材料的應(yīng)變能和動能；紗線間摩擦對機(jī)織物能量吸收方面的作用是增加交織點對紗線的握持力，且讓更多的能量通過交織點的抱合作用傳遞到次紗線上去，從而增強(qiáng)機(jī)織物的能量吸收性能。

3 織物摩擦性能提升方法

對于平紋織物能量吸收機(jī)制的研究表明，較小地提高織物表面及紗線間摩擦有利于提升其防彈性能。目前提升紗線摩擦性能的主要途徑是纖維表面改性和變換織物結(jié)構(gòu)。以下將對這2種方法及其中存在的問題進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析。

3.1 纖維表面改性

2011年1月，英國BEA公司在倫敦防護(hù)裝備博覽會上推出了一款液體防彈衣。據(jù)介紹，這種液體防彈衣有望將防彈服的質(zhì)量減少一半。這種防彈衣是利用二氧化硅顆粒剪切增稠液對芳綸織物進(jìn)行處理，從而擴(kuò)大織物在彈道沖擊下的應(yīng)變面積和增強(qiáng)紗線間摩擦，提升材料的能量吸收[23-25]。TAN等[24]對經(jīng)不同質(zhì)量濃度的二氧化硅顆粒剪切增稠液處理過的芳綸織物進(jìn)行紗線抽拔實驗，研究紗線在平紋結(jié)構(gòu)中受到交織點握持力的大小。實驗結(jié)果表明，在準(zhǔn)靜態(tài)的抽拔速度下，經(jīng)二氧化硅顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的液體處理過的織物其握持力峰值比未經(jīng)處理的織物高約30%左右。LEE等[25]為研究二氧化硅顆粒對紗線在高速沖擊下摩擦性能的影響，將準(zhǔn)靜態(tài)紗線抽拔實驗變換成動態(tài)實驗。實驗結(jié)果表明，將抽出速率從100 m/s提高到1 400 m/s時，織物對紗線抽拔力的峰值增大了近1倍。

除剪切黏性增稠液的運用，等離子體處理技術(shù)也是對纖維表面改性的常用方法之一。SUN等[26]發(fā)現(xiàn)，被氮氣(N2)顆粒處理過的織物對紗線的握持力稍有增加；被二氯二甲硅烷((CH3)2Cl2Si)粒子處理過的織物，抽拔力峰值是未經(jīng)處理織物的4倍。BRISCOE等[20]不僅對等離子體處理后紗線進(jìn)行摩擦性能測試，而且對織物進(jìn)行了彈道實驗，結(jié)果肯定了等離子體處理對織物防彈性能的提升效果。

由于在織物成型過程中織機(jī)易對纖維造成損傷，影響防彈織物整體的性能，在織造過程中，希望盡可能地降低纖維與織機(jī)各部件間的摩擦。CHITRANGAD等[27]利用一種氟化物后處理技術(shù)，在增加芳綸間摩擦的同時，降低芳綸和金屬部件的摩擦，以減少織造過程中造成的纖維磨損。DISCHLER[28]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芳綸上附著厚度為0.15～0.2 μm的聚吡咯涂層時，可增加纖維間摩擦，對鋼矛形彈丸的能量吸收提升19%。

盡管學(xué)術(shù)界不乏對表面改性領(lǐng)域的探索，至今鮮有成熟的技術(shù)可服務(wù)于柔性防彈材料領(lǐng)域。究其原因可歸結(jié)為2方面：1)經(jīng)剪切增稠液體處理過的平紋織物，雖然能量吸收性能獲得了部分提升，但液體本身質(zhì)量會增加平紋織物的面密度，因此即使平紋織物的層數(shù)能夠有所減少，由于液體自身質(zhì)量的存在，防彈服整體的質(zhì)量未必會降低；2)產(chǎn)業(yè)化困難。現(xiàn)有條件并不能滿足芳綸織物的批量處理，因此像等離子體或者涂層技術(shù)對纖維摩擦性能改良方面的研究仍處于試驗階段。

