氧化鋅改性芳綸織物的抗彈道沖擊性能的數(shù)值模擬

許堯杰, 劉瀚*, 張宏, 黃廣炎,2

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心, 重慶 401120)

0 引言

防彈衣能夠在軍事沖突和恐怖襲擊中有效保護(hù)士兵的生命安全,為了使防彈衣重量更輕、穿著更舒適,人們開(kāi)始采用高強(qiáng)度、低密度、高模量的Kevlar和Twaron等芳綸織物[1-3]作為防彈衣防護(hù)層。隨著防護(hù)技術(shù)的發(fā)展,防彈織物的力學(xué)性能和整體結(jié)構(gòu)將會(huì)得到優(yōu)化,關(guān)于防彈衣的輕量化和高性能的要求會(huì)越來(lái)越強(qiáng)烈,柔性防彈衣將會(huì)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮重要的作用。

纖維的力學(xué)性能對(duì)織物的抗彈性能有顯著影響,為提高織物的抗彈性能,纖維改性一直是人們的研究重點(diǎn)。Cao等[4]研究了剪切增稠液(STF)改性芳綸織物在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能和吸能特性,改性織物的紗線(xiàn)間摩擦力顯著提高,吸能性能隨之提高。Hasanzadeh等[5]發(fā)現(xiàn)STF改性芳綸織物在受到穿刺載荷時(shí),穿透峰值和吸能性能較純織物有顯著提高。除了使用STF對(duì)織物進(jìn)行改性,研究者們還通過(guò)在纖維表面種植氧化鋅顆粒,使紗線(xiàn)間的摩擦力顯著提高,增強(qiáng)織物的抗沖擊性能[6-8]。Hwang等[9]發(fā)現(xiàn)氧化鋅改性紗線(xiàn)的彈性模量和拉伸強(qiáng)度較純織物略有提高。Dixit等[10]研究了STF和氧化鋅改性織物的低速抗沖擊性能,發(fā)現(xiàn)氧化鋅改性織物的能量吸收較純織物提高了36.6%。

為研究改性織物的抗彈道沖擊機(jī)理,人們常開(kāi)展數(shù)值模擬工作,分析在彈道沖擊過(guò)程中織物的應(yīng)力云圖與細(xì)微變形,與彈道試驗(yàn)形成互補(bǔ)與對(duì)照。前人對(duì)純織物的彈道沖擊模擬進(jìn)行了許多研究,對(duì)織物的損傷機(jī)理與失效模式進(jìn)行了詳細(xì)的描述[11-14]。Cao等[15]通過(guò)增加紗線(xiàn)間的摩擦系數(shù)來(lái)等效對(duì)STF改性芳綸織物的數(shù)值模擬。Liu等[16]測(cè)試了改性紗線(xiàn)的彈性模量、拉伸強(qiáng)度與紗線(xiàn)間摩擦系數(shù),模擬了STF改性芳綸織物的彈道沖擊過(guò)程。

在以往的研究中,有大量文獻(xiàn)針對(duì)氧化鋅改性織物進(jìn)行了力學(xué)性能的研究[17-20],表明織物經(jīng)氧化鋅納米顆粒改性后,紗線(xiàn)的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)均有提高。Liu等[16]的研究結(jié)果表明,紗線(xiàn)的力學(xué)性能和紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)的提升可以提高織物的抗彈性能,但是目前對(duì)于氧化鋅改性織物抗彈道沖擊性能的研究較少,氧化鋅改性織物在抗彈性能方面的潛力沒(méi)有得到展現(xiàn),相關(guān)的數(shù)值模擬工作少有開(kāi)展,氧化鋅改性織物受到彈丸沖擊時(shí)的失效機(jī)理也尚不明確,從而制約了氧化鋅改性織物在防彈裝備方面的應(yīng)用。

本文開(kāi)展了準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)測(cè)試、紗線(xiàn)拉拔測(cè)試、彈道試驗(yàn)和數(shù)值模擬工作,對(duì)氧化鋅改性織物的抗彈性能開(kāi)展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究。從彈道極限和能量吸收的角度分析了氧化鋅改性織物相較傳統(tǒng)織物彈道性能的提升幅度,從細(xì)觀模型的角度進(jìn)行了等效仿真,對(duì)氧化鋅改性織物的失效模式與防護(hù)機(jī)理進(jìn)行闡述,為氧化鋅改性織物在柔性防彈領(lǐng)域及單兵作戰(zhàn)防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 力學(xué)及彈道性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用Twaron芳綸織物(面密度為240 g/m2),化學(xué)試劑均采購(gòu)于中國(guó)上海阿拉丁生化科技股份有限公司,包括氫氧化鈉(分析純≥97%)、30%醋酸溶液、六水合硝酸鋅(分析純≥99%)、二水合乙酸鋅(分析純≥99%)、烏洛托品(分析純≥99%)、去離子水。

