防護類織物面外變形的研究進展

韓曉果， 賈明皓， 肖學良*， 周紅濤,2， 錢坤

(1.江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.鹽城工業職業技術學院 紡織服裝學院，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，而產生垂直該平面的變形。織物發生面外變形時，織物本身各項性能也隨之變化，特別是織物的緊度和透氣性。織物面外變形與織物的透氣性密切相關，而織物的透氣性(氣流通過速率)及應力-應變性能是影響能量擴散的兩個重要因素[1]。

緊密型織物是很多保護性裝置的主要功能元件，其可以在遇險時對被保護體起到良好地緩沖防護作用，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(包括用于保護由空中向災區投放的物資或外部空間降落星球表面的探測車等)。該類緊密型保護織物工作時，因受高氣壓影響織物內的交織結構會發生面內面外變形，透氣性能也隨之變化，保護性能的不確定性變大，因此了解和掌握織物面外變形規律對指導后期防護性織物結構設計具有重要意義。

文中從機理的角度探索線性材料及其柔性交織結構在高氣壓下面臨的力學問題，特別是交織結構三維角度的變形機理及滲透性能的變化機理，為設計新型輕薄類保護材料提供理論指導。

1 織物變形應用中常用材料研究進展

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

防護型產品如安全氣囊對織物斷裂強力、撕裂性能、氣密性等都有嚴格的要求[5]。如果織物的氣密性差，那么當氣壓沖擊織物時，會引起氣囊內氣壓不足或者保氣時間不夠，從而導致保護失效等情況發生。因此，安全氣囊織物若要適應不同程度猛烈碰撞的情況，就需安全氣囊絲具有穩定性、柔軟性、耐老化性等特點。目前市場上生產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，還要有一定的熱穩定性。Polyanicle High Performance(PHP)公司因此通過熱反射、熱解反應提高熔點和熱容等方法對尼龍66紗線進行了改善[6]，使其熱穩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性能之間的關系。通過實驗發現當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，熱防護性能并不理想。除普通織物外，碳纖維織物在產業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合材料增強體，因其優良的機械性能，廣泛應用于航天航空以及國防軍工領域。由于復合材料織物在沖壓成型過程中紗線間相互作用較復雜，導致其成型過程中的力學現象以及變形機理研究相對困難[8]。國內外研究人員對編織復合材料的力學性能及成型等做了相關實驗研究，但是對于其變形機理的研究還有待深入。

2 織物變形機理的研究進展

2.1 研究背景概述

氣囊類保護型織物在工作時，一般面臨高壓氣體作用，在極短的時間內打開折疊織物。這種工作環境對織物的性能要求極高，一般需要具備：①抗拉強度高、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，當降平穩后，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成初始狀態。

當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到控制透氣量大小的目的[3]。安全氣囊織物的防護效果與織物滲透性能息息相關，當織物遭受沖擊時，產生的面外變形會使織物結構發生變化從而影響其滲透性和防護效果。因此，研究高氣壓下緊密機織物的面外變形機理對研究織物防護效果有重要的指導意義[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構，而利用達西定律可通過實驗獲取材料的滲透值。交織結構具有孔隙，因此交織結構有滲透性。如果交織結構緊密，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；如果交織結構疏松，則紗線之間的孔隙會成為流體流通的主要渠道。疏松結構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寬度。按照織物結構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構比較柔軟，即便是低氣壓也會影響交織結構的滲透性，而在高壓氣體下，交織的孔隙幾何結構勢必會發生變化。

目前，國內相關保護裝置及配套附件的開發和應用還處于初級階段，在材料和結構上的使用相對單一；隨著人們健康意識和財產保護意識的提高，以及國家戰略需求，對保護型織物需求將日益增加，而目前國內研究多用宏觀方式簡單的模擬氣流沖擊織物，屬于實驗探索階段。當前使用最多的保護織物材料是錦綸(尼龍)長絲，因為錦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到某些保護織物的要求。

2.2 研究進展與結果概述

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，發現該過程中織物的雙軸應力-應變關系整體上呈非線性，具體如圖1所示。

圖1 安全氣囊織物的雙軸應力-應變關系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透氣量與織物前后壓差的關系。結果表明：織物的動態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，而靜態透氣率與壓力總體呈非線性關系。

圖2 安全氣囊動態透氣性與壓差的關系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變形測試裝置，得到氣囊織物動態變形過程中不同時刻的變形形態和充脹高度，同時建立了數學模型。發現織物的動態充脹高度與泊松比、彈性模量以及織物厚度等呈負相關。

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。得到織物應力隨氣壓的增大而成非線性增加，及織物中心處徑向應力與切向應力近似相等的結論。實驗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]分別利用柱坐標系和正交坐標系將面料夾持成圓形和方形，并根據軸對稱性和位移的奇偶性，假設成多項式型和正余弦三角函數型(內含求解參數)，然后根據邊界條件和平衡方程式求解未知參數和最終的變形參量。另外， XIAO X等[13]根據變形位移的奇偶性在極坐標系下改進了假設位移，也很好地預測了交織結構的面外變形。LIN H 等和XIAO X等還分別利用系統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測的數學模型如圖4所示。

