織物增強(qiáng)柔性防刺材料的結(jié)構(gòu)特征與防刺機(jī)理

梁高勇，王秋實(shí)，何彩婷，王 珊，孫潤軍

(1.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010) (2.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院/功能性紡織材料及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

0 引 言

暴力恐怖活動(dòng)是21世紀(jì)全人類共同面對的重大安全問題之一，且暴力恐怖活動(dòng)多為利器砍殺式的襲擊事件，由此造成大量無辜群眾被害，公安民警殉職。因此，警用防護(hù)裝備的研究對于保障干警生命安全、維護(hù)地方治安穩(wěn)定具有重要意義?？紤]到警用防護(hù)服裝在穿著靈活性、舒適性等方面的需求，防刺材料經(jīng)歷了從硬質(zhì)、半硬質(zhì)向柔性轉(zhuǎn)變的發(fā)展歷程。近十年的研究開發(fā)主要聚焦于利用對位芳綸、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等高性能纖維的高強(qiáng)高模和耐剪切的力學(xué)性能特征，以機(jī)織物、針織物和非織造織物作為預(yù)制件，通過與柔性基體復(fù)合的方式制備防刺復(fù)合材料。

由于現(xiàn)有的柔性防刺材料在預(yù)制件結(jié)構(gòu)特征和防刺機(jī)理方面差異顯著且各有優(yōu)勢，因此本文根據(jù)預(yù)制件成型方式的不同，分別介紹不同類型柔性防刺材料的結(jié)構(gòu)特征和防刺機(jī)理，以期對今后柔性防刺材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)起到一定的指導(dǎo)作用。

他開始覺得，先前的一切，是那樣的不真實(shí)。晶瑩剔透的水蓮，半人半魚的孩子，虛浮縹緲的黑霧，以及黑袍人那張永遠(yuǎn)也看不清的臉……這些東西，怎么可能存在呢？

1 機(jī)織物柔性防刺材料

機(jī)織物是使用最為廣泛的一種柔性防刺材料織物預(yù)制件。國內(nèi)外研究人員對2D機(jī)織物的防刺性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并且通過理論計(jì)算和有限元模擬的方式構(gòu)建了2D機(jī)織物的幾何結(jié)構(gòu)與防刺性能之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。由于3D結(jié)構(gòu)機(jī)織物在動(dòng)態(tài)沖擊防護(hù)領(lǐng)域具有顯著的力學(xué)優(yōu)勢，因此近年來以3D機(jī)織物作為柔性防刺材料預(yù)制件的應(yīng)用研究發(fā)展迅猛，相繼開發(fā)了多種3D結(jié)構(gòu)的防刺機(jī)織物材料。

1.1 機(jī)織物防刺材料的結(jié)構(gòu)特征

2D機(jī)織物在防刺性能方面的研究開展較早，科研人員通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，明確了紗線線密度、織物組織結(jié)構(gòu)和經(jīng)緯紗密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物防刺性能的影響，并且通過實(shí)驗(yàn)觀察和有限元模擬的方式，討論了織物的破壞過程和防刺機(jī)理。研究結(jié)果表明:對于防刺用機(jī)織物，首先需要滿足高紗線指數(shù)、高織物覆蓋系數(shù)的結(jié)構(gòu)要求，即需要具備“高支高密”的結(jié)構(gòu)特征，并且平紋織物相比斜紋、緞紋織物具有更好的防刺效果[1-4]。

4.3.3 人才技術(shù)不足。首先在高校之中，無論是學(xué)生還是年輕教師，或者是資深教授，此類的人才資源可謂是非常充足的，但是大多數(shù)專家教授都有其擅長的領(lǐng)域，而學(xué)生人才也需要一定的鍛煉和指導(dǎo)，就在這樣的情況下，對創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)來說，人才資源相比較來說就比較少，而缺少了具有專門性、針對性的高尖專家和人才，關(guān)于創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)的研究便會(huì)有所艱難。關(guān)于創(chuàng)業(yè)基地等硬件條件充足的情況下，專門性的人才相對缺少，而在缺乏在這一方面所必須的專業(yè)技術(shù)和技能，很多的創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)過程中所面臨的難題便會(huì)需要更多的嘗試才能有所收獲，而在這樣的情況下，創(chuàng)業(yè)體系的建設(shè)將會(huì)發(fā)展緩慢。

