機(jī)織平紋布與經(jīng)編雙軸向布抗沖擊性能比較

機(jī)織平紋布與經(jīng)編雙軸向布抗沖擊性能比較

從最初的人們開始，厚度羊皮被用來防止山羊的尖角攻擊，到冷兵器時代，用繩子將銅放在衣服上，避免刀、槍和弓的攻擊?？箾_擊服裝經(jīng)歷了幾千年的發(fā)展過程。但隨著槍炮的出現(xiàn),防護(hù)服的防護(hù)性能與重量比成了無法逾越的天塹。直到第二次世界大戰(zhàn)后,各種復(fù)合材料出現(xiàn),特別是Kevlar、UHMWPE和高強(qiáng)高模PVA纖維的大量運(yùn)用,使抗沖擊防護(hù)服發(fā)展一日千里。從20世紀(jì)80年代初可取向增強(qiáng)纖維的編織技術(shù)出現(xiàn),到90年代的經(jīng)編單軸向、雙軸向以及多軸向織物增強(qiáng)的復(fù)合材料大量地應(yīng)用于實(shí)際工程中,經(jīng)編織物增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展迅速。這些增強(qiáng)經(jīng)編織物編織過程中的紗線強(qiáng)力損耗低,沖擊過程中有效紗線斷裂率高,在抗沖擊材料方面有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過實(shí)驗(yàn)分析了機(jī)織平紋織物與經(jīng)編雙軸向織物的結(jié)構(gòu)差異及其對層合板受沖擊時吸收沖擊能量的影響。1實(shí)驗(yàn)材料及其加工1.1維織物的制備我們采用單根纖維為11～13μm的中堿玻璃纖維織制平紋布和雙軸向布,平紋布的紗線為160tex;雙軸向布的紗線為900tex,捆綁紗線為80tex的滌綸,雙軸向布的地組織為編鏈結(jié)構(gòu)。1.2坯布的貼放、熱壓層合板采用手糊、模具加壓成型。粘合劑用的是上海樹脂廠生產(chǎn)的系列產(chǎn)品,其配比如表1。先用滾刷和刮刀將配比好的粘合劑均勻涂在一塊坯布上,再將另一塊坯布貼上,加壓,碾平。再按照此程序加貼坯布直到所需層數(shù),貼合時嚴(yán)格控制每一層粘合劑的質(zhì)量和整個粘涂過程的單個試樣粘合劑用量。粘合好后放置在成型模具中,施加一定的靜壓力,使之與模具中的厚度板同高,再靜置成型24h。為了除去部分氣泡,層合板成型后放置烘箱熱烘2h,取出后立即加壓10～15kN,0.5h后待其降到室溫時即加工、開槽(試樣形狀如圖1),準(zhǔn)備做沖擊實(shí)驗(yàn)。2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析2.1彎曲對強(qiáng)度的影響首先測定平紋布和雙軸向布兩種織物及其紗線的拉伸強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力和斷裂功。紗線測試采用南通宏大HD021N電子單紗強(qiáng)力儀,標(biāo)準(zhǔn)引用GB6529-86;織物測試采用南通宏大HD026N電子織物強(qiáng)力儀,標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3923.1-97。每個實(shí)驗(yàn)用十組試樣,最后求平均值,結(jié)果如表2。盡管平紋布與雙軸向布的紗線線密度相差5.625倍,但在表2中我們看到其強(qiáng)力相差卻為5.356倍,這是由于機(jī)織布的紗線經(jīng)加捻使強(qiáng)力有所上升;而兩種織物強(qiáng)力相差則為5.819倍,這是由于平紋布中經(jīng)緯向紗線均呈彎曲狀態(tài),而雙軸向布增強(qiáng)襯經(jīng)紗呈伸展平行排列,平直紗線的強(qiáng)度利用率高。為了研究紗線的彎曲對強(qiáng)度的影響,我們截取機(jī)織布中紗線彎曲的一小段(如圖2),假設(shè)紗線原長為L,發(fā)生彎曲時,α是小段紗線對中點(diǎn)O所張開的角度,R是中性面的曲率半徑,可得L=Rα。在彎曲發(fā)生時,假設(shè)距離中性面為y的界面mm′的長度變化后為mm′=(R+y)·α。當(dāng)彎曲紗線中性面的曲率半徑為R,紗線彎曲程度為α?xí)r,可得mm′界面的應(yīng)變ε為ε=[(R+y)?α?Rα]/(Rα)=y/R(1)ε=[(R+y)?α-Rα]/(Rα)=y/R(1)根據(jù)胡克定律σ=Eε,可得σ=Ey/R(2)σ=Ey/R(2)式中:σ——紗線彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力;E——彈性模量;ε——應(yīng)變。