織物的防刺機制及刀具形狀對防刺性能的影響

邢京京， 錢曉明

(天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387)

織物的防刺機制及刀具形狀對防刺性能的影響

邢京京， 錢曉明

(天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387)

為研究高強織物抵御刀具刺破的機制，從力學角度分析了在刀具穿刺過程中織物的受力變化及刀具能量轉(zhuǎn)化，并結合超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維防刺材料的靜態(tài)穿刺與動態(tài)穿刺實驗，驗證了刀具的瞬時沖擊力及動能轉(zhuǎn)化的理論分析。計算結果顯示：在沖刺動能為24 J、刺入角度為0°條件下，對織物產(chǎn)生的瞬時沖擊力可達1 811.85 N，對織物的瞬時壓強為7.49×108Pa，此二者是導致織物受損的主要因素；刀具刺入過程中產(chǎn)生的動能除克服織物的彈性外，還有部分能量因摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，該熱能至少可使織物升溫100 ℃，但具體轉(zhuǎn)化率還有待研究；此外，不同刀具形狀對織物的破壞機制不同，直接影響破口形態(tài)和穿刺深度，相同條件下，雙刃刀刺入最深，其次是單刃刀和錐。

防刺機制； 防刺性能； 超高分子質(zhì)量聚乙烯； 穿刺實驗； 力學分析； 刀具形狀

防刺服裝作為防護服的一類近年來備受關注，國內(nèi)外學者對防刺材料、防刺層的設計以及各種織物的防刺性能都有所研究，并取得了較大的進展，但有關防刺機制的研究較少。防刺機制與防彈機制不同。20世紀80年代，英國的Cazzuffi等[1]根據(jù)建筑用非織造材料穿刺過程中的形變情況指出，刺破是材料拉伸性能失效的結果；Murphy等[2]通過測試多種土工布的擊穿強度，分析計算獲得土工布被擊穿時的應力與應變曲線；Termomia[3]通過建立尖頭型刺錐刺破織物的數(shù)值模型，將刺破載荷特征與特定織物刺破機制聯(lián)系起來。之后有學者[4-6]利用有限元法模擬刀具穿透織物的過程，并指出穿刺過程主要分為織物拉伸、紗線滑移、紗線斷裂和紗線拉出4個階段，通過分析刀具的位移與受力關系[7]，可預測出刀具的穿透深度。近年來多位學者[8-10]研究剪切增稠液(STFs)浸漬對織物防刺性能和防彈性能的影響，并指出防刺機制與防彈機制的不同之處。

眾多研究表明，尖銳刀具穿刺織物的過程是一個力學過程，與拉伸、撕裂有密切的關系，從機制上來說，這三者之間既有聯(lián)系又有不同?？椢镌谑艿酵饬鞎r，首先是紗線由彎曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，并且壓迫非拉伸系統(tǒng)的紗線。隨受力時間增加，受力系統(tǒng)的紗線開始變細，織物變薄，橫向非拉伸系統(tǒng)的紗線由于切向滑動阻力的作用向內(nèi)聚集，織物呈現(xiàn)束腰形，最后紗線逐根斷裂，織物被破壞[11]?？梢姡炱茐氖峭饬χ饾u突破紗線彈性極限的一種行為。關于織物的撕裂機制，國內(nèi)外早已有比較成熟的理論：織物在撕裂過程中形成撕裂三角區(qū)[12-13]，三角區(qū)內(nèi)的紗線被拉伸、聚集、斷裂。從根本上來說撕裂也是一種拉伸，只是纖維受力方向不同。而織物的刺破是指尖銳物體在一定外力作用下與織物接觸并穿透織物的一種現(xiàn)象。織物在被刺過程中，纖維或紗線受到的是來自刀尖的推擠、穿刺力帶來的拉伸，以及刀刃的切割作用。整個刺入過程時間很短，織物受到的是瞬時沖擊力，因此防刺是介于防彈和抗拉伸之間的一種性能。本文將結合相關實驗從織物受力以及刀具能量的轉(zhuǎn)換角度探究織物的防刺機制。