1.2 芳綸織物上氧化鋅納米顆粒生長(zhǎng)工藝

在芳綸織物上生長(zhǎng)氧化鋅納米顆粒的工藝流程分為4個(gè)步驟:

1) 織物裁剪:將芳綸織物裁剪為200 mm×200 mm的方形織物,編號(hào),稱(chēng)取布重。

2) 雜質(zhì)去除:將芳綸織物浸漬于10%的氫氧化鈉溶液中20 min,用去離子水洗滌。再將洗滌后的織物浸漬于30%的醋酸溶液中20 min,用去離子水洗滌。上述過(guò)程重復(fù)3次來(lái)去除纖維表面的雜質(zhì)。

3) 氧化鋅生長(zhǎng)基質(zhì)的生成:準(zhǔn)備0.2 mol/L的乙酸鋅溶液和0.25 mol/L的氫氧化鈉溶液,取兩種溶液各500 mL置于培養(yǎng)盤(pán)中,在60 ℃下加熱1 h,將步驟2處理后的織物浸漬于混合溶液中,在70 ℃下培養(yǎng)1 h,使用滾輪輾軋去除織物表面冗余的雜質(zhì)顆粒,將培養(yǎng)后的織物置于120 ℃的烘箱中干燥1.5 h。烘干后,含有種子層的芳綸織物將被用于納米氧化鋅納米顆粒的生長(zhǎng)基質(zhì)。

4) 氧化鋅納米顆粒的生長(zhǎng):準(zhǔn)備0.3 mol/L硝酸鋅溶液和0.15 mol/L烏洛托品溶液,取兩種溶液各500 mL置于培養(yǎng)盤(pán)中,將混合溶液在60 ℃下加熱0.5 h。將步驟3中的織物浸漬于硝酸鋅和烏洛托品的混合溶液中,在80 ℃下培養(yǎng)2 h,將培養(yǎng)后的織物置于140 ℃的烘箱中真空干燥3 h,期間每隔1 h將織物翻面一次。烘干后的試樣稱(chēng)重并記錄。織物參數(shù)如表1所示。

1.3 改性纖維的微觀表征

為研究氧化鋅顆粒在纖維表面的生長(zhǎng)情況,通過(guò)日本JEOL公司產(chǎn)JCM-7000掃描電子顯微鏡(SEM)觀察纖維的表面形貌。圖1顯示了純織物和氧化鋅改性織物SEM成像結(jié)果。由圖1可知,純織物的表面光滑且平整,氧化鋅改性織物表面的粗糙度顯著增加,氧化鋅顆粒均勻地生長(zhǎng)于纖維表面,使纖維之間的聯(lián)結(jié)更加緊密。

1.4 紗線(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試

紗線(xiàn)的拉伸強(qiáng)度及失效模式顯著影響織物的彈道性能,彈道沖擊的過(guò)程為高應(yīng)變率響應(yīng),其應(yīng)變率大致處于1 000～10 000 s-1[21-22],但大量研究表明芳綸纖維及改性芳綸纖維的拉伸行為受應(yīng)變率的變化的影響較小[16,23]。因此本文研究采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸來(lái)測(cè)量芳綸纖維及改性芳綸纖維的拉伸特性。

1.4.1 測(cè)試方案

用鋁合金加強(qiáng)片夾住紗線(xiàn)的兩端,距離為40 mm。 采用環(huán)氧樹(shù)脂膠將紗線(xiàn)粘合在鋁合金片材上,常溫固化12 h以保證粘合的穩(wěn)定性。

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)在美國(guó)美特斯系統(tǒng)公司產(chǎn)MTS-C44.304萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)布局如圖2 所示,拉伸速率為0.001 s-1。 為減少試驗(yàn)誤差,選擇相同幾何形狀和尺寸的Twaron織物樣品進(jìn)行測(cè)試。

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)布局Fig.2 Layout of quasi-static tensile test

