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半硬质防刺织物复合鳞片的制备及防刺机理研究

夏民民  
【摘要】:防刺织物作为一种重要的个体防护材料,越来越受到人们的重视,尤其是基于纤维的防刺织物,更是如此。在此类的防刺织物中,由柔性基布和硬质鳞片组成的半硬防刺织物不仅具有优异的防刺性能,而且兼具较好的柔韧性,因而得到了广泛的应用。尽管如此,有关半硬防刺织物的研究仍然很少。本文基于碳化硼(B_4C)硬质粒子涂层和环氧树脂注塑的多层防刺织物,制备了用于半硬质防刺织物的纤维增强复合鳞片,并优化了鳞片的形状和排列方式,同时也研究了鳞片的防刺机理。其研究结果对于防刺性更优、灵活性更好、重量更轻的半硬防刺织物的设计和制备具有一定的借鉴意义。(1)B_4C涂层织物的制备。通过三因素四水平的正交实验确定了直径2.5μm,质量分数49%,搅拌温度30°C为B_4C硬质粒子最佳分散液制备组合。将均匀的B_4C分散液与适量的环氧树脂粘胶剂混合得到B_4C涂层液,并借助丝网印刷技术涂层芳纶织物,然后分别对B_4C涂层织物进行硬挺度、单束抽拔、单舌撕裂以及准静态穿刺实验,探究不同直径,不同质量分数B_4C硬质粒子对涂层织物的影响。结果表明,B_4C硬质粒子的加入不仅改善了涂层织物的柔韧性,还提高了涂层织物的各项力学性能,其中最大单位克重刺破载荷达到了486N/g,提升了428%。(2)共固化多层复合织物的制备。选择防刺性能最优的B_4C涂层织物进行铺层来制备多层复合织物。固化时在环氧树脂内加入适量直径2.5μm的B_4C硬质粒子并借助真空辅助树脂传递模塑(VARTM)技术实现复合织物的共固化一体成型。通过准静态穿刺实验发现,B_4C粒子质量分数为2%,叠层角度为45°的机织物/非织物/机织物交叉叠层复合织物的最大单位克重穿刺载荷提高了269%。此外,通过动态穿刺实验发现,多层复合织物叠层数目达到15层,即厚度为4.48mm时,复合织物未穿透。(3)复合鳞片形状与排列设计。将复合织物切割成复合鳞片并粘合在柔软的芳纶织物上。通过研究标准刀具刚接触柔性基布的临界情况,优化了相邻复合鳞片的间隙宽度。结果表明,弧边复合鳞片的临界间隙宽度较直边复合鳞片提高了10.5%,即相同间隙宽度下,弧边复合鳞片可以降低刀具的穿刺深度。此外,弧形与正六边形复合鳞片的组合排列也避免了长直线间隙的产生。(4)防刺机理。通过B_4C涂层防刺织物和共固化多层复合织物表面和刺口形貌以及载荷-位移曲线的分析,探究了两者的防刺机理。结果表明,B_4C硬质粒子的加入提高了纤维滑移抽拔的能力,抑制了纤维断裂的不同时性,同时也钝化刀尖和刀刃。机织物/非织物/机织物共固化多层复合织物不仅束缚了刀尖的穿刺,而且降低了层间缺陷。中间的非织物层也进一步增加了穿刺能量的吸收。同时,在穿刺载荷的作用下,柔性基布能够向下弯曲闭合鳞片间隙,使得刀具被相邻复合鳞片夹住,实现“自锁”效果,阻碍刀尖的穿刺。本文的研究有助于半硬防刺织物复合鳞片的制备,对于硬质颗粒涂层防刺织物的机理研究也具有重要意义。


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