1 織物防刺機制

1.1 單層織物被刺過程的受力分析

柔性防刺材料是使用高性能化學纖維、金屬絲、蠶絲等織造的高支高密織物或非織造布及其復合材料，具有輕質(zhì)柔韌、舒適性高的優(yōu)點。柔性防刺材料以織物或非織物的層疊復合為主體，刀具刺入過程中，層層突破直至刺透，因此每層受力情況接近，只是力的大小逐層削弱，因此本文主要研究單層織物在被刺過程中的受力情況。刀具刺入織物的過程是一個動力學過程。如圖1所示，當?shù)毒咦饔迷诜来谭砻鏁r,織物受到刀尖的穿刺力F隨刀具的刺入，面料層逐漸彎曲,穿刺力F分解為平行于織物表面的切向力(拉伸力)F1和垂直于織物表面的法向力(剪切力)F2。法向力主要表現(xiàn)為對織物縱向的剪切破壞，切向力主要表現(xiàn)為對織物的橫向拉伸破壞?？椢镂幢淮檀┣?，在一定范圍內(nèi)隨刺入深度的增加，∠α增大，F(xiàn)1減小，F(xiàn)2增大。當織物被刺破之后，F(xiàn)2迅速消失，刀刃對織物進行剪切破壞，因此織物被刺破時，纖維既有剪切斷裂又有拉伸斷裂。由此可知，防刺面料必須具有良好的抗剪切和抗拉伸性能，其中抗剪切性能占主導地位[14]。通過測試可知，機織布和無緯布的抗拉伸性能高于抗剪切性能,而非織造布的抗剪切性能高于抗拉伸性能。

圖1 織物被刺時的受力分析Fig.1 Stress analysis on stabbed fabric

如果物體間的相互作用時間△t很短，而動量卻發(fā)生了可觀的變化，這時相互作用力必然很大，這種力稱為沖擊力(N)[15]。參考GA 68—2008《警用防刺服》和NIJ 0115.00《個體防刺衣》，測試用刀具加配重總質(zhì)量為2.4 kg，以(24±0.5)J的動能，0°刺入角有效沖刺防刺服，則有：

所以

式中：m為刀具總質(zhì)量，2.4 kg；g為重力加速度，m/s2；v0為刀具接觸織物瞬間的速度，m/s；vt為刀具刺入織物后的速度，m/s；△t為刀具接觸織物至穿透織物所用時間，s。

Horsfall等[16]通過將傳感器連接至刀刃及手柄處，真人握持刀具刺入織物，測得刺入時的最大沖擊力在1 750～2 000 N之間。圖2示出增加傳感器的刀具。圖3示出真人握持刀具傳感器記錄圖像。從圖3可看出實際刺入時間很短，按0.006 s[16]計算，則沖擊力可達1 811.85 N。

圖2 增加傳感器的刀具Fig.2 Layout of instrumented knife

圖3 真人握持刀具傳感器記錄數(shù)據(jù)Fig.3 Force data from a test using large round handle with hand against guard

由于刀尖和刀刃與織物的接觸面積非常小，因此在刺入過程中，快速下落的刀尖對織物產(chǎn)生壓強為

式中：F為刀尖接觸織物時對織物施加的力，F(xiàn)=mg=2.4 kg×9.8 m/s2=23.52 N；S為刀尖的橫截面積；對于匕首類刀具，S≈3.14×10-8m2。

則瞬時壓強為

當?shù)都獯倘牒螅度袑椢锂a(chǎn)生剪切作用，

此時

式中：k為織物的彈性系數(shù)；h為織物因形變下陷的距離；D為測試夾具的直徑或動態(tài)仿真測試時織物形變直徑；S2為刀刃與織物的接觸面積?？椢锉淮毯蟮男巫?nèi)鐖D4所示。

圖4 織物被刺后的形變Fig.4 Deformation of stabbed fabrics

由于S2也很小，所以刀刃對織物的壓強依然很大，這種剪切作用對織物的破壞遠大于拉伸作用?？梢姷都庠诖倘肟椢飼r對織物產(chǎn)生的巨大沖擊力 及壓強是破壞織物的主要原因。

1.2 刀具穿刺織物過程的能量變化

刀具接觸面料時具有一定的動能，在實驗中，用負重刀具從一定高度下落來模擬刀具刺入時動能的獲得，因此，

式中：H為刀具下降的距離，m；該式忽略了空氣阻力。

如圖4所示，當?shù)都饨佑|面料時，刀尖對材料表面擠壓，在A點產(chǎn)生穿刺力F，持續(xù)施加力直至突破纖維或紗線的彈性限度，纖維或紗線斷裂，此時織物表層已被破壞，這一過程中刀具所具有的動能逐漸轉(zhuǎn)化為織物的彈性勢能。隨刀尖的進入，刀刃與織物開始發(fā)生摩擦，部分動能開始轉(zhuǎn)化為熱能，這一點從織物斷面的掃描電鏡照片中可明顯看出。圖5示出超高分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)非織造布的刺破截面?？梢娔Σ廉a(chǎn)生的熱量已經(jīng)將纖維融化。UHMWPE因其具有高強度、高模量、低密度的優(yōu)良特性而廣泛應用在工業(yè)、醫(yī)學和防沖擊吸能領域[17-18]，但其熔點較低，僅140 ℃左右，在被刺過程中，出現(xiàn)熔融現(xiàn)象說明刺入瞬間刀具與纖維之間的摩擦生熱不可忽略。因為防刺材料大都為多層結構，因此，隨著刀具的刺入，刀尖不斷壓迫下層面料，刀刃摩擦并擠壓上層面料，直至刀具的動能完全轉(zhuǎn)化為勢能和熱能。由能量守恒可得：

