組合式三維機織復合材料的制備及其抗高速沖擊性能

翁浦瑩， 康凌峰， 孔春鳳， 李艷清， 祝成炎

(浙江理工大學 “紡織纖維材料與加工技術” 國家地方聯合工程實驗室， 浙江 杭州 310018)

組合式三維機織復合材料的制備及其抗高速沖擊性能

翁浦瑩， 康凌峰， 孔春鳳， 李艷清， 祝成炎

(浙江理工大學 “紡織纖維材料與加工技術” 國家地方聯合工程實驗室， 浙江 杭州 310018)

為研發輕質柔軟的高效防護裝備，以超高分子質量聚乙烯(UHMWPE)纖維為原料，以正交與準正交結構單元為基礎，設計了8種組合式三維機織結構，試制UHMWPE組合式機織復合材料。采用彈道侵徹試驗及剛柔性試驗測試了復合材料的抗高速沖擊性能及柔軟性，探討了影響材料防彈性能及服用性能的主要因素。結果表明：正交結構單元能夠有效抵抗剪切作用，適合作為沖擊面；在高速沖擊下，沖擊面為正交結構單元的機織復合材料單位面積吸收能量值比沖擊面為準正交結構單元的高出35.7%，但準正交結構單元對抗拉伸作用有優勢，且準正交結構織物抗彎剛度值僅為組合式結構織物最大值的52%，具有較好的柔軟性。

超高分子質量聚乙烯； 組合式結構； 復合材料； 抗高速沖擊

Abstract In order to develop light and soft protective equipment, 8 kinds of combined woven structures with UHMWPE fibers as fiber material were designed based on orthogonal structure unit and quasi orthogonal structure unit. The high velocity impact performance was tested by ballistic penetration test, and softness was tested by bending strength test. Factors affecting their bulletproof property and wearability were discussed. The results show that orthogonal structure unit exhibits better shear resistance and is suitable as the impact face. At high speed impact, the unit of energy absorbed upon ballistic impact of orthogonal structure unit close to the impact face is 35.7%, which is higher than that of quasi orthogonal structure. It is found that quasi orthogonal structure unit provides better tensile resistance and leads to better softness, and the value of its woven is only 52% of combined woven.

Keywords ultrahigh molecular weight polyethylene； combined structure； composite； high velocity impact performance

多年來，國內外對防護裝備的研究從未間斷，人們不僅要求防護裝備具有優異的防護性能，同時也追求輕便、柔軟等舒適性。如何設計出高效、輕質的防護裝備是目前該領域重要課題之一[1-3]。常用于防彈復合材料的有碳纖維、芳綸與超高分子質量聚乙烯(UHMWPE)纖維等，也有多種成分復合的纖維材料[4-5]，其中UHMWPE纖維具有高強度、高模量，該纖維復合材料質量輕，柔韌性佳，抗沖擊性能更加優越，是作為防彈材料的極佳材料[6-8]。傳統的防彈材料大多為二維層壓復合材料[9-11]，在高速沖擊作用下，易產生分層現象，相關研究采用改變織物結構或并織丙綸等加以改善[12-13]。三維機織結構由于垂紗貫穿于厚度方向，使得層間結合更加緊密牢固[14-15]。目前研究多以正交結構單元、準正交結構單元及角聯鎖結構單元為構成元素，設計組合式三維結構[16-17]。將3種結構單元相結合，可以彌補單一結構的不足，更加充分發揮三維結構的優勢[18-19]。根據課題組前期研究[20-21]，將剪切增稠液應用于組合式三維機織復合材料，能有效增強材料的抗沖擊性能。

本文研究以UHMWPE為原料，在基本結構單元的基礎上設計組合式三維機織結構，結合剪切增稠液的優勢，制備組合式機織復合材料。通過彈道侵徹試驗，測試復合材料抗高速沖擊性能，分析織物結構對復合材料防彈性能的影響。并對其進行剛柔性測試，分析材料柔軟度。

