李 杭，楊青青，邱詩苑，蔚 朵，崔李倩

(武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430200)

現(xiàn)代軟質(zhì)防彈衣是由高性能纖維制成的柔性防護(hù)材料疊層組成，其防護(hù)性能取決于其在沖擊區(qū)域的局部吸收能量以及快速將能量分散出沖擊區(qū)的能力[1]。

平紋機(jī)織物優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低卷曲以及交織作用，使其具有較好的抵抗彈道沖擊的性能[2-3]。但是由于平紋織物的結(jié)構(gòu)相對松散，在受到彈丸橫向沖擊時，容易發(fā)生紗線被“抽拔”的現(xiàn)象。當(dāng)主紗線(與彈丸直接接觸的紗線)被抽拔出一定程度時，紗線屈曲逐漸減小，紗線交織點(diǎn)處的間隙增大，導(dǎo)致這些主紗線更易于被彈丸推開，這種現(xiàn)象被稱為“開窗”，如果織物邊緣松散，這種現(xiàn)象會加劇[4]。研究發(fā)現(xiàn)，消除織物在彈丸沖擊過程中主紗線間的滑移，可以使得織物更傾向于通過纖維斷裂吸收子彈動能[5]。所以織物成型紗線間摩擦力對其抗侵徹性能起到重要作用[6]。

為了更好地研究摩擦對織物抗侵徹性能的影響，相關(guān)學(xué)者通過試驗(yàn)以及有限元模型研究分析得出，當(dāng)紗線間臨界摩擦因數(shù)μ=0.4 左右時，在紗線間摩擦以及交互作用下，應(yīng)力波從主紗線擴(kuò)散到次紗線(與主紗線相互交織的紗線)，從而增加了機(jī)織物的能量吸收性能[7]。目前用來提升紗線間摩擦性能的方法主要?dú)w為2類：通過化學(xué)方法對紗線進(jìn)行表面改性處理或改變織物組織結(jié)構(gòu)[8]。近年來，研究人員已嘗試通過二氧化硅剪切增稠液(STF)來提升軟質(zhì)防彈衣的抗侵徹性能[9-10]，通過STF浸漬的織物與純織物相比，前者表現(xiàn)出更好的能量吸收能力，且織物的能量吸收能力隨著紗線間滲透的STF量的增加而增加，該機(jī)制主要是通過增稠液來抵消子彈的沖擊性[11-12]。另外，STF增強(qiáng)了紗線間摩擦力，彈丸沖擊織物時增大了織物的應(yīng)變面積，從而擴(kuò)大了能量的傳遞范圍。除此之外，由于低溫等離子體方法處理材料具有腐蝕和燒蝕作用，也常被用來處理纖維，導(dǎo)致纖維表面粗糙化，以增強(qiáng)纖維間的摩擦力[13]。通過對芳綸機(jī)織物進(jìn)行表面改性處理，研究紗線表面摩擦因數(shù)、紗線摩擦性能測試以及織物的彈道試驗(yàn)，BRISCOE[14]肯定了表面改性處理對織物防彈性能的提升效果。但是表面改性處理的方法不可避免地對纖維表面造成一定損傷，降低了纖維的力學(xué)性能、織物的柔韌性，增加了織物的質(zhì)量。相比之下，織物組織結(jié)構(gòu)改性更符合軟體防彈層增強(qiáng)減重的需求理念。部分學(xué)者基于該理念，利用紡織技術(shù)，將紗羅組織和平紋組織結(jié)合，增強(qiáng)芳綸機(jī)織物經(jīng)紗、緯紗的交織阻力，抽拔試驗(yàn)結(jié)果表明，紗羅組織的引入，增強(qiáng)了經(jīng)紗對緯紗的握持性能，有效的限制了紗線間的滑移[15]。然而，紗線抽拔測試只能對機(jī)織物能量吸收性能做相關(guān)的預(yù)估，更為直接的方法是依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彈道測試。

本文在平紋織物基礎(chǔ)上，通過縫合技術(shù)來限制紗線的流動性，以消除在彈丸侵徹過程中紗線的抽拔和“開窗”現(xiàn)象，研究提高紗線間摩擦力的可行性方案。此外，采用彈丸侵徹試驗(yàn)對縫合/平紋復(fù)合結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行測試，通過理論與數(shù)據(jù)分析，研究提升織物防彈性能的可行性方案，為紡織結(jié)構(gòu)柔性防彈夾層的開發(fā)提供參考。