所以

能量Q一部分通過織物中纖維或紗線的滑移被吸收，一部分則轉(zhuǎn)化為熱能。

圖5 UHMWPE非織造布刺破斷面電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM image of UHMWPE nonwovens pierce

這一理論分析也與Instron萬能強力儀測得的刀具在刺入過程中的穿刺力的變化曲線基本一致，如圖6所示。

圖6 單層UHMWPE非織造布刺破過程圖Fig.6 Single-layer UHMWPE nonwovens puncture process

在實際刺入過程中，隨著刀具的刺入，切向力F1對纖維不斷排擠，導致纖維的滑移和堆積，從而導致彈力(F彈)逐漸變化，因此出現(xiàn)穿刺力的波動。

非織造布面料彈性回復率低，刺入背面形成尖狀凸起；機織物和針織物的彈性回復率較好，織物雖被刺破，但刀具移除后，僅留破口，形變較小。且針織物所特有的線圈結構使得其具有良好的能量吸收性、成型性和抗沖擊疲勞性[11]。在匕首等尖銳器具刺向針織物時，首先發(fā)生被刺線圈的滑移,滑移的線圈在一定程度上緩沖了刀具的沖擊力，接著相鄰線圈由于紗線的滑動而抽緊，被抽緊的線圈不但增大了紗線間摩擦力，而且吸收掉一部分沖擊能量，當線圈紗線無法滑動時，針織物變形達到 自鎖狀態(tài)[3]，因此，緊密度較高的針織物可起到鎖住刀尖的作用，從而抵御刀刺,但是一旦刀尖割斷紗線，針織物對刀具的束縛作用就會迅速降低。

2 刀具形狀對織物防刺性的影響

研究發(fā)現(xiàn)，織物的抗刺性能與纖維的強度[19]、織物的組織結構[20]以及涂層[21]等后處理密切相關。另外，刀具的形狀也對織物的防刺性有較大影響[16]，甚至刀柄的大小及形狀也會影響力的大小與傳遞[22]。常見的刀具有雙刃刀、單刃刀、三棱刀、錐子等。被雙刃刀刺破的織物破口形態(tài)口呈一字型，刀具對織物的作用主要是剪切作用；被單刃刀刺破的織物破口形態(tài)呈T字型，刀具對織物既有剪切作用又有排擠作用；被三棱刀刺破的織物破口形態(tài)呈Y型[23]，刀具對織物的作用主要為剪切和頂破；錐類刺具刺破的織物破口形態(tài)為O型，錐具對織物的主要作用是頂破和排擠纖維。相同纖維材料的防刺產(chǎn)品對不同刀具抵御強度也不同，就非織造結構而言，對錐和單刃刀的防護效果要好于雙刃刀[24]。

表1示出各類刀具的穿刺實驗結果，由表可看出，雙刃刀對織物的破壞作用最為強烈。

表1 各類刀具的穿刺實驗結果

注：測試材料均厚度為1.42 mm，面密度為270.76 g/m2的超高分子質(zhì)量聚乙烯短纖非織造布。靜態(tài)穿刺實驗在Instron萬能強力機上進行，刀具速度為200 mm/min。動態(tài)穿刺實驗按照GA 68—2008在天津工業(yè)大學自制的落錘式動態(tài)穿刺儀上進行，刀具配重為2.4 kg，沖擊動能為(24±0.5)J，刺入角為0°。

2.1 圓錐類刺具

圓錐類刺具在刺入過程中是針尖刺入織物并逐漸推開纖維直至刺破，不存在剪切作用。存在刺錐與纖維的擠壓摩擦作用。

如圖7所示尖頭圓錐刺入織物過程。錐尖由于自身重力G不斷向下，同時受到織物表面的彈力F彈、纖維對錐面的壓力FN以及纖維與錐面間的摩擦力f。其中

G=mg

0°刺入時，刺入體積V與刺入深度d的關系為

式中：θ為圓錐的錐心角。

圖7 圓錐類刺具對織物的作用力Fig.7 Conical spines force on fabric. (a)Start of penetration; (b) Process of penetration; (c)Ending of penetration; (d)Force of thrust process

在這一過程中，F(xiàn)1對纖維不斷排擠，導致纖維的堆積，可增大摩擦力,因此織物的緊密度可影響防刺性，在一定范圍內(nèi)，織物緊密度越大，防刺性越好[28]。織物組織密度過小，則纖維極易被推開，無法起到防刺作用；組織密度過大，則纖維不易成束，織物彈性差，剛度大，整體舒適性大大降低。

