防護(hù)類織物面外變形的研究進(jìn)展

韓曉果， 賈明皓， 肖學(xué)良*， 周紅濤,2， 錢坤

(1.江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；2.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

織物面外變形是指織物在受到垂直織物平面外力作用下，而產(chǎn)生垂直該平面的變形?？椢锇l(fā)生面外變形時，織物本身各項(xiàng)性能也隨之變化，特別是織物的緊度和透氣性?？椢锩嫱庾冃闻c織物的透氣性密切相關(guān)，而織物的透氣性(氣流通過速率)及應(yīng)力-應(yīng)變性能是影響能量擴(kuò)散的兩個重要因素[1]。

緊密型織物是很多保護(hù)性裝置的主要功能元件，其可以在遇險時對被保護(hù)體起到良好地緩沖防護(hù)作用，從而避免傷害或降低傷害程度，如降落傘的傘衣織物、車用安全氣囊、老年人穿戴式安全氣囊、軟著陸緩沖氣囊(包括用于保護(hù)由空中向?yàn)?zāi)區(qū)投放的物資或外部空間降落星球表面的探測車等)。該類緊密型保護(hù)織物工作時，因受高氣壓影響織物內(nèi)的交織結(jié)構(gòu)會發(fā)生面內(nèi)面外變形，透氣性能也隨之變化，保護(hù)性能的不確定性變大，因此了解和掌握織物面外變形規(guī)律對指導(dǎo)后期防護(hù)性織物結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。

文中從機(jī)理的角度探索線性材料及其柔性交織結(jié)構(gòu)在高氣壓下面臨的力學(xué)問題，特別是交織結(jié)構(gòu)三維角度的變形機(jī)理及滲透性能的變化機(jī)理，為設(shè)計新型輕薄類保護(hù)材料提供理論指導(dǎo)。

1 織物變形應(yīng)用中常用材料研究進(jìn)展

織物發(fā)生形變時，會對織物中的纖維、紗線以及由該織物制造出的產(chǎn)品產(chǎn)生一定的影響。因此，需要從織物的原材料出發(fā)，研究面外變形對各個層次包括原料、織物以及產(chǎn)品的影響。

防護(hù)型產(chǎn)品如安全氣囊對織物斷裂強(qiáng)力、撕裂性能、氣密性等都有嚴(yán)格的要求[5]。如果織物的氣密性差，那么當(dāng)氣壓沖擊織物時，會引起氣囊內(nèi)氣壓不足或者保氣時間不夠，從而導(dǎo)致保護(hù)失效等情況發(fā)生。因此，安全氣囊織物若要適應(yīng)不同程度猛烈碰撞的情況，就需安全氣囊絲具有穩(wěn)定性、柔軟性、耐老化性等特點(diǎn)。目前市場上生產(chǎn)安全氣囊的原材料多用尼龍66，然而隨著對尼龍66的需求增加，導(dǎo)致其價格不斷攀升，因此人們期望找到在性能和價格等方面可以替代的新材料。除此之外，還要有一定的熱穩(wěn)定性。Polyanicle High Performance(PHP)公司因此通過熱反射、熱解反應(yīng)提高熔點(diǎn)和熱容等方法對尼龍66紗線進(jìn)行了改善[6]，使其熱穩(wěn)定性有了一定的提高，暫時滿足了人們的需求。

王瑩[7]研究了織物熱收縮性與熱防護(hù)性能之間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)織物熱收縮性較大時，由于空氣層收縮會加劇局部燒傷程度，熱防護(hù)性能并不理想。除普通織物外，碳纖維織物在產(chǎn)業(yè)用紡織品中占比也越來越大。碳纖維織物是一種高性能的復(fù)合材料增強(qiáng)體，因其優(yōu)良的機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于航天航空以及國防軍工領(lǐng)域。由于復(fù)合材料織物在沖壓成型過程中紗線間相互作用較復(fù)雜，導(dǎo)致其成型過程中的力學(xué)現(xiàn)象以及變形機(jī)理研究相對困難[8]。國內(nèi)外研究人員對編織復(fù)合材料的力學(xué)性能及成型等做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，但是對于其變形機(jī)理的研究還有待深入。