1 試樣制備

1.1 原料選擇

試驗采用寧波大成新材料股份有限公司生產的111 tex的超高分子質量聚乙烯(UHMWPE)無捻絲作為原料。平行長絲纖維束容易受靜電影響造成絲束松散，為提高紗線的可織性，對無捻絲加以弱捻，即100 捻/m的UHMWPE作為經紗，而緯紗直接選用UHMWPE無捻絲。

1.2 儀器及設備

ASL2000-20-E型電腦小樣機，天津市隆達機電科技發展有限公司；JJ-1型增力電動攪拌器，常州普天儀器制造有限公司；PS-40A型超聲波清洗機，深圳日升五金制品有限公司；LC-213型鼓風干燥箱，上海愛斯佩克環境公司；氣控高速發射裝置，濟南華醫特環保器材有限公司；LLY-01型電子硬挺度儀，萊州市電子儀器有限公司。

1.3 組合式機織物結構設計

試樣選用正交結構單元及準正交結構單元，分別記為A、B，將2種結構單元通過層狀復合形式組合，并任意調整結構單元位置，確定結構單元數為4，設計8種組合式機織結構，其平面狀三維結構經向截面如圖1所示。

1.4 織物織造

組合式機織物上機經密為200 根/10 cm，上機緯密設織機最大值，利用實驗室自行改造的ASL2000-20-E型電腦小樣機試制以上8種組合式機織物。其中制得AABB及ABAB實物外觀見圖2。

1.5 試樣復合工藝

選用實驗室自制的剪切增稠液體(STF)，以PEG-400為分散介質，20 nm的SiO2為分散相粒子，其中SiO2固含量為35%，將STF與無水乙醇以1∶1.5的質量比進行稀釋并用超聲波清洗器振蕩30 min，使其混合均勻。將織物平整地浸入稀釋液中5 min，取出后在鼓風干燥箱中放置13 min，制得UHMWPE組合式機織復合材料。

2 測 試

2.1 彈道侵徹試驗

采用定制的氣控高速發射裝置進行彈道侵徹試驗，測試STF-組合式機織物復合材料的抗高速沖擊性能，試樣尺寸為17.5 cm×17.5 cm，試驗原理如圖3所示。采用測試儀1得到子彈的入射速度，測試儀給出子彈的剩余速度，子彈質量為5.6 g，利用下式計算復合材料單位面積吸收能量。

I=E/D

式中：E為吸收能量，J；m為子彈的質量，kg；vs為子彈的入射速度，m/s；vr為子彈的剩余速度，m/s；I為單位面積吸收能量，J·m2/kg；D為復合材料的面密度，kg/m2。

2.2 剛柔性測試

采用LLY-01型電子硬挺度儀，參照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定》測試織物的抗彎剛度。經、緯向試樣各6條，尺寸為20 cm×2.5 cm。

3 結果與討論

3.1 織物結構對材料抗高速沖擊性的影響

對8種組合式機織復合材料進行基本性能測試及彈道侵徹試驗，結果如表1、2所示。

表1 復合材料防彈性能測試結果

表2 復合材料基本性能測試結果

各織物結構均由4個結構單元組成，但由于正交結構單元和準正交結構單元的結構差異，織物厚度方向的經緯紗根數不等，以致織物厚度不一致。織物經STF復合后，試樣質量增加，由質量增加率表示。圖4示出BAAB組合式機織物經STF復合前后實物圖。圖中顯示：復合前織物經緯紗清晰分明，UHMWPE纖維具有光澤；經STF浸泡烘干后，織物表面經緯紗黏結，可見STF有效滲透到織物孔隙間且附著在纖維表面。對BAAB織物在復合前進行彈道侵徹試驗，得到單位面積吸收能量為77.46 J·m2/kg，而浸漬STF后，試樣單位面積吸收能量為98.46 J·m2/kg，較浸漬前增加了27.1%。故剪切增稠液在阻礙子彈侵徹中起到了一定的作用，當子彈以高速沖擊試樣，STF瞬間固化，加強了試樣抵抗沖擊能力，降低子彈前進速度；在子彈射出試樣后，STF又呈現為液狀。