2.2 雙刃刀

對于雙刃刀，鋒利尖端的沖擊與刀刃的切割是導致織物破壞的主要原因，因此增加纖維或紗線的強度可有效提高防刺性。如圖8所示雙刃刀對織物的作用力。在刺入過程中，刀尖的受力和錐尖一樣，即刀具配重G與F彈；隨著刀尖的深入，刀刃不斷將纖維沿縱向拉伸剪切，此時，纖維斷裂的2種機制是破壞由縱向拉伸向外側壓和摩擦破損,增加受力處纖維的積聚可阻止刀具的進一步刺入[10]。

扁平刃類刀具的刺入過程中剪切力為主要作用力。剪切力

F2=Fcosα=

摩擦力主要由刀具的兩面與纖維之間的相互作用產(chǎn)生。

0°刺入時，刺入體積V與刺入深度d的關系為

式中：b為雙刃刀的厚度；β為刀刃的倒角。

2.3 單刃刀

單刃刀既有刀尖的刺入、刀刃的切割，也有背刃面對纖維的排擠，可看成錐類和雙刃刀的組合，如圖9所示。f1為剪切力，f2為摩擦力。

0°刺入時，單刃刀的刺入體積V與刺入深度d的關系為

注：該刀具按照美國MIJ 0115.00防刺標準中的2號測試刀具繪制圖8 雙刃刀對織物的作用力Fig.8 Double-point tool force on fabric.(a)Start of penetration; (b) Process of penetration; (c)Ending of penetration; (d)Force of thrust process

注：該刀具按照美國NIJ 0115.00防刺標準中的1號測試刀具繪制。圖9 單刃刀對織物的作用力Fig.9 Single-point tool force on fabric.(a)Start of penetration; (b) Process of penetration; (c)Ending of penetration; (d)Force of thrust process

3 結 論

通過對刀具穿透織物過程中作用力的理論分析得出，在以24 J動能接觸織物表面時，刀尖對織物產(chǎn)生的瞬時沖擊力可達到1 811.85 N，此結果與真人握持刀具沖刺的實驗數(shù)據(jù)吻合；另求得刺入瞬間刀尖對織物的瞬時壓強可達到7.49×108Pa。這二者是破壞織物的主要原因。

刀具穿刺織物過程中，刀刃不斷推擠切割纖維，非刃面與纖維之間產(chǎn)生摩擦，因此動能除克服織物的彈性外，還有部分能量因摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，該熱能雖不如彈道破壞產(chǎn)生的巨大能量，但已使超高分子量聚乙烯纖維熔化，因此不可忽視。只是具體熱量為多少還有待進一步實驗。

織物抗刺性能與纖維的性能、織物的組織結構、層數(shù)及后整理都有密切的關系，另外刀具的形狀也對織物的防刺性有一定的影響。不同刀具在刺破織物過程中的作用機制也不同，錐類刀具主要是排擠摩擦纖維，而刃類刀具對織物的破壞主要是剪切作用。圓錐、雙刃刀、單刃刀的刺入體積與刺入深度之間存在函數(shù)關系。穿刺實驗顯示,同等穿刺條件下，雙刃刀對織物的破壞作用最大，其次是單刃刀，最后是錐類刀具。

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Stab-resistant mechanism of fabrics and influence of cutter shape on stab resistance

XING Jingjing， QIAN Xiaoming

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to explore the stab-resistant mechanism of high-strength fabrics, the fabric stressing changes and cutter energy transformation occurred in the cutters′ stab process are analyzed from the view of mechanics, the stab experiment results of ultra-high molecule weight polyethylene stab-resistant fabric under the static and the dynamic environment verify the theoretical analysis of instantaneous impact force resulting from the cutting tool and the conversion of kinetic energy. The calculation results demonstrate that the instantaneous impact force of the cutter end to the fabric can reach 1 811.85 N and the instantaneous pressure can be 7.49×108Pa under conditions of the stab kinetic energy of 24 J and the stab angle of 0°; and the two are main factors causing the fabric damage. Some kinetic energy produced in the cutter stab process overcomes the fabric elasticity, and the other kinetic energy transforms into heat energy, which allows the fabric to be heated up to at least 100 ℃,but the specific conversion requires further study. Different cutter shapes cause different damage mechanisms to fabrics, and have direct impact on the shape and the stab depth, and under the same conditions, the double-edged cutter has the largest stab depth, followed by single-edged cutters and cones.

stab-resistance mechanism; stab resistance; ultrahigh molecular mass polyethylene; stab experiment; mechanical analysis; cutter shape

10.13475/j.fzxb.20160900407

2016-09-02

2017-03-06

邢京京(1989—)，女，碩士生。研究方向為非織造材料與防護性服裝。錢曉明，通信作者，E-mail:1223134190@qq.com。

TS 156

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