1.4.2 測(cè)試結(jié)果

純織物和氧化鋅改性織物在0.001 s-1應(yīng)變率下的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示。當(dāng)紗線(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí),由于受力不均勻,部分細(xì)絲會(huì)提前達(dá)到承載極限而斷裂,導(dǎo)致紗線(xiàn)穩(wěn)定性變?nèi)酢ＪＳ嗟募?xì)絲會(huì)繼續(xù)承受拉伸載荷,直至所有細(xì)絲斷裂,這是紗線(xiàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)部分呈現(xiàn)非線(xiàn)性的原因。由圖1可以看出,細(xì)絲表面的氧化鋅顆粒顯著增加了紗線(xiàn)表面的粗糙度,根據(jù)Liu等[16]的結(jié)論,細(xì)絲之間的聯(lián)結(jié)更緊密,會(huì)增加紗線(xiàn)的剛度,彈性模量也隨之增加。氧化鋅改性織物的彈性模量和拉伸強(qiáng)度分別為78.75 GPa和2.522 GPa,相較于純織物分別提升了5.0%和5.1%。

圖3 純織物和氧化鋅改性織物準(zhǔn)靜態(tài) 拉伸試驗(yàn)的結(jié)果Fig.3 Quasi-static tensile results of neat and ZnO- modified fabrics

1.5 紗線(xiàn)拉拔測(cè)試

1.5.1 測(cè)試方案

為了研究純織物與氧化鋅改性織物的紗線(xiàn)間摩擦系數(shù),在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了紗線(xiàn)拉拔試驗(yàn)。裁剪預(yù)處理的織物如圖4(a)所示,將上半部分的紗線(xiàn)逐層抽出,用刀沿底部黑線(xiàn)切斷紗線(xiàn)以防止末端夾緊的影響,使紗線(xiàn)可以順利地從織物中拉出。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上方夾具夾住紗線(xiàn)的頭部,提供紗線(xiàn)的拉拔力,萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)下方的固定裝置將織物黑線(xiàn)以下的部分固定,將紗線(xiàn)以相應(yīng)速度拉出,如圖4(b)所示,分別以2 mm/min和 20 mm/min的速度開(kāi)展紗線(xiàn)拉拔測(cè)試。

圖4 紗線(xiàn)拉拔試驗(yàn)布局Fig.4 Layout of yarn pull-out test

1.5.2 測(cè)試結(jié)果

紗線(xiàn)之間的摩擦系數(shù)對(duì)織物的力學(xué)性能有顯著的影響[24-25]。根據(jù)Xu等[24]的結(jié)論,在選用同種類(lèi)型的紗線(xiàn)時(shí),紗線(xiàn)間的摩擦系數(shù)和最大紗線(xiàn)拉拔力呈正比,圖5顯示了紗線(xiàn)在不同拉拔速度下拔出的載荷-位移曲線(xiàn)。當(dāng)拉拔速度從2 mm/min增加至20 mm/min時(shí),最大拉拔力略有增加,對(duì)于純織物和氧化鋅改性織物來(lái)說(shuō),最大拉拔力波動(dòng)較小,因此通過(guò)取兩種拉拔速度下的最大拉拔力平均值測(cè)算出的紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)近似看作常數(shù)[24]。在2 mm/min的拉拔速率下,純織物和氧化鋅改性織物的最大紗線(xiàn)間摩擦力分別為4.6 N和17.4 N,當(dāng)拉拔速率增加至20 mm/min,純織物和氧化鋅改性織物的最大紗線(xiàn)間摩擦力分別增加至4.9 N和18.9 N。兩種速率下最大紗線(xiàn)拉拔力的平均值分別為4.75 N和 18.15 N,根據(jù)Xu等[24]的結(jié)論,Twaron純織物的紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)為0.22,則氧化鋅改性織物的紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)推算為0.84,相較于純織物提高了282%。與Xu等[24]的研究進(jìn)行對(duì)比,由于二氧化硅是物理附著于纖維表面,STF改性織物的紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)僅為0.49,氧化鋅納米顆粒由于生長(zhǎng)于纖維表面,顯著提高了紗線(xiàn)與紗線(xiàn)之間的結(jié)構(gòu)互鎖,紗線(xiàn)間的聯(lián)結(jié)因此更加緊密。

圖5 紗線(xiàn)拉拔試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of yarn pull-out test