2 織物變形機(jī)理的研究進(jìn)展

2.1 研究背景概述

氣囊類保護(hù)型織物在工作時，一般面臨高壓氣體作用，在極短的時間內(nèi)打開折疊織物。這種工作環(huán)境對織物的性能要求極高，一般需要具備：①抗拉強(qiáng)度高、能量吸收性好、耐磨；②透氣性弱；③輕薄、柔軟、便于折疊。對于織物材料，一般要求強(qiáng)度高、密度小、彈性好、熱焓高等。而降落傘類織物在開傘時，會面臨高壓氣流的沖擊，傘衣面料在開傘時需要較大的透氣量，以減少開傘動載，當(dāng)降平穩(wěn)后，傘衣面料則需要較小的透氣量，以降低下降速度，因此對織物要求具有良好的彈性，才可以保證在受到較大沖擊力后能盡量恢復(fù)成初始狀態(tài)。

當(dāng)降落傘在低速條件下開傘時，要求傘衣織物的透氣量以小為宜；而在高速條件下開傘時，則要求織物具有較大的透氣量[2]。理論上即要求在不同開傘動載下，通過控制織物的變形量從而達(dá)到控制透氣量大小的目的[3]。安全氣囊織物的防護(hù)效果與織物滲透性能息息相關(guān)，當(dāng)織物遭受沖擊時，產(chǎn)生的面外變形會使織物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而影響其滲透性和防護(hù)效果。因此，研究高氣壓下緊密機(jī)織物的面外變形機(jī)理對研究織物防護(hù)效果有重要的指導(dǎo)意義[4]。

除此之外，多孔材料的透氣性能取決于材料本身孔隙的幾何結(jié)構(gòu)，而利用達(dá)西定律可通過實(shí)驗(yàn)獲取材料的滲透值。交織結(jié)構(gòu)具有孔隙，因此交織結(jié)構(gòu)有滲透性。如果交織結(jié)構(gòu)緊密，紗線之間有重疊，則紗線本身的孔隙會成為流體流通的主要通道；如果交織結(jié)構(gòu)疏松，則紗線之間的孔隙會成為流體流通的主要渠道。疏松結(jié)構(gòu)的滲透性取決于紗線橫截面的曲率、空隙大小、交織厚度以及紗線本身的半徑或?qū)挾?。按照織物結(jié)構(gòu)單元的孔隙率可整合織物整體的滲透性。由于紡織材料形成的交織結(jié)構(gòu)比較柔軟，即便是低氣壓也會影響交織結(jié)構(gòu)的滲透性，而在高壓氣體下，交織的孔隙幾何結(jié)構(gòu)勢必會發(fā)生變化。

目前，國內(nèi)相關(guān)保護(hù)裝置及配套附件的開發(fā)和應(yīng)用還處于初級階段，在材料和結(jié)構(gòu)上的使用相對單一；隨著人們健康意識和財產(chǎn)保護(hù)意識的提高，以及國家戰(zhàn)略需求，對保護(hù)型織物需求將日益增加，而目前國內(nèi)研究多用宏觀方式簡單的模擬氣流沖擊織物，屬于實(shí)驗(yàn)探索階段。當(dāng)前使用最多的保護(hù)織物材料是錦綸(尼龍)長絲，因?yàn)殄\綸的性能最接近于上述織物對材料的要求，但錦綸的彈性并不能達(dá)到某些保護(hù)織物的要求。

2.2 研究進(jìn)展與結(jié)果概述

王新厚[9]利用壓縮空氣向固定的氣囊織物中充氣以模擬安全氣囊的展開，通過記錄織物的充脹高度來反映織物變形，發(fā)現(xiàn)該過程中織物的雙軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系整體上呈非線性，具體如圖1所示。

圖1 安全氣囊織物的雙軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Biaxial stress-strain relationship of airbag fabric