3.2 組織結(jié)構(gòu)變化

除表面改性，研究人員還試圖通過改變織物結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)織物對紗線的握持力。根據(jù)歐拉公式，紗線抽拔時交織點對紗線的握持力不僅取決于紗線間摩擦因數(shù)，且取決于緯紗的摩擦包角，由于紗羅組織絞經(jīng)與地經(jīng)橫向交織的特點，緯紗與地經(jīng)交織的部分會形成很大的摩擦包角，但是由于紗羅組織經(jīng)紗之間存在的縫隙易造成纖維滑移，這種結(jié)構(gòu)不能單獨用來做柔性防彈材料。ZHOU等[21]通過改進(jìn)現(xiàn)有織機(jī)，利用超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維將平紋結(jié)構(gòu)和紗羅結(jié)構(gòu)結(jié)合起來形成紗羅/平紋復(fù)合組織。紗線抽拔實驗結(jié)果表明，緯紗在變化組織中受到的握持力得到了一定量的提高。盡管如此，變化組織防彈性能的提高卻并不明顯。原因可歸結(jié)為超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維間的摩擦因數(shù)太低，紗羅織物對緯紗握持力的增量不足以影響到防彈性能的變化。SUN等[29-30]利用芳綸織物測試紗羅組織對防彈性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于芳綸間的摩擦因數(shù)比超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維大，紗羅組織部分對緯紗握持力的增量比超高分子質(zhì)量聚乙烯織物要高，因此變化組織對彈丸的能量吸收比平紋組織高。

不同于表面改性，改變織物結(jié)構(gòu)在增加紗線握持力的同時，并不會對織物產(chǎn)生額外的質(zhì)量。此外，只需要對有梭織機(jī)稍加改進(jìn)，就可將紗羅織物融合到平紋中去。相比于纖維表面改性技術(shù)，節(jié)省大量的人力和物力，可適用于柔性防彈服的批量生產(chǎn)。

4 結(jié) 語

本文以柔性防彈材料為研究背景，闡述了材料與彈丸間摩擦、紗線與紗線間摩擦對材料防彈性能的影響，并且總結(jié)了提升摩擦性能的技術(shù)手段。通過回顧前人的工作認(rèn)為，以下幾個方面需要進(jìn)一步深入研究，以滿足柔性防彈服優(yōu)化設(shè)計的需求。

1)基于有限元建模的理論研究主要集中于摩擦力對單層織物模型能量吸收機(jī)制的影響，對于多層織物模型缺乏探討。由于在多層織物系統(tǒng)中，紗線的斷裂模式是不同的，因此需要進(jìn)行大量的理論和實驗分析，來評價摩擦對不同位置織物在彈道沖擊過程中能量吸收的作用。

2)利用顆粒或涂層對纖維進(jìn)行改性，可能會對纖維表面造成損傷，降低纖維強(qiáng)度，需要做進(jìn)一步研究來評價經(jīng)表面改性后纖維的力學(xué)性能變化。

3)雖然在組織變化中，平紋結(jié)構(gòu)區(qū)域的防彈性能得到了提升，但如果彈丸的撞擊點在紗羅結(jié)構(gòu)區(qū)域，則防彈性能無法預(yù)料，需要采取必要的措施，盡可能減少紗羅組織所造成的負(fù)面影響。

FZXB

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Research progress on influence of friction on ballistic performance of flexible materials

ZHOU Yi, ZHANG Shangyong, GONG Xiaozhou, XU Anchang

(CollegeofTextileScienceandEngineering,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430200,China)

Based on the understanding of the response of flexible materials upon ballistic impact, by finite element analysis and ballistic test, this paper reviews the working mechanisms of projectile-material and yarn-yarn friction in ballistic protection, investigates the direct and indirect influence of friction on projectile energy absorption, and summarizes the common approaches for frictional increase. It has been found that increasing the projectile-material friction leads to an increase in material kinetic and strain energy absorption, and increasing yarn-yarn friction avoids yarn slippage and enlarges the energy absorption area; it has also been claimed that, although an increase in friction could be obtained using fiber-surface-modification-based technology, treated fabric is difficult to massively produce; and incorporation of leno structure into plain weave increases the wrapping angle of the weft yarns, leading to an improvement on yarn gripping. In addition, structure-modification-based-technology could be achieved on the power loom, solving the problems of mass production and overhigh labor cost.

energy absorption; plain weave; yarn-yarn friction; fiber surface modification; structure modification

10.13475/j.fzxb.20150503205

2015-05-19

2016-04-12

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(151025)

周熠(1987—)，男，講師，博士。研究方向為彈道防護(hù)材料及其力學(xué)分析。徐安長，通信作者，E-mail：xuanch@live.cn。

TB 334

A