1 試樣準(zhǔn)備

本文試驗(yàn)所采用的芳綸平紋織物由Kevler?29長絲束(美國杜邦公司)織制而成，使用線密度為500 dtex的縫紉線(華美線業(yè)有限公司)，對芳綸平紋織物的經(jīng)向、緯向均進(jìn)行縫合處理，以便于控制纖維束的滑移，材料特性見表1?？p合工藝示意圖見圖1，由圖示出縫紉線跡是由上線、下線2根縫紉線相互順理而且有序地交織在織物之間。

表1 材料特性Tab.1 Material specifications

1—縫紉針；2—線圈；3—底線；4—擺梭。 圖1 縫合工藝示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the stitch formation

由圖1(a)示出，針頭引線后穿過織物向下運(yùn)動，在機(jī)針最低位置時引線形成線圈被擺梭尖鉤起；通過擺梭的旋轉(zhuǎn)，引線線圈逐漸變大并被環(huán)繞到梭芯的底部，從而與底線形成交叉(見圖1(b))；交叉的線圈隨著擺梭的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)開始上升，線圈逐漸縮小(見圖1(c))；線圈繼續(xù)縮小，與底線形成互鎖，直到被機(jī)針拉過織物以固定針跡(見圖1(d))。縫合和未縫合平紋織物試樣見圖2，試樣規(guī)格見表2。

圖2 縫合和未縫合平紋織物試樣Fig.2 Stitched and unstitched plain fabrics

表2 試樣規(guī)格Tab.2 Fabric specifications

2 織物性能測試

2.1 紗線抽拔試驗(yàn)和織物硬挺度測試

彈丸侵徹過程中，紗線抽拔作用是芳綸平紋織物主要吸能機(jī)制之一。因此，通過紗線的抽拔試驗(yàn)來研究縫紉線對經(jīng)紗、緯紗之間摩擦力的增幅效果，并最終為提升織物的抗侵徹性能提供參考依據(jù)。本文采用YG028型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(常州市中纖檢測儀器設(shè)備有限公司)對試樣進(jìn)行抽拔試驗(yàn)?？椢飿悠吩谠撗b置中由下夾持，并使用波紋鉗口防止紗線從夾具中滑落，待抽拔的紗線由上顎夾緊，以固定的移動速度向上移動，當(dāng)紗線上沒有負(fù)載時，測試停止。拔紗試驗(yàn)示意圖見圖3，由圖示出，在剩下的紗線尾部被下顎夾鉗夾住的同時，還保留了一個狹槽，以便將紗線拉出。在本文研究中，分別對垂直于縫合線方向的紗線以及被縫合的紗線本身進(jìn)行了抽拔試驗(yàn)，定量分析了縫紉工藝對經(jīng)、緯紗約束的影響。

由于線跡縫合機(jī)制會對織物的硬挺度造成一定程度的影響，本文依據(jù)GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》對復(fù)合組織結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行了硬挺度測試分析，以研究不同縫合密度下織物硬挺度的變化。

圖3 抽拔試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagrams of the yarn pull-out test. (a) Weft direction ;(b) Warp direction

2.2 彈丸侵徹試驗(yàn)

利用彈丸侵徹試驗(yàn)測試不同靶體的抗侵徹性能。該試驗(yàn)中，采用的球形彈質(zhì)量為2 g，直徑為8 mm。彈丸通過高壓空氣在槍管內(nèi)進(jìn)行加速，出膛速度為0～400 m/s，利用高速攝像的方法測試彈丸在接觸靶體前的入射速度和貫穿靶體后的出射速度。利用式(1)計(jì)算得出的彈丸動能損失表征織物的抗侵徹性能。由于侵徹設(shè)備的不可控因素影響，無法設(shè)定彈丸出膛的準(zhǔn)確速度，因此，每個試樣的測試都在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行，保證速度盡可能接近，以便進(jìn)行比較。

(1)

式中：ΔE為彈丸動能損失，J；m為彈丸質(zhì)量，g；v1為彈丸入射速度，m/s；v2為彈丸出射速度，m/s。

為了保證彈丸在侵徹過程中，紗線拔出的阻力完全來自于平紋織物交織點(diǎn)和縫合處的摩擦力，設(shè)計(jì)了一種夾具，四角夾具示意圖見圖4。由圖示出，該夾具四角銑有溝槽，試樣只被夾持4個直角邊，用螺栓和螺帽貫穿夾具背板以固定試樣，以便保證主紗線不會受到夾具約束的影響。在本文彈丸侵徹試驗(yàn)中，所有試樣規(guī)格均為25 cm×25 cm，以適應(yīng)靶體夾具的尺寸。