劉春娜[10]研究了安全氣囊織物的動態(tài)透氣量與織物前后壓差的關(guān)系。結(jié)果表明：織物的動態(tài)透氣量隨織物前后壓差的增大而呈線性增長，具體如圖2所示，而靜態(tài)透氣率與壓力總體呈非線性關(guān)系。

圖2 安全氣囊動態(tài)透氣性與壓差的關(guān)系Fig.2 Relationship between dynamic permeability of airbag and pressure differential

徐靜靜[11]利用搭建的安全氣囊織物動態(tài)變形測試裝置，得到氣囊織物動態(tài)變形過程中不同時刻的變形形態(tài)和充脹高度，同時建立了數(shù)學(xué)模型。發(fā)現(xiàn)織物的動態(tài)充脹高度與泊松比、彈性模量以及織物厚度等呈負(fù)相關(guān)。

BANDARA P等[12]和XIAO X 等[13]分別對氣囊織物(尼龍緊密平紋織物)在高壓氣流下的充脹過程進(jìn)行了研究。前者利用儲存高壓氣體(200 kPa)沖擊固定圓形織物，而后者利用抽氣真空形成的大氣壓(100 kPa)壓縮圓形織物，兩者分別對中心撓度和變形輪廓進(jìn)行了研究，并得出了織物變形后呈球面和橢球面的輪廓。得到織物應(yīng)力隨氣壓的增大而成非線性增加，及織物中心處徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力近似相等的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)變形儀器及變形輪廓如圖3所示。

圖3 氣囊織物高氣壓下面外變形儀器及變形輪廓Fig.3 Out-of-plane deformation instrument and profile of airbag under high pressure

UGURAL A C[14]和LIN H 等[3]分別利用柱坐標(biāo)系和正交坐標(biāo)系將面料夾持成圓形和方形，并根據(jù)軸對稱性和位移的奇偶性，假設(shè)成多項(xiàng)式型和正余弦三角函數(shù)型(內(nèi)含求解參數(shù))，然后根據(jù)邊界條件和平衡方程式求解未知參數(shù)和最終的變形參量。另外， XIAO X等[13]根據(jù)變形位移的奇偶性在極坐標(biāo)系下改進(jìn)了假設(shè)位移，也很好地預(yù)測了交織結(jié)構(gòu)的面外變形。LIN H 等和XIAO X等還分別利用系統(tǒng)能量最小化方法獲得了方形以及圓形面料的變形模型。LIN H 等在3種不同邊界條件下預(yù)測的數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4 3種不同邊界條件下預(yù)測的數(shù)學(xué)模型Fig.4 Mathematical models of prediction under three different boundary conditions

WANG X H 等[15]利用激波理論模擬和預(yù)測織物高氣壓下動態(tài)透氣情況，但并未具體闡述織物結(jié)構(gòu)的變化和滲透性能的發(fā)展趨勢。XIAO X L 等[16]在織物靜態(tài)高壓變形的基礎(chǔ)上，研究了緊密和疏松織物滲透性能完全相反的變化趨勢，但是該研究也未體現(xiàn)織物動態(tài)滲透性能的變化。

GEBART B R[17]構(gòu)建了以六邊形和四邊形方式平行排列的長絲(紗線)在沿軸向和垂直軸方向的滲透模型。后來又有學(xué)者對GEBART B R模型做了補(bǔ)充。如WESTHUIZEN J V 等[18]給出了正方形纖維截面相應(yīng)的纖維束滲透性能的數(shù)學(xué)模型。ADYANI S G等[19]在GEBART B R 模型基礎(chǔ)上給出了上述排列長絲(紗線)在一定角度下的滲透模型。

郭文文等[8]對平紋碳纖維織物進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，對比了不同雙拉比及紗線取向?qū)αW(xué)性能及其成形性能的影響。單軸拉伸、雙軸拉伸以及鏡框剪切曲線如圖5所示。研究結(jié)果表明：織物經(jīng)緯方向上的纖維力學(xué)性能會相互影響；成形過程中的主要變形為剪切變形，為后續(xù)研究碳纖維織物的模擬仿真以及建立數(shù)學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。