這表明,由于紗線的彎曲使紗線(除中性面上外)內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力,且紗線內(nèi)任意縱向界面的正應(yīng)力與它到中性面的距離成正比。紗線由于彎曲而長期處于內(nèi)應(yīng)力的作用下,會產(chǎn)生蠕變和松弛現(xiàn)象,造成紗線所能承受的應(yīng)力減小,從而導(dǎo)致織物抗沖擊能力下降。當(dāng)織物遭受高速物體沖擊時,對于彎曲的紗線在受到外部剪切力的作用下,會產(chǎn)生正剪切和負(fù)剪切。若剪切力所產(chǎn)生的應(yīng)力和作用對象的內(nèi)部應(yīng)力方向同向則為正剪切,反之為負(fù)剪切。根據(jù)弱節(jié)理論可得,假設(shè)紗線承載力均勻,其斷裂將發(fā)生在內(nèi)部應(yīng)力最弱處,所以只要對正剪切力討論就行了。剪切力公式為τ=Q/[Acos(α/2)](3)τ=Q/[Acos(α/2)](3)式中:τ——剪切力;Q——由于剪切所產(chǎn)生的應(yīng)力;A——與剪切力平行面的面積。紗線所承載的應(yīng)力為紗線彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力與紗線由剪切所產(chǎn)生的應(yīng)力之和,即Ey/R+τ[Acos(α/2)](4)Ey/R+τ[Acos(α/2)](4)由于α/2很小,可將cos(α/2)的值看成近似于1。由此可知平紋織物由于彎曲的紗線本身存在應(yīng)力,使其承受由外部剪切力所產(chǎn)生的應(yīng)力的能力減少。而雙軸向織物紗線呈平行排列,理論上內(nèi)部應(yīng)力為零,不會產(chǎn)生平紋布中紗線的蠕變和松弛現(xiàn)象,其紗線在受到?jīng)_擊時所有承載的應(yīng)力也較機(jī)織布大。2.2沖擊應(yīng)力分析對層合板的沖擊實(shí)驗(yàn)是CeastResil型沖擊儀擺錘式懸臂梁型的標(biāo)準(zhǔn)沖擊實(shí)驗(yàn),所得數(shù)據(jù)如表3。Resil沖擊試驗(yàn)儀是一種意大利生產(chǎn)的用來測試在標(biāo)準(zhǔn)條件下材料耐沖擊韌性的擺錘式試驗(yàn)設(shè)備。從試樣對沖擊能量的吸收來看,相同克重的平紋布和雙軸向布層合板的能量吸收相差3～4倍,分析認(rèn)為兩者的紗線與紗線的結(jié)合力不同是主要原因。對該實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究表明:防止紗線相互滑動對提高層合材料的能量吸收能力具有關(guān)鍵作用。從沖擊后的材料照片可以看到,在沖擊中心周圍的紗線有明顯的受擠壓后滑動的跡象。而雙軸向布增強(qiáng)材料中紗線間采取的是“捆綁”式結(jié)構(gòu),其紗線間的結(jié)合力明顯大于平紋布間的摩擦力,另外其“捆綁”紗線的斷裂可以吸收相當(dāng)一部分沖擊物體的動能。平紋布和雙軸向布層合板的兩個典型沖擊應(yīng)力曲線如圖3。當(dāng)擺錘沖擊層合板時,由于樹脂為脆性材料,動態(tài)響應(yīng)時間短,屈服沖量高,沖擊儀感應(yīng)器受力強(qiáng),便產(chǎn)生鋸齒狀尖頭;但玻璃纖維為彈性材料,受到撞擊時,材料在受力方向先發(fā)生形變,使沖擊速度加大,沖擊力減小。隨著應(yīng)力依次作用于樹脂和布匹上,便形成一段段“V”狀的鋸齒應(yīng)力圖型。兩種織物圖形的一個共同點(diǎn)是第一個“V”狀鋸齒都非常大,這是由于試樣剛受到?jīng)_擊時整體玻璃紗線受到擠壓變形所致。這樣便導(dǎo)致后續(xù)紗線變形的空間逐漸減少,所以就看到曲線圖中的“V”狀越來越小。比較兩種織物的沖擊應(yīng)力曲線,可看出在第一個“V”型底點(diǎn)雙軸向布層合板的應(yīng)力明顯大于平紋布層合板,這是由于雙軸向布的紗線線密度大,變形所用的應(yīng)力強(qiáng)。過了應(yīng)力峰值后,平紋布層合板的紗線和雙軸向布層合板的紗線大部分遭受到破壞,紗線與紗線間發(fā)生錯位、滑動。平紋布一些紗線開始從破壞處抽拔出來,部分未徹底斷裂的紗線斷裂,由于它們所需的應(yīng)力相對比較小,導(dǎo)致圖3(a)曲線峰值的右側(cè)總體比較平滑,但稍有起伏。而雙軸向布層合板的應(yīng)力曲線右側(cè)同樣產(chǎn)生了鋸齒狀的曲線,這是由于紗線發(fā)生滑移時拉動了捆綁紗線,由于紗線被拉伸時本身有伸長、屈服和斷裂等過程,于是應(yīng)力曲線產(chǎn)生了峰值右側(cè)的鋸齒狀,延緩了應(yīng)力峰值