1.2 機(jī)織物防刺材料的防刺機(jī)理

郭靜荷[29]、姜亞明[30]和ALPYILDIZ[31]等指出：對于緯編針織物，可以通過引入襯紗以增強(qiáng)抵御穿刺的效果。穿刺時(shí)原本呈現(xiàn)平行順直排列狀態(tài)的襯經(jīng)和襯緯紗會(huì)因刀刃的刺入而產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，從而使垂直于刀刃方向的襯紗產(chǎn)生集束。此時(shí)，同時(shí)承受刀具切割的紗線根數(shù)增多，切斷紗線所需要的切割力增加。因此，緯編雙軸向多層襯紗織物具有很好的抗刀刃切割能力。

因此，通過提高機(jī)織物的緊密程度或者與柔性基體進(jìn)行復(fù)合的方式，對紗線間的滑移現(xiàn)象起到良好的限制作用，是提升機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料防刺性能的最主要手段之一。

圖 1 長釘穿刺平紋Kevlar織物的過程示意圖Fig.1 Process diagram of puncturing kevlar plain fabric with spikes

2 針織物柔性防刺材料

針織物具有良好的可變形性，穿著柔軟舒適，也是柔性防刺材料的重要發(fā)展方向之一。但是，相比機(jī)織物柔性防刺材料，國內(nèi)外的相關(guān)研究較少。

2.1 針織物防刺材料的結(jié)構(gòu)特征

此外，對于具有三維結(jié)構(gòu)的經(jīng)編間隔織物，除了單層經(jīng)編織物上下面層線圈的抗剪切、拉伸對刀具起到的抵御作用外，動(dòng)態(tài)沖擊過程中中間間隔層的能量吸收在防刺性能提高方面同樣占據(jù)重要地位[32,38]。

緯編針織物中存在的襯紗可以使織物在受到刀具沖擊時(shí)產(chǎn)生襯紗集束現(xiàn)象，在一定程度上減弱針織物線圈長度轉(zhuǎn)移引起的穿刺物尖端侵入[29,37]。

顧肈文[2]、WANG[3]、TERMONIA[11]等通過對機(jī)織物及其復(fù)合材料穿刺過程的實(shí)驗(yàn)觀察和計(jì)算機(jī)模擬，將穿刺過程劃分為了多個(gè)階段，如圖1所示[11]。從圖1可以看出，穿刺物刺入織物內(nèi)部，與織物發(fā)生摩擦或者切割作用，此時(shí)紗線滑移對于穿刺物的阻礙產(chǎn)生重要影響。因此，研究人員普遍認(rèn)為刀具和長釘?shù)却┐涛镌诖倘脒^程中，織物因?yàn)楦采w系數(shù)或者纖維體積分?jǐn)?shù)較低，即織物緊密程度不足，而產(chǎn)生的紗線滑移是材料失效的最主要原因之一[11-14]。大量文獻(xiàn)報(bào)道，剪切增稠液(shear thickening fluid，STF)浸漬[15-22]、柔性樹脂涂覆[23-28]等復(fù)合方式都是通過在一定程度上限制機(jī)織物中紗線的相對滑動(dòng)，從而使高性能纖維紗線可以在刀刃或長釘處發(fā)生聚集，進(jìn)而最大限度發(fā)揮紗線的抗拉伸、剪切性能優(yōu)勢，提升材料的防刺效果。

對于非織造織物，在穿刺過程中也存在與機(jī)織物類似的破壞過程，主要通過非織造織物的變形和纖維的斷裂阻礙長錐或者刀具的侵入，但不會(huì)出現(xiàn)機(jī)織物中發(fā)生的紗線拔脫現(xiàn)象，如圖3所示[16，40]。穿刺過程中短纖維的滑移和沖擊體侵入引起的纖維聚集和斷裂是造成材料失效的主要因素。

2.2 針織物防刺材料的防刺機(jī)理

緯編和經(jīng)編針織物的線圈結(jié)構(gòu)使其具有良好的沖擊動(dòng)能吸收特性。當(dāng)穿刺物尖端侵入針織物的線圈時(shí)，相互串套的線圈會(huì)發(fā)生長度的轉(zhuǎn)移。在很小的力的作用下，被侵入的線圈會(huì)與相鄰線圈之間發(fā)生長度轉(zhuǎn)移，直至線圈長度轉(zhuǎn)移達(dá)到極限狀態(tài)，呈現(xiàn)“自鎖緊”狀態(tài)，如圖2所示[36]。針織物線圈的這種自鎖緊特點(diǎn)，在某種程度上可以裹住刀尖，起到防刺作用[29,37]。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用2D機(jī)織物通過疊層的方式制備防刺材料時(shí)，在刀具的動(dòng)態(tài)沖擊下，材料會(huì)產(chǎn)生明顯的層間分離現(xiàn)象，降低防刺效果。因此，隨著3D機(jī)織物成型加工技術(shù)的快速發(fā)展，葉汶祥[5-6]、葉明琦[7]、田笑[8]等開始使用角聯(lián)鎖或者正交結(jié)構(gòu)的3D機(jī)織物作為預(yù)制件，研究織物厚度方向上的交織作用對其防刺性能的影響。但目前3D機(jī)織物在加工成本和織造速度上仍然存在一定的技術(shù)瓶頸，限制了3D機(jī)織物柔性防刺復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。與2D機(jī)織物類似，3D機(jī)織物也需要通過提高織物經(jīng)緯密的方式獲得更好的防刺效果[7,9-10]，同時(shí)3D機(jī)織物厚度的增加與防刺性能之間存在良好的線性正相關(guān)關(guān)系[8]。