圖4 四角夾具示意圖Fig.4 Schematic diagram of the corner clamped frame

3 結(jié)果與討論

3.1 紗線抽拔試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究不同數(shù)量的縫合線對紗線抵御抽拔作用的影響，依據(jù)每隔3根紗線縫合的縫制規(guī)格，在平紋織物中引入0～4根與抽拔紗線垂直的縫合線跡，所制試樣分別記為a#、b#、c#、d#、e#，單紗抽拔力-位移曲線見圖5，其中圖5(a)示出了根據(jù)圖3(a)所述方法進(jìn)行的紗線抽拔試驗(yàn)的位移-抽拔力曲線。結(jié)果表明，縫合線跡顯著增加了紗線間的抽拔力，抽拔力隨縫合線跡根數(shù)的增加而增加。由圖5(a)可知，單紗縫合試樣的抽拔力峰值比平紋組織高約6倍，最大抽拔力隨縫合紗線數(shù)的增加而增大，其中有4根縫合線樣品的抽拔力峰值最大，為55 N。這些結(jié)果表明，縫合線提供的約束大大增加了緯紗和經(jīng)紗之間的摩擦力。另外，在紗線被抽拔的初始階段，位移-載荷曲線具有相似的力值，這是因?yàn)樵谠撾A段(退屈曲區(qū))抽拔紗線克服靜摩擦力，導(dǎo)致屈曲完成了一定程度的轉(zhuǎn)換，即紗線不斷伸直；當(dāng)位移超過10 mm時，曲線之間的差異開始變得更為明顯，這表明在進(jìn)入“黏滑”階段后，拉伸紗線上的縫合約束機(jī)制被激活[14]，縫紉線對經(jīng)紗、緯紗的約束增大了紗線抵御抽拔的能力。因此，縫合效果在一定程度上是“延遲”的。彈道沖擊是一個動態(tài)事件，通常在50～200 μs內(nèi)完成，所以防護(hù)材料對彈丸沖擊的有效阻力響應(yīng)需要及時運(yùn)作才能有效達(dá)到防護(hù)目的。

按圖3(b)所述方法進(jìn)行紗線抽拔試驗(yàn)，此方法抽出的單根紗線完全由縫紉線縫合，所制試樣記為f#，單紗抽拔力-位移曲線見圖5(b)。可以看出，縫合樣品的力-位移曲線在初始階段急劇增加，當(dāng)抽拔力達(dá)到45 N的峰值后開始下降，其抵御紗線抽拔的能力是平紋織物的20倍以上。圖5(b)所示的結(jié)果與圖5(a)相比，縫合紗線對抽拔力的響應(yīng)更快，這是因?yàn)樵诔榘蔚某跏茧A段，縫紉線的約束機(jī)制即被激活，由于縫紉線的約束作用極大的限制了紗線的滑移，從而增強(qiáng)了紗線對抽拔的抵御能力。當(dāng)織物上的每根紗線都被縫紉線縫合時，這使得縫合提供的約束效果在彈道事件開始時即刻生效，確保了樣本更有效地抵抗彈丸沖擊。同時消除了紗線拉出和“開窗”的可能性，降低了紗線滑移的概率，紗線斷裂吸收彈丸動能的概率增加，提升了織物的抗侵徹性能。

圖5 單紗抽拔力-位移曲線Fig.5 Pull-out force as a function of displacement. (a) Weft direction; (b) Warp direction

3.2 織物硬挺度測試結(jié)果分析

織物的硬挺度測試結(jié)果見表3，其中抗彎剛度為表征織物硬挺度的指標(biāo)，抗彎剛度越大，織物硬挺度越高。由表示出，試樣1#的抗彎剛度最小，具有最好的柔韌性。由于在縫合工藝中，縫紉線所提供的約束增加了經(jīng)紗、緯紗之間的摩擦力，限制了紗線間位移，阻礙了纖維間和紗線間的運(yùn)動,這種機(jī)制不可避免地增加了平紋織物的抗彎剛度，從而增加了整體織物的硬挺度。即線跡縫合工藝增加了平紋織物的硬挺度，其硬挺度隨縫合線跡密度的增大而增大。

