机织平纹布与经编双轴向布抗冲击性能比较

机织平纹布与经编双轴向布抗冲击性能比较

从最初的人们开始，厚度羊皮被用来防止山羊的尖角攻击，到冷兵器时代，用绳子将铜放在衣服上，避免刀、枪和弓的攻击。抗冲击服装经历了几千年的发展过程。但随着枪炮的出现,防护服的防护性能与重量比成了无法逾越的天堑。直到第二次世界大战后,各种复合材料出现,特别是Kevlar、UHMWPE和高强高模PVA纤维的大量运用,使抗冲击防护服发展一日千里。从20世纪80年代初可取向增强纤维的编织技术出现,到90年代的经编单轴向、双轴向以及多轴向织物增强的复合材料大量地应用于实际工程中,经编织物增强复合材料发展迅速。这些增强经编织物编织过程中的纱线强力损耗低,冲击过程中有效纱线断裂率高,在抗冲击材料方面有广阔的应用前景。本文通过实验分析了机织平纹织物与经编双轴向织物的结构差异及其对层合板受冲击时吸收冲击能量的影响。1实验材料及其加工1.1维织物的制备我们采用单根纤维为11～13μm的中碱玻璃纤维织制平纹布和双轴向布,平纹布的纱线为160tex;双轴向布的纱线为900tex,捆绑纱线为80tex的涤纶,双轴向布的地组织为编链结构。1.2坯布的贴放、热压层合板采用手糊、模具加压成型。粘合剂用的是上海树脂厂生产的系列产品,其配比如表1。先用滚刷和刮刀将配比好的粘合剂均匀涂在一块坯布上,再将另一块坯布贴上,加压,碾平。再按照此程序加贴坯布直到所需层数,贴合时严格控制每一层粘合剂的质量和整个粘涂过程的单个试样粘合剂用量。粘合好后放置在成型模具中,施加一定的静压力,使之与模具中的厚度板同高,再静置成型24h。为了除去部分气泡,层合板成型后放置烘箱热烘2h,取出后立即加压10～15kN,0.5h后待其降到室温时即加工、开槽(试样形状如图1),准备做冲击实验。2实验数据和分析2.1弯曲对强度的影响首先测定平纹布和双轴向布两种织物及其纱线的拉伸强力、断裂强力和断裂功。纱线测试采用南通宏大HD021N电子单纱强力仪,标准引用GB6529-86;织物测试采用南通宏大HD026N电子织物强力仪,标准为GB/T3923.1-97。每个实验用十组试样,最后求平均值,结果如表2。尽管平纹布与双轴向布的纱线线密度相差5.625倍,但在表2中我们看到其强力相差却为5.356倍,这是由于机织布的纱线经加捻使强力有所上升;而两种织物强力相差则为5.819倍,这是由于平纹布中经纬向纱线均呈弯曲状态,而双轴向布增强衬经纱呈伸展平行排列,平直纱线的强度利用率高。为了研究纱线的弯曲对强度的影响,我们截取机织布中纱线弯曲的一小段(如图2),假设纱线原长为L,发生弯曲时,α是小段纱线对中点O所张开的角度,R是中性面的曲率半径,可得L=Rα。在弯曲发生时,假设距离中性面为y的界面mm′的长度变化后为mm′=(R+y)·α。当弯曲纱线中性面的曲率半径为R,纱线弯曲程度为α时,可得mm′界面的应变ε为ε=[(R+y)⋅α−Rα]/(Rα)=y/R(1)ε=[(R+y)⋅α-Rα]/(Rα)=y/R(1)根据胡克定律σ=Eε,可得σ=Ey/R(2)σ=Ey/R(2)式中:σ——纱线弯曲产生的应力;E——弹性模量;ε——应变。这表明,由于纱线的弯曲使纱线(除中性面上外)内部产生了应力,且纱线内任意纵向界面的正应力与它到中性面的距离成正比。纱线由于弯曲而长期处于内应力的作用下,会产生蠕变和松弛现象,造成纱线所能承受的应力减小,从而导致织物抗冲击能力下降。当织物遭受高速物体冲击时,对于弯曲的纱线在受到外部剪切力的作用下,会产生正剪切和负剪切。若剪切力所产生的应力和作用对象的内部应力方向同向则为正剪切,反之为负剪切。根据弱节理论可得,假设纱线承载力均匀,其断裂将发生在内部应力最弱处,所以只要对正剪切力讨论就行了。剪切力公式为τ=Q/[Acos(α/2)](3)τ=Q/[Acos(α/2)](3)式中:τ——剪切力;Q——由于剪切所产生的应力;A——与剪切力平行面的面积。纱线所承载的应力为纱线弯曲产生的应力与纱线由剪切所产生的应力之和,即Ey/R+τ[Acos(α/2)](4)Ey/R+τ[Acos(α/2)](4)由于α/2很小,可将cos(α/2)的值看成近似于1。由此可知平纹织物由于弯曲的纱线本身存在应力,使其承受由外部剪切力所产生的应力的能力减少。而双轴向织物纱线呈平行排列,理论上内部应力为零,不会产生平纹布中纱线的蠕变和松弛现象,其纱线在受到冲击时所有承载的应力也较机织布大。2.2冲击应力分析对层合板的冲击实验是CeastResil型冲击仪摆锤式悬臂梁型的标准冲击实验,所得数据如表3。Resil冲击试验仪是一种意大利生产的用来测试在标准条件下材料耐冲击韧性的摆锤式试验设备。从试样对冲击能量的吸收来看,相同克重的平纹布和双轴向布层合板的能量吸收相差3～4倍,分析认为两者的纱线与纱线的结合力不同是主要原因。对该实验结果研究表明:防止纱线相互滑动对提高层合材料的能量吸收能力具有关键作用。从冲击后的材料照片可以看到,在冲击中心周围的纱线有明显的受挤压后滑动的迹象。而双轴向布增强材料中纱线间采取的是“捆绑”式结构,其纱线间的结合力明显大于平纹布间的摩擦力,另外其“捆绑”纱线的断裂可以吸收相当一部分冲击物体的动能。平纹布和双轴向布层合板的两个典型冲击应力曲线如图3。当摆锤冲击层合板时,由于树脂为脆性材料,动态响应时间短,屈服冲量高,冲击仪感应器受力强,便产生锯齿状尖头;但玻璃纤维为弹性材料,受到撞击时,材料在受力方向先发生形变,使冲击速度加大,冲击力减小。随着应力依次作用于树脂和布匹上,便形成一段段“V”状的锯齿应力图型。两种织物图形的一个共同点是第一个“V”状锯齿都非常大,这是由于试样刚受到冲击时整体玻璃纱线受到挤压变形所致。这样便导致后续纱线变形的空间逐渐减少,所以就看到曲线图中的“V”状越来越小。比较两种织物的冲击应力曲线,可看出在第一个“V”型底点双轴向布层合板的应力明显大于平纹布层合板,这是由于双轴向布的纱线线密度大,变形所用的应力强。过了应力峰值后,平纹布层合板的纱线和双轴向布层合板的纱线大部分遭受到破坏,纱线与纱线间发生错位、滑动。平纹布一些纱线开始从破坏处抽拔出来,部分未彻底断裂的纱线断裂,由于它们所需的应力相对比较小,导致图3(a)曲线峰值的右侧总体比较平滑,但稍有起伏。而双轴向布层合板的应力曲线右侧同样产生了锯齿状的曲线,这是由于纱线发生滑移时拉动了捆绑纱线,由于纱线被拉伸时本身有伸长、屈服和断裂等过程,于是应力曲线产生了峰值右侧的锯齿状,延缓了应力峰值