3.1.1 表觀破壞形態

選用各結構織物在彈道侵徹試驗中由第1發子彈測試產生的彈孔拍攝成像，觀察試樣彈孔截面，結果如圖5所示。圖中顯示：各受彈面纖維斷裂較為平整，主要是在較大的沖擊力下，試樣纖維產生剪切斷裂；而子彈出射面相對隆起，纖維拉伸斷裂較為粗糙，因為在子彈繼續侵徹試樣直到完全射出，纖維受到強大的拉伸。根據織物結構的不同，經子彈侵入后，試樣呈現的表觀形態略有差異。

圖5(a)、(b)示出BBBB試樣受彈面與出彈面的表觀圖。子彈頭部為圓錐形，頂端尖銳，在子彈接觸試樣表面，在厚度方向產生了剪切應力波，使表層纖維瞬間斷裂，四周破壞面積較大；隨著子彈的繼續侵入，子彈尾部呈圓柱狀，試樣破壞主要因素為壓縮應力波的傳遞，UHMWPE受到嚴重擠壓產生拉伸變形，但由于該纖維拉伸強度極大，僅有少量纖維斷裂，其余大部分纖維在子彈的高速沖擊下伸長，因而造成彈孔周邊的鼓包現象。

將表層準正交結構單元由正交結構單元替代，得到ABBB結構，試樣破壞表觀見圖5(c)、(d)。沖擊面經剪切作用后，部分紗線斷裂，但相較于BBBB結構，彈孔四周影響面積較小，正交結構單元經緯紗平鋪，經垂紗束縛，紗線彎曲擾度小，易將剪切應力波向周圍傳遞，減少試樣損傷程度。出彈面纖維拉伸鼓起現象明顯，由于準正交結構單元是同層經緯紗上下交織且以垂紗捆綁，其中一塊區域受到拉伸作用，在平面及厚度方向上的緊密聯系，使得抵抗拉伸能力加強。

AAAA試樣彈孔截面如圖5(o)、(p)所示，受彈面表觀破壞清晰，出彈面纖維斷裂根數較多，但鼓包相對不明顯，涉及面積也略小，正交結構單元在拉伸作用下抵抗能力較弱。

分析8組試樣表觀圖可知，沖擊面為正交結構單元，受彈面破壞面積較小，正交結構單元抵抗剪切作用具有優勢；而子彈繼續侵入試樣，在壓縮應力波的影響下，準正交結構單元由于結構上的特征能夠很大程度上的抵抗拉伸斷裂，產生鼓包現象。

3.1.2 能量吸收

利用氣控高速發射裝置測試復合材料的抗高速沖擊性能，得到入射速度及剩余速度，為更加清晰比較各試樣的抗高速沖擊性能，結合試樣面密度，將數據轉換為單位面積吸收能量，由于相同結構織物3次測試后所得結果方差較小，故選用每種結構織物第1次測試所得單位面積吸收能量作為分析。由表1可見，改變織物結構單元組合形式及調換結構單元位置，其復合材料所得到的抗高速沖擊性能各不相同。試樣均為4個結構單元組成，純正交結構單元試樣和純準正交結構單元試樣相比，正交結構的單位面積能量吸收數值較準正交結構高出21.5%，因此織造單種結構單元的復合材料選擇多層正交結構為宜。

ABBB組合式結構試樣具有最佳抗高速沖擊性能，彈道侵徹試驗過程中，子彈依次侵入1個正交結構單元及3個準正交結構單元。正交結構單元彎曲撓度較小，試樣受剪切作用時，應力波向四周傳遞較快。與正交結構單元相比，準正交結構交織點較多，在子彈的拉伸作用下，纖維拉伸變形所需要的能量加強，有效降低子彈穿過復合材料的速度，試樣單位面積吸收能量較大。將首個正交結構單元替換為準正交結構單元，構成BBBB結構試樣，其單位面積吸收能量值比原來降低26.3%。表明正交結構單元能夠有效抵抗剪切作用，適合作為沖擊面。