1.6 織物彈道性能測(cè)試

1.6.1 測(cè)試方案

為研究氧化鋅改性織物的彈道性能,開(kāi)展了尺寸為200 mm×200 mm織物的彈道沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由12.7 mm彈道槍、直徑為10 mm的鋼珠、樹(shù)脂彈托、靶架、織物、高速攝影機(jī)等組成(見(jiàn)圖6)。 高速攝影機(jī)記錄彈丸的飛行軌跡、沖擊織物的過(guò)程、初速和存速。為實(shí)現(xiàn)對(duì)織物的穩(wěn)定固定,采用8個(gè)螺栓將壓環(huán)、織物與背板穩(wěn)定連接,避免織物因邊界固定不完全而發(fā)生的不穩(wěn)定形變影響試驗(yàn)結(jié)果[15]。

1.6.2 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)彈丸以一定速度沖擊織物時(shí),高速攝影機(jī)記錄彈丸的沖擊速度vi和穿過(guò)織物后的殘余速度vr,彈丸穿過(guò)單層純織物和氧化鋅改性織物的速度變化如圖7所示,通過(guò)Recht-Ipson公式[26]擬合:

圖7 彈道極限擬合曲線(xiàn)Fig.7 Ballistic limit fit curves

(1)

式中:vbl是彈道極限速度;α和p是控制曲線(xiàn)形狀的參數(shù)。從擬合曲線(xiàn)可以看出,式(1)與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

對(duì)于單層織物,純織物的彈道極限速度為66 m/s,氧化鋅改性織物的彈道極限速度為102 m/s, 相較于純織物提升了54.5%,且面密度僅增加了3.1%。對(duì)比Xu等[24]的研究結(jié)論,STF改性織物較純織物的彈道極限速度提升僅為40%,但是面密度增益卻高達(dá)30.09%。可以發(fā)現(xiàn),氧化鋅改性不僅可以顯著提高織物的抗彈性能,同時(shí)織物面密度增益較小,完全貼合了實(shí)戰(zhàn)中對(duì)于防彈衣輕量化和高性能的要求。根據(jù)Xu等[24]和Malakooti等[18]的結(jié)論,紗線(xiàn)間摩擦力的增加可以限制纖維絲束的移動(dòng),增加紗線(xiàn)拔出峰值載荷并顯著改善沖擊過(guò)程中的能量耗散,受到?jīng)_擊彈丸沖擊時(shí),會(huì)帶動(dòng)更多的紗線(xiàn)參與防護(hù),進(jìn)而提高改性織物的抗彈性能。同時(shí),由于紗線(xiàn)彈性模量和極限拉伸應(yīng)力的增加,纖維的局部承載能力得到加強(qiáng),彈丸沖擊織物時(shí)受到的抵抗阻力增加,織物的彈丸的動(dòng)能耗散顯著提高,氧化鋅改性織物由于紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)和拉伸強(qiáng)度的顯著提高,其彈道性能也隨之增強(qiáng)。

為評(píng)價(jià)氧化鋅改性織物的吸能特性,選用彈丸穿過(guò)織物后的動(dòng)能變化ΔEk作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。定義如式(2)所示:

(2)

式中:m是彈丸的質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中,防護(hù)裝備的重量是指標(biāo)中的重要參考,為衡量單位面密度下防護(hù)織物的吸能特性,引入比吸能(SEA)的概念,SEA可以用ΔEk/Ar來(lái)表示,其中ΔEk是織物的能量吸收(J),Ar是織物的面密度(kg/m2)。

單層織物的SEA如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn),氧化鋅改性織物的SEA特性顯著優(yōu)于純織物,說(shuō)明氧化鋅顆粒種植提高了紗線(xiàn)間的摩擦系數(shù),進(jìn)一步提高了織物的能量吸收性能。

圖8 單層織物的SEAFig.8 SEA of single-layer fabrics

圖9從宏觀角度顯示了純織物和氧化鋅改性織物的局部失效圖。試驗(yàn)中紗線(xiàn)的失效模式通常有兩種,即拉伸失效和剪切失效。在拉伸失效的情況下,會(huì)發(fā)生不規(guī)則斷裂,并且紗線(xiàn)的斷裂長(zhǎng)度各不相同[27]。發(fā)生剪切破壞時(shí),紗線(xiàn)的斷裂長(zhǎng)度幾乎相同。圖10展示了織物的微觀失效特征,可以看出,純織物和氧化鋅改性織物斷口處的紗線(xiàn)形狀多為不規(guī)則、彎曲甚至相互交叉。這表明純織物、氧化鋅改性織物在彈丸沖擊下的主要破壞模式是拉伸破壞。在發(fā)生拉伸失效之前,紗線(xiàn)會(huì)從織物中拉出,基于這一發(fā)現(xiàn),提高紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)有助于增加紗線(xiàn)受到彈丸沖擊時(shí)拉出的阻力,抵抗受到?jīng)_擊時(shí)發(fā)生的拉伸破壞,增加紗線(xiàn)與紗線(xiàn)間、彈丸與紗線(xiàn)間的摩擦耗能,進(jìn)而提高織物的防彈性能,這也是氧化鋅改性織物彈道性能提升的原因。