表3 織物的硬挺度測試結(jié)果Tab.3 Stiffness test results of the fabrics

3.3 彈丸侵徹試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 彈丸侵徹速度對比分析

使用2.2所述測試方法在0～400 m/s的沖擊速度范圍內(nèi)進(jìn)行了彈丸侵徹試驗(yàn)。不同速率條件下試樣的入射速度-出射速度曲線見圖6，由圖示出，隨著入射速度的增加，每個樣品的擬合曲線都逐漸與黑色線性虛線平行。其中黑色線性虛線表示在沒有靶體目標(biāo)的情況下，由于忽略了空氣阻力對彈丸的影響，彈丸的出射速度沒有衰減，與入射速度呈線性關(guān)系。這可以通過平紋織物的能量吸收機(jī)制進(jìn)行解釋，當(dāng)彈丸入射速度較小或者接近彈道極限V50(彈丸貫穿靶體目標(biāo)的最低著速)范圍內(nèi)時，平紋織物受到彈丸沖擊后，自彈著點(diǎn)會產(chǎn)生2種機(jī)械波，橫向波和縱向波，橫向波的傳遞導(dǎo)致主紗線產(chǎn)生橫向偏移，從而帶動次紗線運(yùn)動，造成織物產(chǎn)生四面體狀的橫向形變，織物發(fā)生拉伸破壞，彈丸的大部分動能通過橫向波和縱向波的傳遞被材料吸收，主要轉(zhuǎn)化為織物的動能和應(yīng)變能，此時出射速度隨入射速度的增長較快；當(dāng)入射速度較大，遠(yuǎn)離彈道極限時，彈丸在接觸織物的一瞬間橫向波迅速傳遞，遠(yuǎn)離彈著點(diǎn)的紗線在未受到縱向波影響的情況下，織物通過纖維斷裂吸收子彈的動能，造成剪切破壞，從而發(fā)生非彈性動態(tài)響應(yīng)，彈丸出射速度隨入射速度的增長逐漸變緩，織物的能量吸收效率降低。從圖6結(jié)果可以看出，在彈丸低速沖擊下，縫合織物比未縫合織物具有更好的防彈性能，其中試樣5#的抗侵徹性能最好；隨著彈丸沖擊速度的進(jìn)一步提升，不同織物試樣的出射速度沒有明顯差異，這與柔性靶體在高速沖擊下的作用機(jī)制有關(guān)。

圖6 不同速率條件下試樣的入射速度-出射速度曲線Fig.6 Plot of the residual velocity versus impact velocity

3.3.2 織物吸能效果分析

為了盡量減少沖擊速度變化對織物性能的影響，本文測試了在180、400 m/s的入射速度下，不同目標(biāo)樣品對彈丸動能的吸收能力，在這項(xiàng)研究中，每種樣本被測試了10次以進(jìn)行比較。不同沖擊速度下試樣的吸收能量以及貫穿比吸能見圖7。由圖示出，隨著彈丸沖擊速度的增加，織物的能量吸收能力下降，如從180 m/s的沖擊速度到400 m/s的沖擊速度，1#的吸能從12.8 J降低到7.7 J，試樣5#的吸能從32.4 J降低到14.8 J。這也證實(shí)了柔性織物在高速沖擊下吸能下降的事實(shí)，與圖6結(jié)果對應(yīng)。同時發(fā)現(xiàn)，試樣5#在180和400 m/s的沖擊速度下均表現(xiàn)出最佳的能量吸收能力，其吸能分別是試樣1#的253%、192%。由數(shù)據(jù)分析得出，縫合工藝提高了織物的能量吸收能力，這是因?yàn)榫€跡縫合增大了紗線間摩擦力，織物通過摩擦作用降低了主紗線橫向偏移的流動性，減小了紗線抽拔和“開窗”的可能性，從而使沖擊區(qū)域內(nèi)更多的紗線承載了彈丸的沖擊，并通過紗線斷裂吸收彈丸的沖擊動能，因此具有高摩擦性能的織物比低摩擦性能的織物吸收更多的能量，這也對試樣5#的抗侵徹性能優(yōu)于其他試樣做了相應(yīng)解釋。

目前大多數(shù)織物防彈性能的研究是在減重增效的前提下改善織物性能，所以縫合織物中縫紉線的附加質(zhì)量不可忽略。對經(jīng)向、緯向2個方向上的每根紗線都進(jìn)行縫合處理，使平紋組織的面密度增加了100%。為了比較相同面密度下不同織物的防彈性能，用總能量除以面積密度對能量吸收進(jìn)行單位化處理，記為“貫穿比吸能”，結(jié)果如圖7右軸所示，織物的貫穿比吸能隨著相鄰2根縫合線跡間距的減小呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中試樣4#表現(xiàn)出最高的貫穿比吸能。在180、400 m/s的沖擊速度下，試樣4#的貫穿比吸能分別為0.071、0.044 J/(g·m2)，分別是1#的133.9%和137.5%?？椢镓灤┍任艿脑黾诱f明了適當(dāng)?shù)囊肟p合線跡可以有效限制纖維間的滑移，使更多纖維通過斷裂吸收彈丸的動能，從而提升了單位面密度內(nèi)的紗線利用率；然而當(dāng)縫合線過密時，織物中縫紉線的附加質(zhì)量過大，反而不利于織物的單位面密度吸能。