將ABBB結構中某個準正交結構單元由正交結構單元替換，試樣單位面積吸收能量均有所下降?？垢咚贈_擊性能最弱的是AAAB組合式結構，試驗時子彈依次通過連續3個正交結構單元與1個準正交結構單元，計算得到單位面積吸收能量為91.06 J·m2/kg，僅為ABBB組合式結構復合材料吸收能量的71.27%。正交結構單元先受剪切作用，纖維產生剪切斷裂，而后該作用力轉換為拉力，纖維受拉伸破壞較為嚴重。與準正交結構單元相比，正交結構單元抵抗拉伸作用的能力較弱。

ABAB、ABBA、AABB、BAAB均由2個正交結構單元與2個準正交結構單元組合，但其結構單元前后位置不同，導致了復合材料抗高速沖擊性能的差異。調換結構單元位置，使得紗線交織點的分布發生變化，紗線與紗線間堆砌的緊密度各不相同，最終導致復合材料單位面積吸收能量的高低不等。分析可知正交結構單元能夠有效抵抗剪切作用，準正交結構單元對于緩解拉伸作用具有優勢。

3.2 織物結構對復合材料剛柔性的影響

抗彎剛度表示織物抵抗彎曲形變的能力，也是反映織物舒適性的一項指標，抗彎剛度越大，表示織物柔軟性越差。由表2可見，BBBB結構試樣總抗彎剛度為16.45 cN·cm，ABBB結構試樣測試結果表明其柔軟性僅次于BBBB結構試樣，而AAAA結構試樣總抗彎剛度較大，達到21.72 cN·cm，故準正交結構單元織物具備較好的柔軟性，抵抗拉伸作用能力強。

觀察8種織物結構的總抗彎剛度值可以發現，A、B結構單元兩兩組合后，總抗彎剛度值略高，ABAB結構試樣測試值高達34.25 cN·cm，約為BBBB結構試樣抗彎剛度值的2倍。這是由于組合式結構中，2種不同結構單元相結合，使得織物紗線間的緊密度提高，試樣抗彎剛度增強，柔軟性能有所減弱。

4 結束語

本文研究以正交結構單元、準正交結構單元為基本單元，設計8種組合式結構，成功織造織物，并經STF復合工藝制備復合材料。單位面積吸收能量為材料彈道性能指標，抗彎剛度為織物柔軟性指標，通過測試與分析得到以下結論：

1)非沖擊面均為3個準正交結構單元，沖擊面為正交結構單元的試樣與沖擊面為準正交結構單元的試樣相比，前者的單位面積吸收能量數值高出35.7%，受彈面纖維斷裂平整，在高速沖擊最初階段受到剪切應力波作用，故相對于準正交結構，正交結構單元能夠有效抵抗剪切作用。

2)沖擊面均為正交結構單元，將非沖擊面中的某個準正交結構單元替換為正交結構單元，則單位面積吸收能量值均呈現下降趨勢，且出彈面均呈現鼓包現象，在高速沖擊中后續階段壓縮應力波傳遞，因此相對于正交結構，準正交結構單元對于抵抗拉伸作用有優勢。

3)相較于正交結構單元，準正交結構單元具有較好的柔軟性，且準正交結構織物抗彎剛度僅為組合式結構織物最大值的52%，因為組合式結構織物紗線間的緊密度提升，織物柔軟性下降。

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Preparation and high velocity impact performance of combined 3-D woven composites

WENG Puying, KANG Lingfeng, KONG Chunfeng, LI Yanqing, ZHU Chengyan

(NationalEngineeringLabforTextileFiberMaterialandProcessingTechnology(Zhejiang),ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

10.13475/j.fzxb.20141205906

2014-12-29

2015-11-25

浙江省國際科技合作專項(合作研究)項目(2012C24013)；浙江省教育廳科研計劃項目(Y 201226166)；浙江省高校重中之重學科開放基金資助項目(2013YXQN02)；浙江理工大學研究生創新研究項目(YCX14011)

翁浦瑩(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為現代紡織技術及新產品研究。祝成炎，通信作者，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn。

TB 332

A