圖9 織物的宏觀失效特征Fig.9 Macroscopic failure features of fabrics

圖10 織物的微觀失效特征Fig.10 Microscopic failure features of fabrics

2 織物彈道沖擊數(shù)值計(jì)算模型

2.1 材料模型

在彈丸沖擊纖維織物的過(guò)程中,彈丸無(wú)明顯變形,設(shè)定為剛體,其材料參數(shù)如表2所示[24]。

纖維為橫觀各向同性材料,共有3個(gè)方向定義16個(gè)材料參數(shù),其中1方向?yàn)橹鞣较?沿著紗線(xiàn)軸線(xiàn)方向,2、3方向分別為面內(nèi)和面外紗線(xiàn)徑向方向。

表2 彈丸力學(xué)性能參數(shù)[24]Table 2 Mechanical property of projectile[24]

在彈丸沖擊織物過(guò)程中,纖維在1方向承擔(dān)主要載荷,因此通過(guò)紗線(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)獲得紗線(xiàn)1方向的彈性模量和拉伸強(qiáng)度。對(duì)于2、3方向,根據(jù)紗線(xiàn)橫觀各向同性的材料特性,Wisniewski等[28]假定各個(gè)方向材料參數(shù)相等且遠(yuǎn)小于1方向的數(shù)值,因此設(shè)置2、3方向的彈性模量為1方向的1%。織物在彈道沖擊過(guò)程中,紗線(xiàn)主要承載拉伸應(yīng)力,參考Knoff等[29]的工作設(shè)置了近似的芳綸纖維剪切模量值。純織物紗線(xiàn)的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示,紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)設(shè)置為0.22。氧化鋅改性織物由于力學(xué)性能發(fā)生了變化,其1方向的彈性模量和拉伸強(qiáng)度分別設(shè)置為78.75 GPa和2.522 GPa,紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)設(shè)置為0.84。

表3 Twaron紗線(xiàn)力學(xué)性能參數(shù)Table 3 Mechanical properties of Twaron yarn

在模擬纖維織物失效方面,參照文獻(xiàn)[30],進(jìn)行軟件子程序的設(shè)置,將纖維的失效準(zhǔn)則設(shè)置為 1方向的拉伸失效準(zhǔn)則。

2.2 計(jì)算模型

在以往的研究中,為簡(jiǎn)化分析,通常采用建立宏觀板模型來(lái)分析織物的失效過(guò)程[31]。本文通過(guò)有限元分析軟件從細(xì)觀尺度建立單根紗線(xiàn)模型,分別沿經(jīng)紗方向和和緯紗方向?qū)胃喚€(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)陣列,通過(guò)Merge功能將其編織成整體,將編織后的織物設(shè)為實(shí)體單元,為織物的每根紗線(xiàn)賦予1～3方向材料方向,研究彈丸沖擊芳綸織物的過(guò)程。紗線(xiàn)的橫截面如圖11所示。

圖11 紗線(xiàn)橫截面形狀Fig.11 Cross-sectional shape of yarn

為提高計(jì)算效率,鑒于模型對(duì)稱(chēng)性,建立1/4模型來(lái)分析織物的彈道性能,如圖12所示。數(shù)值模擬中織物的面密度為242 g/m2,與彈道試驗(yàn)基本相同。