圖5 織物拉伸及鏡框剪切曲線Fig.5 Tensile and frame shear curves of fabrics

孫利哲等[20]對氣囊織物在承受0～50 kPa氣壓沖擊的過程進(jìn)行有限元模擬，得到了其充脹后的變形曲線及其薄膜應(yīng)力分布。薄膜單元受力分析及不同壓力下強(qiáng)織物薄膜應(yīng)力分布如圖6所示。結(jié)果表明：向氣囊織物中充氣后，氣囊織物近似于球形，其中心薄膜處的應(yīng)力最大，固定邊界處薄膜應(yīng)力最小，同時薄膜應(yīng)力隨氣壓增大而呈非線性增加等。

圖6 薄膜單元受力分析及應(yīng)力分布 Fig.6 Force analysis of the membrane element and stress distribution

徐鵬偉[21]等對現(xiàn)役傘兵戰(zhàn)車的著陸緩沖裝置——緩沖氣囊進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以滿足二代傘兵戰(zhàn)車的著陸緩沖性能要求。基于現(xiàn)有的緩沖氣囊，建立支持向量回歸模型，用遺傳算法對各個參數(shù)優(yōu)化。氣囊參數(shù)設(shè)計流程及優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 二代傘兵戰(zhàn)車緩沖氣囊優(yōu)化Fig.7 Optimization of two generation paratroopers' buffering airbag

結(jié)果顯示優(yōu)化后的緩沖氣囊系統(tǒng)將二代傘兵戰(zhàn)車的沖擊加速度峰值降低到73.4%，使得著陸減速過程變得平穩(wěn)順滑。

3 織物變形發(fā)展趨勢

3.1 新型應(yīng)用

智能紡織品[22]是一種典型的智能材料，因其優(yōu)越的性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療保健以及探測傳感器等領(lǐng)域。基于智能織物制成的柔性傳感器具有易折疊、易穿戴以及耐洗滌等特點(diǎn)。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)彈性好，作為應(yīng)變傳感器使用時其工作范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)金屬應(yīng)變片。

為滿足當(dāng)代防沖擊及碰撞保護(hù)領(lǐng)域要求，陶尚明等[23]研發(fā)了新型、柔性、可測量沖擊大變形的紡織基應(yīng)變傳感技術(shù)，并應(yīng)用于防彈材料的高速沖擊在線測試。該測試系統(tǒng)在大變形測量時，除應(yīng)變傳感單元外，連接電路也需承受如拉伸和沖擊的機(jī)械變形，在線測試時，其具有大變形和高速響應(yīng)能力。

智能技術(shù)紡織品能夠?qū)ν獠凯h(huán)境刺激作出反應(yīng)[24]，目前在土木工程領(lǐng)域占據(jù)重要的位置。通過在功能紡織品內(nèi)部嵌入傳感器，最終形成智能土工織物體系，其可通過檢測機(jī)械變形、應(yīng)變、孔隙、壓力等，對巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測。

浙江理工大學(xué)的齊元元[25]研究開發(fā)了無縫針織抗沖擊防護(hù)服，不但可以抗沖擊，還可以滿足運(yùn)動時的舒適性、透氣性、透濕性。該研究主要測試各織物的抗沖擊性和服用性能，并通過正交分析，以確定合適的原料及組織。除此之外，趙軍[26]創(chuàng)新了織物防護(hù)類型：在服裝上衣和褲子的關(guān)鍵部位表面都設(shè)置了緩沖氣囊的運(yùn)動防護(hù)服；在服裝后背及外衣間套一個囊袋，并注入可抗沖擊力量的水和空氣的水氣防護(hù)服；借助運(yùn)動傳感器監(jiān)測騎手騎行狀態(tài)，并在事故發(fā)生瞬間以毫秒級速度彈出肩膀和鎖骨位置的氣囊來保護(hù)騎手的氣囊智能防護(hù)服等。美國賓夕法尼亞的(Active Protective)公司設(shè)計了一款能夠隨身佩戴的安全氣囊[27]，不僅攜帶方便，還能利用氣囊內(nèi)的3D動作傳感器檢測比如跌倒等異常動作，通過冷氣增壓泵給氣囊充氣，有效減小對髖骨90%的沖擊力。