圖 2 針織物線圈的自鎖緊Fig.2 Self-holding of knitted fabric loops

通過觀察兩種機(jī)型的RCS特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)高RCS區(qū)域?qū)?yīng)的散射角存在一個(gè)共性，即鏡像散射特性：目標(biāo)以x軸正方向平飛，設(shè)從目標(biāo)到接收機(jī)的雷達(dá)視線的反向延長線通過一個(gè)以x軸為圓心，平行于zoy平面的單位圓，則位于單位圓上任意一點(diǎn)的輻射源對應(yīng)的目標(biāo)RCS均較高。如圖6所示，將該單位圓上部分角度連線，與目標(biāo)高RCS區(qū)域完全吻合。根據(jù)該特性，在已知從目標(biāo)到接收機(jī)方位角、俯仰角時(shí)，可以簡單計(jì)算出何種角度的輻射源所提供的信號更可能被接收機(jī)檢測。在圖7通過仿真驗(yàn)證了該鏡像散射特性，鏡像散射角的連線與高RCS區(qū)域完全吻合。

洪江市山洪災(zāi)害防治非工程措施項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐與體會(huì)…………………………………………………… 蔣益錢(18.10）

式中，w/c是初始水灰比；α是反應(yīng)程度；VHD和VLD分別是高密度和低密度C-S-H體積分?jǐn)?shù)，由方程(17)知，兩類C-S-H凝膠的體積分?jǐn)?shù)與水灰比和水化程度密切相關(guān)。

在穿刺過程中，針織物的線圈結(jié)構(gòu)是一把“雙刃劍”：一方面針織物可以因?yàn)榫€圈抽緊、紗線聚集而對長釘或刀刃產(chǎn)生鎖定作用；另一方面也會(huì)因?yàn)榫€圈變形過大而產(chǎn)生穿刺物尖端侵入的現(xiàn)象。因此，研究人員對傳統(tǒng)針織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以減少尖端侵入對人體的損傷，并且系統(tǒng)研究了針織結(jié)構(gòu)在抵御穿刺作用時(shí)的線圈運(yùn)動(dòng)規(guī)律和防刺機(jī)理。

3 非織造織物柔性防刺材料

相比機(jī)織物和針織物，非織造織物用作柔性防刺材料的研究發(fā)展較晚，研究成果較少；且非織造織物較少單獨(dú)使用，更多地作為多層疊合結(jié)構(gòu)的底層或者三明治結(jié)構(gòu)的中間層，制備復(fù)合織物增強(qiáng)柔性防刺材料。由于非織造織物面內(nèi)各向同性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及對廢舊高性能短纖維的高價(jià)值利用，未來發(fā)展前景較好。

3.1 非織造織物防刺材料的結(jié)構(gòu)特征

現(xiàn)階段，關(guān)于非織造織物柔性防刺材料的研究主要集中在非織造織物的針刺密度、針刺深度、鋪網(wǎng)順序等工藝參數(shù)對材料防刺性能的影響。研究結(jié)果表明：針對不同的短纖維原料，在合適的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，非織造織物的防刺性能隨針刺密度和針刺深度的增加而提高[39]；不同纖維原料網(wǎng)胎的鋪網(wǎng)順序和熱處理工藝也對非織造織物的防刺性能產(chǎn)生影響，但目前尚未形成較為統(tǒng)一的結(jié)論[40-42]。

3.2 非織造織物防刺材料的防刺機(jī)理

對于經(jīng)編針織物，孔祥勇[32-33]、MIAO[34]和XU[35]等采取了另外一種技術(shù)思路：利用經(jīng)編間隔織物的三維整體結(jié)構(gòu)，使經(jīng)編間隔織物的上下面層線圈在受到刀尖穿刺時(shí)起到鎖緊刀刃的作用：同時(shí)，通過中間間隔層的壓縮變形吸收穿刺能量起到緩沖作用，從而發(fā)揮多重防護(hù)的效果。