圖4 3種不同邊界條件下預測的數學模型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測織物高氣壓下動態透氣情況，但并未具體闡述織物結構的變化和滲透性能的發展趨勢。XIAO X L 等[16]在織物靜態高壓變形的基礎上，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織物動態滲透性能的變化。

GEBART B R[17]構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。后來又有學者對GEBART B R模型做了補充。如WESTHUIZEN J V 等[18]給出了正方形纖維截面相應的纖維束滲透性能的數學模型。ADYANI S G等[19]在GEBART B R 模型基礎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行了一系列實驗，對比了不同雙拉比及紗線取向對力學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。研究結果表明：織物經緯方向上的纖維力學性能會相互影響；成形過程中的主要變形為剪切變形，為后續研究碳纖維織物的模擬仿真以及建立數學模型奠定了基礎。

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氣壓沖擊的過程進行有限元模擬，得到了其充脹后的變形曲線及其薄膜應力分布。薄膜單元受力分析及不同壓力下強織物薄膜應力分布如圖6所示。結果表明：向氣囊織物中充氣后，氣囊織物近似于球形，其中心薄膜處的應力最大，固定邊界處薄膜應力最小，同時薄膜應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力分布 Fig.6 Force analysis of the membrane element and stress distribution

徐鵬偉[21]等對現役傘兵戰車的著陸緩沖裝置——緩沖氣囊進行優化改進，以滿足二代傘兵戰車的著陸緩沖性能要求。基于現有的緩沖氣囊，建立支持向量回歸模型，用遺傳算法對各個參數優化。氣囊參數設計流程及優化前后仿真結果對比如圖7所示。

圖7 二代傘兵戰車緩沖氣囊優化Fig.7 Optimization of two generation paratroopers' buffering airbag

結果顯示優化后的緩沖氣囊系統將二代傘兵戰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順滑。

3 織物變形發展趨勢

3.1 新型應用

智能紡織品[22]是一種典型的智能材料，因其優越的性能，被廣泛應用于航空航天、醫療保健以及探測傳感器等領域。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。因為其結構彈性好，作為應變傳感器使用時其工作范圍遠遠大于傳統金屬應變片。

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

智能技術紡織品能夠對外部環境刺激作出反應[24]，目前在土木工程領域占據重要的位置。通過在功能紡織品內部嵌入傳感器，最終形成智能土工織物體系，其可通過檢測機械變形、應變、孔隙、壓力等，對巖土結構進行健康監測。

浙江理工大學的齊元元[25]研究開發了無縫針織抗沖擊防護服，不但可以抗沖擊，還可以滿足運動時的舒適性、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]創新了織物防護類型：在服裝上衣和褲子的關鍵部位表面都設置了緩沖氣囊的運動防護服；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服；借助運動傳感器監測騎手騎行狀態，并在事故發生瞬間以毫秒級速度彈出肩膀和鎖骨位置的氣囊來保護騎手的氣囊智能防護服等。美國賓夕法尼亞的(Active Protective)公司設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性服裝或產業用紡織品。隨著社會科技的發展，防護服已不單單僅用于抵御輕度磕碰，更是針對某種危害進行防護，因此對防護材料性能有很高的要求。而從結構角度研發高性價比的半制成品和成品，是獲得高性價比特種防護服的重要途徑[28]。同時只有強化防護機理研究，才能使防護技術研究更成熟。

隨著國家基礎設施建設和經濟發展，土工織物作為新時代的產物，在工程中的應用逐漸發展起來。其中，復合土工織物因其具有機織及非織的優點，比如高強、尺寸穩定性好、優異的防滲性等性能，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展。

3.3 研究方向

目前，國內研究多用宏觀的方式簡單模擬氣流沖擊織物，屬于實驗探索階段。而高氣壓作用條件下，線性材料及其柔性交織結構織物產生變形時的力學問題依然處于淺層次研究，特別是交織結構的三維角度及其滲透性能的變化，因此需要從機理的角度深入研究。除此之外，傳統缺乏彈性紗線的緊密機織物在織物變形方面存在不足，含有彈性紗線的緊密機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，在緊密機織物的基礎上，彈性紗線所具有的高彈回復性使得緊密結構織物逐漸成為高氣壓工作條件下防護性產業用紡織品的主要成分。

因此，未來可以在前人研究的基礎上，研究在靜態以及動態變化的均勻大氣壓下，其彈性緊密織物面內面外變形機理，以及形變對其滲透性的影響。該研究可為設計新型輕薄有效防護織物提供理論指導。

為進行有效實驗，計劃搭建織物面外變形實驗平臺，如圖8所示。

圖8 實驗平臺搭建Fig.8 Test platform construction

通過搭建實驗平臺，可以研究動態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系。變形容器下方的數碼壓力表，可以用來記錄容器內氣壓與時間的變化關系。除此之外，還可以探索織物彈性在動態高氣壓下變形參量對應時間的變化影響。考慮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高氣壓下，實驗測量離散靜態滲透值，考察其線性和非線性特征。最終通過該組實驗，以研究合適的動氣壓對應的最終有效保護效果。

4 結語

針對目前市場上保護裝置的保護原理，通過了解并研究織物面外變形，能夠幫助研究人員深入認識防護類織物在高氣壓下變形機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構變形和最終滲透性能的影響，為開發新型防護類面料提供理論和技術支持。