圖7 不同沖擊速度下試樣的吸收能量Fig.7 Energy absorption of the samples at different impact velocities

3.3.3 織物失效形貌分析

織物靶體在受到彈丸侵徹后會發(fā)生紗線抽拔、紗線斷裂等失效模式，400 m/s下彈丸侵徹后的試樣失效形貌見圖8。由圖示出，所有樣品均被穿透，其中試樣5#的紗線抽拔現(xiàn)象最不明顯。由圖8(a)示出，主紗線在很大程度上是在試樣1#上被拉伸的。除了被抽出的紗線外，彈丸還能推開其他紗線，從而發(fā)生“開窗”。由于紗線抽拔和“開窗”的存在，紗線無法承受沖擊載荷，因此在試樣1#上沒有觀察到紗線的斷裂。在試樣5#上，每根紗線都被縫合，緯紗和經(jīng)紗受到縫紉線的約束，因此表現(xiàn)出的紗線抽拔和“開窗”現(xiàn)象最不明顯。由圖8(c)～(e)示出，隨著縫合線之間密度的增加，織物更傾向于通過纖維斷裂吸收彈丸動能。

由圖7所示，能量吸收值的大小隨著平紋/縫合復(fù)合結(jié)構(gòu)織物密度的增大而變化。平紋織物能量吸收能力的離散性歸因于彈丸所承載的紗線數(shù)量，這基本上取決于彈丸撞擊靶體的彈著點(diǎn)位置，當(dāng)彈著點(diǎn)位于經(jīng)紗、緯紗交織點(diǎn)時，彈丸的沖擊造成芳綸纖維發(fā)生斷裂，靶體的能量吸收效果較好；當(dāng)彈著點(diǎn)位于相鄰的長絲束之間時，在沖擊作用下，長絲束容易發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致靶體被貫穿，靶體的能量吸收效果較差?？p合試樣還須考慮縫合線的分布，當(dāng)彈丸撞擊縫合線時，紗線斷裂失效的概率增加，吸收能量較高；當(dāng)彈丸撞擊縫合線之間的間隙時，紗線斷裂失效的概率降低，相應(yīng)地減小了靶體的吸收能量。在縫合密度大的樣品上，彈著點(diǎn)更可能位于縫合線上或者縫合線附近，其改善了彈道性能并降低了能量吸收值的差異性。相反，在縫合密度較小的樣品上，彈丸與縫合線接觸的可能性相對較小，因此織物吸能效果不明顯，增加了能量吸收值的離散性。

圖8 400 m/s下彈丸侵徹后的試樣失效形貌.Fig.8 Post-impact close-ups of different samples at an impact velocity of approximately 400 m/s

4 結(jié) 論

①織物的防護(hù)性能隨著彈丸入射速度的增加而下降，在彈丸低速沖擊下，平紋/縫合復(fù)合結(jié)構(gòu)織物具有更明顯的防彈性能，這與柔性靶體在高速沖擊下的作用機(jī)制有關(guān)。

②紗線抽拔試驗(yàn)驗(yàn)證了縫合對紗線的約束效果，其中只引入1根縫合線試樣的抽拔力是未縫合試樣的6倍，引入4根縫合線試樣的抽拔力峰值最大，為55 N。抽拔試驗(yàn)證實(shí)了紗線的縫合會增加緯紗和經(jīng)紗之間的摩擦力，提升紗線間的約束作用。另外，線跡縫合增加了平紋織物的面密度，導(dǎo)致試樣硬挺度增大。

③平紋/縫合復(fù)合結(jié)構(gòu)織物的能量吸收能力隨著相鄰2根縫合線跡間距的減小而增大，其中每根紗線縫合試樣具有最好的防彈性能。在180、400 m/s的沖擊速度下，每根紗線縫合試樣的吸能分別是未縫合試樣吸能的253%、192%。

④織物的貫穿比吸能隨著相鄰2根縫合線跡間距的減小呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，單位面密度內(nèi)，每隔1根紗線縫合試樣表現(xiàn)出最好的能量吸收能力。在180、400 m/s的沖擊速度下，每隔1根紗線縫合試樣的貫穿比吸能分別是未縫合試樣的133.9%和137.5%。同時發(fā)現(xiàn)，縫合樣品的紗線斷裂比未縫合的樣品更明顯。