(a) 機(jī)織物

(b) 非織造織物圖 3 長錐穿刺后織物的損傷形貌Fig.3 Damage morphology of fabric after spike puncture

4 復(fù)合織物柔性防刺材料

基于機(jī)織物、針織物和非織造織物在織物結(jié)構(gòu)和防刺機(jī)理方面的特征，研究人員通過將3種織物疊層組合形成復(fù)合織物的方式，充分發(fā)揮上述織物在防刺性能方面的優(yōu)勢，制備了具有良好防刺效果的柔性材料。

4.1 機(jī)織物/非織造織物柔性防刺材料

文獻(xiàn)[43-46]分別使用機(jī)織物和非織造織物鋪層后再經(jīng)STF等柔性基體復(fù)合的方式，制備了三明治結(jié)構(gòu)的柔性防刺材料。此類材料在保證具有一定防刺效果的同時(shí)，有效減輕了織物的質(zhì)量和硬挺度，此外還增加了穿著舒適性，提高了穿著者的行動(dòng)靈活性。但是，材料因?yàn)閷娱g結(jié)構(gòu)的缺失，在動(dòng)態(tài)穿刺時(shí)仍然存在層間分離的現(xiàn)象。

4.2 針織物/非織造織物柔性防刺材料

采用針織物/非織造織物復(fù)合得到的柔性防刺材料在舒適性方面具有更加顯著的優(yōu)勢。邢京京[47]和鄭俞蕾[48]將針織物與非織造織物按一定的比例順序鋪層后，經(jīng)熱壓復(fù)合得到了具有良好防刺性能的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合織物柔性防刺材料。

根據(jù)鏈條鍋爐煤炭燃燒特點(diǎn)，沿爐排長度方向燃料先后經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分析出、著火燃燒與燃盡等階段，每個(gè)階段所需空氣量不同，所以沿爐排長度方向分多個(gè)風(fēng)室進(jìn)行分級送風(fēng)。由于同一風(fēng)室爐排上方的煤炭處于同一燃燒階段，所以一個(gè)風(fēng)室內(nèi)沿爐排寬度方向配風(fēng)要均勻。但在鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中，由于“風(fēng)室端部效應(yīng)”的影響，鏈條鍋爐沿爐排寬度方向普遍存在橫向配風(fēng)不均勻現(xiàn)象。在強(qiáng)風(fēng)區(qū)，冷風(fēng)直接進(jìn)入爐膛，過量空氣增加，降低爐膛溫度；在弱風(fēng)區(qū)由于煤層阻力增大，燃燒速度減慢，還原反應(yīng)加劇，使化學(xué)不完全燃燒熱損失增加，燃燒熱效率降低。因此實(shí)現(xiàn)鏈條爐排橫向配風(fēng)均勻、縱向供風(fēng)合理是提高鏈條鍋爐熱效率的關(guān)鍵。

復(fù)合織物柔性防刺材料由于整合了機(jī)織物、針織物和非織造織物在結(jié)構(gòu)特征和防刺機(jī)理方面的優(yōu)勢，在材料設(shè)計(jì)方面提供了更多的創(chuàng)造空間，同時(shí)也對科研人員的技術(shù)能力提出了更高的要求。因此，將機(jī)織物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、針織物線圈的自鎖和吸能作用以及非織造織物的面內(nèi)各項(xiàng)同性特征有機(jī)結(jié)合、協(xié)同增效，必將成為未來織物增強(qiáng)柔性防刺材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。

5 結(jié) 語

本文通過系統(tǒng)梳理國內(nèi)外織物增強(qiáng)柔性防刺材料領(lǐng)域相關(guān)研究成果，詳細(xì)介紹了以機(jī)織物、針織物和非織造織物增強(qiáng)柔性防刺材料的結(jié)構(gòu)特征、穿刺過程和防刺機(jī)理。其中：機(jī)織物中經(jīng)緯紗垂直交織的結(jié)構(gòu)特征使得紗線間的滑移作用是材料被刺穿的重要因素；而針織物的線圈結(jié)構(gòu)使其具有自鎖緊和緩沖吸能的作用；非織造織物由于具有面內(nèi)各向同性的性能特征，多與其他類型織物疊層復(fù)合，制備三明治結(jié)構(gòu)的柔性防刺材料。通過對復(fù)合織物柔性防刺材料研究現(xiàn)狀的分析與展望，提出了綜合利用多種織物的結(jié)構(gòu)特征，協(xié)同增效以實(shí)現(xiàn)織物增強(qiáng)柔性防刺材料的輕質(zhì)化、柔軟化和舒適化的愿望，以期對今后柔性防刺材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)起到一定的指導(dǎo)作用。