3.2 研究趨勢

面外變形多用于防護(hù)性服裝或產(chǎn)業(yè)用紡織品。隨著社會科技的發(fā)展，防護(hù)服已不單單僅用于抵御輕度磕碰，更是針對某種危害進(jìn)行防護(hù)，因此對防護(hù)材料性能有很高的要求。而從結(jié)構(gòu)角度研發(fā)高性價比的半制成品和成品，是獲得高性價比特種防護(hù)服的重要途徑[28]。同時只有強(qiáng)化防護(hù)機(jī)理研究，才能使防護(hù)技術(shù)研究更成熟。

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，土工織物作為新時代的產(chǎn)物，在工程中的應(yīng)用逐漸發(fā)展起來。其中，復(fù)合土工織物因其具有機(jī)織及非織的優(yōu)點(diǎn)，比如高強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定性好、優(yōu)異的防滲性等性能，可以更好滿足工程的特殊要求[29]。

除此之外，救生衣[30]的氣囊從單囊發(fā)展到雙囊，防彈救生衣將防彈背心與救生衣融合在一起，功能由只具有漂浮的單一功能逐漸向多功能發(fā)展。

3.3 研究方向

目前，國內(nèi)研究多用宏觀的方式簡單模擬氣流沖擊織物，屬于實(shí)驗(yàn)探索階段。而高氣壓作用條件下，線性材料及其柔性交織結(jié)構(gòu)織物產(chǎn)生變形時的力學(xué)問題依然處于淺層次研究，特別是交織結(jié)構(gòu)的三維角度及其滲透性能的變化，因此需要從機(jī)理的角度深入研究。除此之外，傳統(tǒng)缺乏彈性紗線的緊密機(jī)織物在織物變形方面存在不足，含有彈性紗線的緊密機(jī)織物則因織物的變形能力好可以較靈活地控制織物的透氣性。因此，在緊密機(jī)織物的基礎(chǔ)上，彈性紗線所具有的高彈回復(fù)性使得緊密結(jié)構(gòu)織物逐漸成為高氣壓工作條件下防護(hù)性產(chǎn)業(yè)用紡織品的主要成分。

因此，未來可以在前人研究的基礎(chǔ)上，研究在靜態(tài)以及動態(tài)變化的均勻大氣壓下，其彈性緊密織物面內(nèi)面外變形機(jī)理，以及形變對其滲透性的影響。該研究可為設(shè)計新型輕薄有效防護(hù)織物提供理論指導(dǎo)。

為進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)，計劃搭建織物面外變形實(shí)驗(yàn)平臺，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺搭建Fig.8 Test platform construction

通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺，可以研究動態(tài)高氣壓下織物變形過程。儲氣罐可以存儲任意高氣壓(<6 MPa)，在握持織物邊緣處放置高速攝像頭，記錄織物變形與時間的變化關(guān)系。變形容器下方的數(shù)碼壓力表，可以用來記錄容器內(nèi)氣壓與時間的變化關(guān)系。除此之外，還可以探索織物彈性在動態(tài)高氣壓下變形參量對應(yīng)時間的變化影響?？紤]到織物變形對滲透性的影響，還可以探索在線性增加的離散靜態(tài)高氣壓下，實(shí)驗(yàn)測量離散靜態(tài)滲透值，考察其線性和非線性特征。最終通過該組實(shí)驗(yàn)，以研究合適的動氣壓對應(yīng)的最終有效保護(hù)效果。

4 結(jié)語

針對目前市場上保護(hù)裝置的保護(hù)原理，通過了解并研究織物面外變形，能夠幫助研究人員深入認(rèn)識防護(hù)類織物在高氣壓下變形機(jī)理及變形對滲透性能的影響，也有助于了解彈性纖維的引入對交織結(jié)構(gòu)變形和最終滲透性能的影響，為開發(fā)新型防護(hù)類面料提供理論和技術(shù)支持。