圖12 數(shù)值模擬1/4模型Fig.12 1/4 model of numerical simulation system

在數(shù)值模擬中,芳綸織物與彈丸的網(wǎng)格單元均劃分為三維八節(jié)點(diǎn)六面體縮減積分實(shí)體單元(C3D8R),芳綸織物網(wǎng)格尺寸為0.2 mm;彈丸的網(wǎng)格尺寸為 0.4 mm[24]。彈丸與芳綸織物間的接觸采用通用接觸,法線(xiàn)方向設(shè)為硬接觸,切線(xiàn)方向?yàn)榱P接觸,紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)通過(guò)紗線(xiàn)拉拔測(cè)試獲得,織物邊界固定設(shè)置為四周邊界的完全固定。彈道試驗(yàn)中,通過(guò)調(diào)整靶板與彈道槍的高度來(lái)確保彈丸擊中織物中心,因此數(shù)值模擬中,將彈丸與織物的沖擊接觸點(diǎn)設(shè)為織物正中心。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

圖13顯示了單層純織物和氧化鋅改性織物的數(shù)值模擬和彈道試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖,兩種織物的彈道試驗(yàn)中的彈道極限分別為66 m/s和102 m/s,數(shù)值模擬結(jié)果為62 m/s和90 m/s,仿真誤差為6.1%和11.8%,仿真結(jié)果略低于彈道試驗(yàn)結(jié)果,因?yàn)樵趶椀涝囼?yàn)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)仿真中邊界完全固定的條件。仿真曲線(xiàn)與彈道試驗(yàn)曲線(xiàn)較為吻合,進(jìn)一步說(shuō)明氧化鋅改性織物通過(guò)增加紗線(xiàn)間的摩擦系數(shù)顯著提高織物的彈道性能,細(xì)觀模型的建立與力學(xué)性能參數(shù)的等效可以較好地仿真氧化鋅改性織物的彈道沖擊過(guò)程。

圖13 仿真與彈道試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of simulated and ballistic impact test results

圖14 單層氧化鋅改性織物在140 m/s彈丸 沖擊下的失效過(guò)程Fig.14 Failure process of single-layer ZnO-modified fabric under 140 m/s ballistic impact

圖14描述了單層氧化鋅改性織物在140 m/s沖擊速度下的變形和破壞過(guò)程。圖15展示了200 μs 時(shí)彈道試驗(yàn)與仿真結(jié)果中織物變形的宏觀對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。彈丸接觸織物時(shí),在纖維中產(chǎn)生縱向的拉伸應(yīng)力波,沿著纖維以材料聲速傳播,與彈丸接觸的紗線(xiàn)質(zhì)點(diǎn)隨著彈丸沖擊發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng),形成橫向機(jī)械波,在材料中以較低的速度傳播[32]。隨著彈丸的持續(xù)沖擊,織物橫向偏轉(zhuǎn)幅度增大,背部鼓包變大,彈丸的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為織物應(yīng)變能及動(dòng)能[33]。在數(shù)值模擬中可以更清晰地觀察到織物受到彈丸沖擊時(shí)的波動(dòng)。

圖15 氧化鋅改性織物在140 m/s彈丸沖擊下仿真與 試驗(yàn)的宏觀結(jié)果對(duì)比Fig.15 Comparison between simulated and test macro results of ZnO-modified fabric under 140 m/s ballistic impact

4 結(jié)論

本文通過(guò)掃描電鏡成像、準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試、紗線(xiàn)拉拔測(cè)試和彈道試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法研究了新型氧化鋅改性織物的彈道性能。得出以下主要結(jié)論:

1)SEM圖像顯示氧化鋅顆粒均勻地生長(zhǎng)于纖維表面,增加了纖維之間的結(jié)構(gòu)互鎖,纖維表面的粗糙程度顯著提高。

2)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)表明,氧化鋅改性織物的彈性模量和拉伸強(qiáng)度較純織物分別提高了5%和5.1%。紗線(xiàn)拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明,由于紗線(xiàn)間的聯(lián)結(jié)程度和表面粗糙度的提高,氧化鋅改性織物的紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)較純織物提高了282%。

3)彈道試驗(yàn)結(jié)果表明,氧化鋅改性織物的彈道極限速度較純織物提升了54.5%,且比能量吸收特性明顯優(yōu)于純織物。數(shù)值模擬與彈道試驗(yàn)的彈道極限速度誤差較小且宏觀結(jié)果對(duì)比具有良好的一致性,進(jìn)一步證明了紗線(xiàn)間摩擦系數(shù)和力學(xué)性能的提升對(duì)織物的彈道性能有顯著的影響。

氧化鋅改性織物可以成為柔性防彈衣設(shè)計(jì)的新思路。考慮到實(shí)際應(yīng)用的需要,多層氧化鋅改性織物對(duì)制式彈丸的抗沖擊性能將是我們接下來(lái)的研究重點(diǎn)。